Réactions de Grignard - Exercice corrigé

Contexte : Création de liaisons Carbone-Carbone.

La réaction de Grignard est l'un des outils les plus puissants en synthèse organique. Elle permet de transformer un halogénure d'alkyle en un puissant NucléophileEspèce riche en électrons qui attaque les noyaux (charges positives). capable d'attaquer les carbonyles pour former des alcools. Nous allons étudier la synthèse du 2-méthyl-2-propanol (tert-butanol) à partir de l'acétone.

Remarque Pédagogique : Cette réaction nécessite des conditions strictement AnhydresSans aucune trace d'eau. car l'eau détruit immédiatement le réactif organomagnésien.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre le mécanisme d'addition nucléophile.
Calculer les quantités de matière et identifier le réactif limitant.
Déterminer la masse théorique attendue du produit.
Calculer le rendement d'une réaction chimique.

Données de l'étude

On fait réagir de l'acétone (propanone) avec du bromure de méthylmagnésium (\(\text{CH}_3\text{MgBr}\)) dans de l'éther anhydre, suivi d'une hydrolyse acide.

Fiche Technique / Données

Sources : Données standards de laboratoire et tableau périodique.

Composé	Formule	Masse Molaire (g/mol)	Densité (g/mL)
Acétone	\(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\)	58.08	0.79
MeMgBr	\(\text{CH}_3\text{MgBr}\)	-	(Solution 3.0 M)
tert-Butanol	\(\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}\)	74.12	-

Mécanisme Réactionnel Simplifié

Paramètres de l'expérience

Sources : Valeurs expérimentales fixées par le protocole de TP.

Variable	Description	Valeur (exemple)
\(V_{\text{acétone}}\)	Volume d'acétone introduit	5.0 mL
\(V_{\text{Grignard}}\)	Volume de solution de MeMgBr	25.0 mL
\(m_{\text{exp}}\)	Masse de produit obtenue (pesée)	Variable

Questions à traiter

Calculer la quantité de matière initiale d'acétone \(n_{\text{acétone}}\).
Calculer la quantité de matière de MeMgBr \(n_{\text{Grignard}}\) et identifier le réactif limitant.
Calculer la masse théorique maximale de tert-butanol \(m_{\text{th}}\).
Déterminer le rendement de la réaction si l'on obtient 3.5 g de produit.

Les bases théoriques

La liaison \(\text{C}-\text{Mg}\) est fortement polarisée, ce qui confère au carbone un caractère CarbanioniqueCarbone portant une charge partielle négative δ-..

Polarité de la liaison
Le carbone est plus électronégatif que le magnésium.

Dipôle C-Mg

^{\delta-}\text{C} - \text{Mg}^{\delta+}

Le groupe méthyle agit donc comme un nucléophile : \(\text{CH}_3:^-\)

Bilan de matière (Rendement)
Le rendement \(\eta\) exprime l'efficacité de la synthèse.

Formule du Rendement

\eta (\%) = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} \times 100

Où \(m_{\text{th}}\) est calculée à partir du réactif limitant.

Correction : Réactions de Grignard

Question 1 : Quantité de matière d'acétone

Principe

L'objectif est de convertir une grandeur mesurable au laboratoire (le volume d'un liquide) en une grandeur chimique utilisable pour les calculs de réaction (la mole). On utilise pour cela la densité et la masse molaire.

Mini-Cours

La Mole : C'est l'unité de base de la quantité de matière. Elle permet de "compter" les molécules par paquets de \(6.02 \times 10^{23}\) (Nombre d'Avogadro).
Pour un liquide pur, la séquence de conversion est toujours :
Volume \(\rightarrow{\rho}\) Masse \(\rightarrow{M}\) Moles.

Remarque Pédagogique

Dans un TP, on mesure des volumes car c'est plus pratique pour les liquides, mais la réaction chimique se fait mole à mole. C'est pourquoi cette conversion est la première étape obligatoire de tout compte-rendu.

Normes

Les résultats sont donnés en moles (mol) ou millimoles (mmol). Les masses molaires sont issues du tableau périodique (C=12.01, H=1.008, O=16.00 g/mol).

Formule(s)

Relation Masse-Volume-Moles

Masse volumique

m = \rho \times V

Quantité de matière

n = \frac{m}{M}

Hypothèses

Pour que ce calcul soit valide, nous supposons :

L'acétone utilisée est pure (pas d'eau ni d'impuretés significatives).
La température est proche de 20°C (car la densité varie légèrement avec la température).

Donnée(s)

Sources : Énoncé (Densité, Volume) et Tableau Périodique (Masse Molaire).

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Densité Acétone	\(\rho\)	0.79	\(\text{g/mL}\)
Volume prélevé	\(V\)	5.0	\(\text{mL}\)
Masse Molaire	\(M\)	58.08	\(\text{g/mol}\)

Astuces

Si la densité est inférieure à 1 (comme ici 0.79), la masse en grammes sera toujours inférieure au volume en mL. C'est un bon moyen de vérifier mentalement votre calcul !

Conversion(s)

Ici, les unités sont cohérentes : g/mL et mL donnent des grammes. Pas de conversion complexe requise.

Calcul intermédiaire

Pour commencer, nous devons connaître la masse d'acétone correspondant aux 5.0 mL prélevés. Nous utilisons la relation \(m = \rho \times V\) :

Calcul de la masse

\begin{aligned} m &= 0.79 \, \frac{\text{g}}{\text{mL}} \times 5.0 \, \text{mL} \\ &= 3.95 \text{ g} \end{aligned}

Nous avons donc introduit physiquement 3.95 grammes d'acétone pure dans le milieu réactionnel.

Schéma (Avant les calculs principaux)

Molécule d'Acétone

Calcul Principal

Application numérique

Maintenant que nous avons la masse, nous pouvons déterminer la quantité de matière (le nombre de moles) en divisant par la masse molaire moléculaire (\(M\)) :

Calcul des moles

\begin{aligned} n &= \frac{m}{M} \\ &= \frac{3.95 \, \text{g}}{58.08 \, \text{g/mol}} \\ &\approx 0.068009... \text{ mol} \\ &\approx 0.068 \text{ mol} \end{aligned}

Le résultat final est d'environ 0.068 moles (soit 68 mmol). C'est ce chiffre qui servira de base pour tous les calculs stœchiométriques suivants.

Schéma (Après les calculs)

Bilan Question 1

Réflexions

0.068 mol correspond à 68 mmol. C'est une échelle typique pour un laboratoire d'enseignement ("semi-micro"), suffisamment grande pour manipuler le produit final sans trop de pertes relatives.

Points de vigilance

Attention aux unités de la masse molaire (g/mol) et de la masse (g). Si vous aviez une masse en kg, le résultat serait faux d'un facteur 1000.

Points à Retenir

Formule clé : \(n = \frac{\rho \cdot V}{M}\). C'est le "couteau suisse" du chimiste organicien pour les liquides.

Le saviez-vous ?

L'acétone est un solvant polaire aprotique très courant, mais ici elle joue le rôle de réactif électrophile.

FAQ

Peut-on utiliser \(n=C \times V\) pour l'acétone ici ?

Non ! \(n=C \times V\) s'utilise pour une espèce dissoute dans un solvant (une solution). Ici, l'acétone est le liquide pur, on utilise donc sa densité.

Quantité initiale = 0.068 mol (68 mmol).

A vous de jouer
Si on avait utilisé 10 mL d'acétone, combien de moles cela représenterait-il ?

📝 Mémo
Liquide pur \(\rightarrow\) Densité. Solution \(\rightarrow\) Concentration.

Question 2 : Réactif Limitant

Principe

Une réaction chimique s'arrête dès que l'un des réactifs est épuisé. Pour trouver lequel, on compare les quantités de matière initiales (n) divisées par leur coefficient stœchiométrique respectif.

Mini-Cours

Réactif Limitant vs Excès :
- Le limitant impose la quantité maximale de produit possible.
- L'excès est la quantité qui restera dans le ballon à la fin de la réaction.

Remarque Pédagogique

Le réactif de Grignard est très sensible à l'air et à l'humidité. On en met presque toujours un excès (par exemple 1.1 à 1.5 équivalents) pour compenser une éventuelle désactivation partielle lors de la manipulation.

Normes

Comparaison effectuée en moles (mol). Les coefficients stœchiométriques sont des nombres entiers sans unité.

Formule(s)

Quantité en solution

Loi des solutions

n = C \times V

Hypothèses

On suppose que :

La concentration du Grignard commercial est exactement de 3.0 M (pas de dégradation).
La réaction d'addition est univoque (pas de réactions parasites majeures).
Stœchiométrie : 1 mole d'acétone réagit avec 1 mole de MeMgBr.

Donnée(s)

Sources : Énoncé (Concentration, Volume) et Résultat Q1 (Moles Acétone).

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Concentration Grignard	\(C\)	3.0	\(\text{mol/L (ou M)}\)
Volume Grignard	\(V\)	25.0	\(\text{mL}\)
Moles Acétone (calc. Q1)	\(n_{\text{acétone}}\)	0.068	\(\text{mol}\)

Astuces

Dans une réaction 1 pour 1 (A + B -> C), il suffit de comparer directement \(n_A\) et \(n_B\). Le plus petit gagne (ou plutôt, perd et arrête le jeu !).

Conversion(s)

La concentration molaire est donnée en mol/L. Pour l'utiliser correctement, il est impératif de convertir notre volume de mL en Litres :

Conversion mL → L

\begin{aligned} V &= 25.0 \text{ mL} \\ &= \frac{25.0}{1000} \text{ L} \\ &= 0.025 \text{ L} \end{aligned}

Calcul intermédiaire

Calculons la quantité de matière de bromure de méthylmagnésium (MeMgBr) disponible en multipliant la concentration par le volume converti :

Calcul de n(MeMgBr)

\begin{aligned} n_{\text{Grignard}} &= C \times V \\ &= 3.0 \, \frac{\text{mol}}{\text{L}} \times 0.025 \, \text{L} \\ &= 0.075 \text{ mol} \end{aligned}

Nous disposons de 75 mmol de réactif nucléophile.

Schéma (Comparaison)

Jauges de Quantité

Calcul Principal

Confrontation

La réaction consomme 1 mole d'acétone pour 1 mole de Grignard. Il suffit donc de comparer directement les deux quantités initiales calculées :

\begin{aligned} n_{\text{acétone}} &= 0.068 \text{ mol} \\ n_{\text{Grignard}} &= 0.075 \text{ mol} \\ \text{Comparaison : } 0.068 &< 0.075 \end{aligned}

Il y a moins d'acétone que de Grignard. L'acétone est donc le réactif limitant : elle sera totalement consommée, tandis qu'il restera du Grignard non réagi à la fin.

Schéma (Bilan du Limitant)

État Final Théorique

Réflexions

C'est une situation idéale : l'excès de Grignard garantit une conversion maximale de l'acétone. L'excès de Grignard sera détruit lors de l'hydrolyse acide (formation de méthane gazeux et de sels de magnésium).

Points de vigilance

Si la réaction impliquait un ester (R-COOR'), il faudrait 2 moles de Grignard pour 1 mole d'ester. Dans ce cas, il faudrait comparer \(n_{\text{ester}}\) à \(n_{\text{Grignard}}/2\). Ici (cétone), c'est 1 pour 1.

Points à Retenir

Tous les calculs suivants (masse théorique) se baseront uniquement sur la valeur 0.068 mol (limitant).

Le saviez-vous ?

La destruction de l'excès de Grignard est exothermique ! Il faut ajouter l'acide doucement et en refroidissant dans un bain de glace.

FAQ

Comment sait-on la stoechiométrie ?

Il faut écrire le mécanisme. Le Grignard attaque une fois le C=O pour former un alcoolate. Sur une cétone, il n'y a pas de groupe partant, donc l'addition s'arrête là (1 eq).

Le réactif limitant est l'Acétone.

A vous de jouer
Si la concentration du Grignard était de 1.0 M (au lieu de 3.0 M), quelle serait la quantité de matière en mmol ?

📝 Mémo
Le limitant dicte la loi. L'excès finit à la poubelle (ou en gaz).

Question 3 : Masse Théorique

Principe

La masse théorique (\(m_{\text{th}}\)) est la masse de produit pur qu'on obtiendrait si la réaction était parfaite : 100% de conversion du réactif limitant en produit désiré, sans aucune perte ni réaction secondaire.

Mini-Cours

Conservation : La quantité de matière de produit ne peut pas excéder celle du réactif limitant (ajustée par les coefficients stœchiométriques). Les atomes ne se créent pas, ils se réarrangent.

Remarque Pédagogique

C'est une valeur "plafond". Si votre masse expérimentale dépasse cette valeur, c'est que votre produit n'est pas pur (contient du solvant, de l'eau, des sels...).

Normes

Le résultat final s'exprime en grammes (g).

Formule(s)

Passage Mole → Masse

Masse molaire

m = n \times M

Hypothèses

Pour le calcul théorique :

Le rendement est de 100%.
L'isolement du produit est parfait (pas de pertes lors de l'extraction).

Donnée(s)

Sources : Résultat Q2 (Limitant) et Tableau Périodique (Masse Molaire Produit).

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Moles Limitant (Acétone)	\(n_{\text{limitant}}\)	0.068	\(\text{mol}\)
Masse Molaire Produit	\(M_{\text{tert-BuOH}}\)	74.12	\(\text{g/mol}\)

Astuces

Erreur classique : utiliser la masse molaire du réactif (58.08) au lieu de celle du produit (74.12). Vérifiez bien quel "M" vous utilisez !

Conversion(s)

Pas de conversion d'unités nécessaire (mol × g/mol = g).

Calcul intermédiaire

D'après l'équation bilan, 1 mole d'acétone donne 1 mole de tert-butanol. Comme l'acétone est limitante, la quantité maximale de produit formée est égale à la quantité initiale d'acétone :

Bilan molaire

n_{\text{tert-BuOH}} = n_{\text{acétone}} = 0.068 \text{ mol}

Schéma (Molécule Cible)

Produit : tert-Butanol

Calcul Principal

Application numérique

Nous cherchons maintenant la masse correspondant à ces 0.068 moles de produit. Pour cela, nous utilisons la masse molaire du PRODUIT (74.12 g/mol) :

Masse Théorique

\begin{aligned} m_{\text{th}} &= n_{\text{produit}} \times M_{\text{produit}} \\ &= 0.068 \, \text{mol} \times 74.12 \, \text{g/mol} \\ &\approx 5.04 \text{ g} \end{aligned}

La masse théorique est de 5.04 g. C'est la valeur maximale "idéale" que l'on ne pourra jamais dépasser expérimentalement.

Schéma (Visualisation Masse)

Objectif de Synthèse

Réflexions

Obtenir 5 grammes de produit est une quantité confortable pour effectuer des analyses (IR, RMN) et mesurer des propriétés physiques (point de fusion/ébullition).

Points de vigilance

Ne jamais utiliser la masse du réactif limitant (3.95 g) comme masse théorique du produit ! Les masses molaires sont différentes.

Points à Retenir

La masse théorique se calcule toujours AVANT la pesée du produit final. Elle sert de référence.

Le saviez-vous ?

Le tert-butanol est utilisé comme solvant en chimie ou comme additif pour l'essence (antidétonant).

FAQ

Pourquoi 5.04 g et pas 5.040 g ?

Question de chiffres significatifs. Nos données initiales (5.0 mL) ont 2 chiffres significatifs, garder 3 chiffres est déjà une bonne précision.

Masse Théorique = 5.04 g.

A vous de jouer
Si le produit avait une masse molaire de 100 g/mol, quelle serait la masse théorique ?

📝 Mémo
\( m_{\text{th}} = n_{\text{lim}} \times M_{\text{prod}} \). C'est la loi immuable de la chimie.

Question 4 : Rendement

Principe

Le rendement est un indicateur de performance. Il compare la réalité expérimentale (ce qu'on a vraiment obtenu) à la prédiction théorique (ce qu'on aurait dû obtenir dans un monde parfait).

Mini-Cours

Classification des rendements :
- > 90% : Excellent
- 70-90% : Très bon
- 50-70% : Bon/Moyen
- < 40% : Médiocre (réaction difficile ou pertes)

Remarque Pédagogique

Un rendement ne peut jamais dépasser 100%. Si c'est le cas, c'est que le produit est encore mouillé (solvant) ou contient des impuretés.

Normes

Le rendement est une grandeur sans dimension, exprimée en pourcentage (%).

Formule(s)

Taux de conversion global

Formule du Rendement

\eta = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} \times 100

Hypothèses

On considère que la masse expérimentale \(m_{\text{exp}}\) correspond au produit pur, sec et identifié formellement.

Donnée(s)

Sources : Énoncé (Masse Exp.) et Résultat Q3 (Masse Théo).

Paramètre	Symbole	Valeur	Unité
Masse Expérimentale	\(m_{\text{exp}}\)	3.5	\(\text{g}\)
Masse Théorique (Q3)	\(m_{\text{th}}\)	5.04	\(\text{g}\)

Astuces

Moyen mnémotechnique : C'est toujours "Le Petit sur Le Grand". La masse réelle est (presque) toujours inférieure à la masse théorique.

Conversion(s)

Les deux masses doivent être dans la même unité (ici en grammes) pour que le ratio soit adimensionnel.

Calcul intermédiaire

Aucun calcul intermédiaire n'est nécessaire, nous avons déjà toutes les valeurs.

Schéma (Jauge)

Efficacité de la Synthèse

69.4%

Pertes : ~30.6%

Calcul Principal

Application numérique

Nous divisons la masse réellement pesée (\(m_{\text{exp}}\)) par la masse théorique calculée précédemment (\(m_{\text{th}}\)) et multiplions par 100 pour obtenir un pourcentage :

Calcul du Rendement

\begin{aligned} \eta &= \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} \times 100 \\ &= \frac{3.5}{5.04} \times 100 \\ &\approx 69.4 \% \end{aligned}

Le rendement de la synthèse est de 69.4 %. Cela signifie que près de 70% des réactifs ont été correctement transformés et isolés sous forme de produit pur.

Schéma (Répartition)

Bilan de Masse

Réflexions

Un rendement proche de 70% est satisfaisant. Les 30% de pertes peuvent venir de l'évaporation de l'acétone (très volatile), d'une réaction incomplète, ou de pertes lors de la séparation des phases aqueuse et organique.

Points de vigilance

Ne confondez pas "Rendement" (yield) et "Pureté". Un produit peut être obtenu avec 90% de rendement mais être très sale (rendement brut).

Points à Retenir

Le rendement est le critère économique principal en chimie industrielle. Gagner 1% de rendement sur des tonnes de produit représente des millions d'euros.

Le saviez-vous ?

En "Chimie Verte", on calcule aussi l'Économie Atomique : proportion d'atomes des réactifs qui se retrouvent dans le produit final.

FAQ

Est-ce que le rendement peut être négatif ?

Absolument pas ! Une masse ne peut pas être négative. Le minimum est 0% (réaction ratée).

Rendement = 69.4 %.

A vous de jouer
Si on avait obtenu 2.5 g de produit, quel serait le rendement ?

📝 Mémo
\( \text{Réel} / \text{Idéal} \). C'est votre note sur 20 en version chimie.

Bilan de la Synthèse

Transformation d'une cétone plane en un alcool tertiaire tétraédrique.

📝 Grand Mémo Grignard

Points essentiels à retenir :

💧
Conditions Anhydres : L'eau est l'ennemi n°1. Elle réagit (acide-base) avec le Grignard avant qu'il n'attaque la cétone.
⚡
Nucléophilie : Le groupe alkyle \(R\) du \(R-MgX\) attaque le carbone électrophile du \(C=O\).
⚗️
Stoechiométrie : 1 mole de Grignard réagit avec 1 mole de fonction carbonyle (ou ester : 2 moles).

🎛️ Simulateur de Rendement

Ajustez les volumes de réactifs pour voir qui est le limitant et calculer le rendement.

Volumes des Réactifs

Volume Acétone (mL) : 5.0

Masse Produit Obtenue (g) : 3.5

Masse Théorique : - g

Rendement : - %

📝 Quiz final : Compréhension

1. Pourquoi utilise-t-on de l'éther diéthylique comme solvant ?

Il stabilise le magnésium par solvatation (doublet libre de l'oxygène).
Il réagit avec l'acétone pour l'activer.
C'est juste le solvant le moins cher.

2. Quel serait le produit si on utilisait du Formaldéhyde (HCHO) au lieu de l'acétone ?

Un alcool secondaire.
Un alcool primaire (Éthanol).
Un acide carboxylique.

📚 Glossaire Chimie

Anhydre: Qui ne contient pas d'eau. Crucial pour les organométalliques.
Nucléophile: Espèce chimique attirée par les charges positives (ici le carbone du groupe méthyle).
Électrophile: Espèce chimique pauvre en électrons (ici le carbone du C=O).
Hydrolyse: Réaction chimique utilisant l'eau pour rompre une liaison (ici O-Mg).

Chargement...

CHIMIE ORGANIQUE

Objectifs Pédagogiques

Données de l'étude

Fiche Technique / Données

Mécanisme Réactionnel Simplifié

Paramètres de l'expérience

Questions à traiter

Les bases théoriques

Correction : Réactions de Grignard

Question 1 : Quantité de matière d'acétone

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Normes

Formule(s)

Hypothèses

Donnée(s)

Astuces

Conversion(s)

Calcul intermédiaire

Schéma (Avant les calculs principaux)

Molécule d'Acétone

Calcul Principal

Schéma (Après les calculs)

Bilan Question 1

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 2 : Réactif Limitant

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Normes

Formule(s)

Hypothèses

Donnée(s)

Astuces

Conversion(s)

Calcul intermédiaire

Schéma (Comparaison)

Jauges de Quantité

Calcul Principal

Schéma (Bilan du Limitant)

État Final Théorique

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 3 : Masse Théorique

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Normes

Formule(s)

Hypothèses

Donnée(s)

Astuces

Conversion(s)

Calcul intermédiaire

Schéma (Molécule Cible)

Produit : tert-Butanol

Calcul Principal

Schéma (Visualisation Masse)

Objectif de Synthèse

Réflexions

Points de vigilance

Points à Retenir

Le saviez-vous ?

FAQ

Question 4 : Rendement

Principe

Mini-Cours

Remarque Pédagogique

Normes

Formule(s)

Hypothèses