Etude de Chimie

Réactions de la Propylamine

Chimie Organique : Réactions des amines - Basicité et Alkylation

Réactions des amines : basicité et alkylation

Contexte : La Double Personnalité des Amines

Les amines sont des dérivés de l'ammoniac et constituent l'une des classes de composés organiques les plus importantes. Leur réactivité est dominée par la présence du doublet non liantPaire d'électrons de valence qui n'est pas impliquée dans une liaison covalente. C'est la source de la basicité et de la nucléophilie des amines. sur l'atome d'azote. Ce doublet confère aux amines une double personnalité : elles sont à la fois des bases, capables de capter un proton (H⁺) pour former un ion ammonium, et des nucléophiles, capables d'attaquer des centres électrophiles pour former de nouvelles liaisons. Cet exercice explore ces deux facettes à travers une réaction acido-basique simple avec l'acide chlorhydrique et une réaction d'alkylation avec un dérivé halogéné.

Remarque Pédagogique : Comprendre la compétition entre la basicité et la nucléophilie est crucial en chimie organique. Selon les conditions (nature du partenaire réactionnel, solvant, température), une amine favorisera l'une ou l'autre voie. Cet exercice permet de dissocier ces deux concepts et de les quantifier à travers des calculs stœchiométriques.

Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre l'origine de la basicité et de la nucléophilie des amines.
  • Écrire l'équation d'une réaction acido-basique impliquant une amine.
  • Écrire l'équation d'une réaction d'alkylation d'amine (substitution nucléophile).
  • Identifier un réactif limitant dans une réaction de synthèse.
  • Appliquer la stœchiométrie pour calculer une masse de produit formé.

Données de l'étude

On dispose de \(2,95 \, \text{g}\) de propylamine (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2\)). Dans une première expérience, on la fait réagir avec un excès d'acide chlorhydrique (\(\text{HCl}\)) pour former le produit A. Dans une seconde expérience, on fait réagir la même masse de propylamine (\(2,95 \, \text{g}\)) avec \(6,39 \, \text{g}\) d'iodométhane (\(\text{CH}_3\text{I}\)) pour former le produit B.

Schémas Réactionnels
Propylamine + HCl Produit A (Expérience 1 : Basicité) Propylamine + CH₃I Produit B (Expérience 2 : Alkylation)

Données :

  • Masses molaires atomiques (en \(\text{g/mol}\)) :
    • C : 12.0
    • H : 1.0
    • N : 14.0
    • Cl : 35.5
    • I : 126.9

Questions à traiter

  1. Écrire l'équation de la réaction de la propylamine avec HCl et nommer le produit A.
  2. Calculer la masse de produit A formé.
  3. Écrire l'équation de la réaction de la propylamine avec l'iodométhane et nommer le produit B.
  4. Pour la seconde expérience, déterminer le réactif limitant et calculer la masse théorique de produit B.

Correction : Réactions de la Propylamine

Question 1 : Réaction avec HCl (Basicité)

Principe :
R-NH₂ + H-Cl [R-NH₃]⁺ Cl⁻

L'amine, agissant comme une base de Brønsted-Lowry, utilise son doublet non liant pour capter le proton (H⁺) de l'acide fort HCl. Il se forme un ion ammonium (l'acide conjugué de l'amine) et un ion chlorure. Ces deux ions s'associent pour former un sel, le chlorure de propylammonium.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Cette réaction est une simple réaction acido-basique. Elle est totale car HCl est un acide fort. Le produit est un sel, généralement un solide cristallin blanc, beaucoup plus soluble dans l'eau que l'amine de départ. C'est une méthode couramment utilisée pour purifier ou stocker les amines.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Base} + \text{Acide} \longrightarrow \text{Acide conjugué} + \text{Base conjuguée} \]
Donnée(s) :
  • Réactifs : Propylamine (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2\)) et Acide chlorhydrique (HCl).
Calcul(s) :
\[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2 + \text{HCl} \longrightarrow \underbrace{[\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_3]^+ \text{Cl}^-}_{\text{Produit A}} \]

Le nom du produit A est le chlorure de propylammonium.

Points de vigilance :

Nomenclature du sel : Le nom du sel est formé en remplaçant le suffixe "-amine" par "-ammonium", suivi du nom de l'anion (ici, "chlorure"). Il est important de ne pas oublier les charges dans la formule de l'ion ammonium.

Le saviez-vous ?

De nombreux médicaments contenant une fonction amine (comme la morphine ou de nombreux antidépresseurs) sont administrés sous forme de sels (chlorhydrates, sulfates...) pour augmenter leur solubilité dans l'eau et leur stabilité, facilitant ainsi leur administration et leur absorption par l'organisme.

FAQ en rapport avec la question :
La réaction est-elle réversible ?

Toutes les réactions acido-basiques sont en principe des équilibres. Cependant, comme HCl est un acide très fort, l'équilibre est extrêmement déplacé vers la droite. On considère donc la réaction comme totale. Pour régénérer l'amine, il faudrait ajouter une base forte (comme NaOH) pour déplacer l'équilibre dans l'autre sens.

Résultat : L'équation est \(\text{C}_3\text{H}_9\text{N} + \text{HCl} \rightarrow [\text{C}_3\text{H}_{10}\text{N}]^+\text{Cl}^-\). Le produit A est le chlorure de propylammonium.

Question 2 : Masse de sel A formé

Principe :
m (g) ÷ M n (mol) x M m (g)

La réaction étant stœchiométrique 1:1, la quantité de matière de sel formé est égale à la quantité de matière de propylamine de départ (puisque HCl est en excès). On calcule les moles de propylamine, on en déduit les moles de sel, puis on calcule la masse correspondante.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Ce calcul illustre la conservation de la matière. La masse du produit n'est pas égale à la masse du réactif de départ, car des atomes (H et Cl) ont été ajoutés. Le lien entre les deux se fait obligatoirement par le calcul des quantités de matière (moles).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ n = \frac{m}{M} \quad \text{et} \quad m = n \times M \]
Donnée(s) :
  • Masse de propylamine : \(2,95 \, \text{g}\)
  • Masses molaires atomiques (\(\text{g/mol}\)) : C=12.0, H=1.0, N=14.0, Cl=35.5
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} M(\text{Propylamine, } \text{C}_3\text{H}_9\text{N}) &= (3 \times 12.0) + (9 \times 1.0) + 14.0 \\ &= 59.0 \, \text{g/mol} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} n_{\text{propylamine}} &= \frac{2.95 \, \text{g}}{59.0 \, \text{g/mol}} \\ &= 0.050 \, \text{mol} \end{aligned} \]

D'après la stœchiométrie 1:1, \(n_{\text{produit A}} = n_{\text{propylamine}} = 0.050 \, \text{mol}\).

\[ \begin{aligned} M(\text{Produit A, } \text{C}_3\text{H}_{10}\text{NCl}) &= M(\text{C}_3\text{H}_9\text{N}) + M(\text{HCl}) \\ &= 59.0 + (1.0 + 35.5) \\ &= 95.5 \, \text{g/mol} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} m_{\text{produit A}} &= n_{\text{produit A}} \times M_{\text{produit A}} \\ &= 0.050 \, \text{mol} \times 95.5 \, \text{g/mol} \\ &= 4.775 \, \text{g} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Masse molaire du produit : Il faut bien penser à calculer la masse molaire du sel entier (\([\text{R-NH}_3]^+\text{Cl}^-\)), qui est la somme de la masse molaire de l'amine et de celle de HCl.

Le saviez-vous ?

En pharmacologie, la conversion d'un médicament en son sel de chlorhydrate modifie sa masse molaire. Les dosages doivent en tenir compte. Un comprimé de "10 mg de X (chlorhydrate)" ne contient pas 10 mg de la molécule active X, mais 10 mg du sel, la masse de X pure étant légèrement inférieure.

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi ne calcule-t-on pas les moles de HCl ?

L'énoncé précise que l'acide chlorhydrique est utilisé "en excès". Cela signifie qu'il y en a plus que nécessaire pour faire réagir toute la propylamine. La quantité de produit formé est donc uniquement limitée par la quantité d'amine de départ, qui est le réactif limitant par définition.

Résultat : La masse de chlorure de propylammonium formé est de 4.78 g (arrondi).

Question 3 : Réaction avec l'iodométhane (Alkylation)

Principe :
R-NH₂ + CH₃-I R-NH(CH₃) + HI

L'amine agit cette fois comme un nucléophile. Son doublet non liant attaque le carbone de l'iodométhane, qui est électrophile car lié à l'iode, un atome très électronégatif et un bon groupe partant. C'est une réaction de substitution nucléophile (Sₙ2), qui forme une nouvelle liaison C-N et expulse l'ion iodure.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Cette réaction "alkyle" l'amine, c'est-à-dire qu'elle lui ajoute un groupe alkyle (ici, un méthyle). Une amine primaire devient secondaire, une secondaire devient tertiaire, et une tertiaire peut même être alkylée une dernière fois pour former un sel d'ammonium quaternaire.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{R-NH}_2 + \text{R'-X} \longrightarrow \text{R-NH-R'} + \text{HX} \]
Donnée(s) :
  • Réactifs : Propylamine (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2\)) et Iodométhane (\(\text{CH}_3\text{I}\)).
Calcul(s) :
\[ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2 + \text{CH}_3\text{I} \longrightarrow \underbrace{\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}(\text{CH}_3)}_{\text{Produit B}} + \text{HI} \]

Le nom du produit B est la N-méthylpropan-1-amine (ou N-méthylpropylamine).

Points de vigilance :

Formation d'un acide : Ne pas oublier que la réaction libère une molécule de HI. Cet acide fort réagira immédiatement avec l'amine de départ (qui est une base), la consommant. C'est un point crucial pour les calculs de rendement en conditions réelles.

Le saviez-vous ?

L'alkylation de l'ammoniac par les halogénures d'alkyle, appelée réaction de Hofmann, fut l'une des premières méthodes pour synthétiser les amines. Cependant, son manque de sélectivité (tendance à la polyalkylation) fait qu'on lui préfère aujourd'hui d'autres méthodes plus contrôlées comme l'amination réductrice.

FAQ en rapport avec la question :
Pourquoi l'iodométhane est-il un bon agent alkylant ?

Deux raisons : 1) Le carbone est électrophile en raison de la différence d'électronégativité avec l'iode. 2) L'ion iodure (I⁻) est un excellent groupe partant. Il est très gros, sa charge négative est bien répartie, et c'est la base conjuguée d'un acide très fort (HI), ce qui le rend très stable une fois qu'il a quitté la molécule.

Résultat : L'équation est \(\text{C}_3\text{H}_9\text{N} + \text{CH}_3\text{I} \rightarrow \text{C}_4\text{H}_{11}\text{N} + \text{HI}\). Le produit B est la N-méthylpropan-1-amine.

Question 4 : Réactif limitant et masse théorique de B

Principe :
Excès Produit

Comme précédemment, on compare les quantités de matière (moles) de chaque réactif pour identifier celui qui sera épuisé en premier. La quantité de ce réactif limitant dictera la quantité maximale de produit B que l'on peut espérer former.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le calcul du réactif limitant est essentiel pour planifier une synthèse. Il permet de savoir quel réactif utiliser en excès pour s'assurer que le réactif le plus précieux ou le plus important pour la réaction soit totalement consommé, optimisant ainsi le coût et l'efficacité de la synthèse.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ n = \frac{m}{M} \quad \text{et} \quad m = n \times M \]
Donnée(s) :
  • Masse de propylamine : \(2,95 \, \text{g}\)
  • Masse d'iodométhane : \(6,39 \, \text{g}\)
  • Masses molaires atomiques (\(\text{g/mol}\)) : C=12.0, H=1.0, N=14.0, I=126.9
Calcul(s) :
\[ \begin{aligned} M(\text{Iodométhane, } \text{CH}_3\text{I}) &= 12.0 + (3 \times 1.0) + 126.9 \\ &= 141.9 \, \text{g/mol} \end{aligned} \]
\[ n_{\text{propylamine}} = \frac{2.95 \, \text{g}}{59.0 \, \text{g/mol}} = 0.050 \, \text{mol} \]
\[ n_{\text{iodométhane}} = \frac{6.39 \, \text{g}}{141.9 \, \text{g/mol}} \approx 0.045 \, \text{mol} \]

Comparaison : \(0.045 \, \text{mol}\) (iodométhane) < \(0.050 \, \text{mol}\) (propylamine). L'iodométhane est donc le réactif limitant.

La quantité de produit B formé est donc dictée par le réactif limitant : \(n_{\text{produit B}} = n_{\text{iodométhane}} = 0.045 \, \text{mol}\).

\[ \begin{aligned} M(\text{Produit B, } \text{C}_4\text{H}_{11}\text{N}) &= (4 \times 12.0) + (11 \times 1.0) + 14.0 \\ &= 73.0 \, \text{g/mol} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} m_{\text{théorique B}} &= n_{\text{produit B}} \times M_{\text{produit B}} \\ &= 0.045 \, \text{mol} \times 73.0 \, \text{g/mol} \\ &= 3.285 \, \text{g} \end{aligned} \]
Points de vigilance :

Stœchiométrie implicite : Bien que non mentionné dans le calcul simplifié, la formation de HI consomme un deuxième équivalent d'amine. Le vrai réactif limitant est donc bien l'iodométhane, car même si l'amine est consommée par deux voies, il y en a initialement plus que d'iodométhane.

Le saviez-vous ?

L'iodométhane est un agent alkylant très efficace mais aussi très toxique et cancérigène. En laboratoire, il doit être manipulé avec d'extrêmes précautions (sous une hotte, avec des gants adaptés). Des alternatives moins toxiques, comme le sulfate de diméthyle, sont souvent utilisées bien qu'elles soient également dangereuses.

FAQ en rapport avec la question :
Comment pourrait-on calculer le rendement de cette réaction ?

Après avoir réalisé la réaction en laboratoire, on isolerait et purifierait le produit B (la N-méthylpropan-1-amine). On pèserait ensuite la masse réellement obtenue (\(m_{\text{exp}}\)). Le rendement serait alors calculé par la formule : \(\text{Rendement} (\%) = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{théorique}}} \times 100\). Par exemple, si on obtenait 2.80 g de produit, le rendement serait de \((2.80 / 3.29) \times 100 \approx 85\%\).

Résultat : Le réactif limitant est l'iodométhane. La masse théorique de N-méthylpropan-1-amine est de 3.29 g (arrondi).

Simulation de l'Alkylation

Faites varier les masses des réactifs et observez l'impact sur le réactif limitant et la masse de produit B formé.

Paramètres de la Synthèse
Réactif Limitant
Masse Théorique Produit B
Quantités de matière (mol)

Pour Aller Plus Loin : La Polyalkylation

Le problème du contrôle : Un inconvénient majeur de l'alkylation des amines est qu'il est difficile de l'arrêter à un stade précis. Le produit de la première alkylation (l'amine secondaire B) est lui-même un nucléophile et peut réagir avec une autre molécule d'iodométhane pour former une amine tertiaire, qui peut à son tour réagir pour former un sel d'ammonium quaternaire. En pratique, on obtient souvent un mélange de produits. Pour favoriser la mono-alkylation, on utilise un grand excès d'amine de départ.

Le Saviez-Vous ?

La basicité des amines est à l'origine de l'odeur caractéristique de "poisson pas frais". La triméthylamine, produite par la décomposition bactérienne des protéines de poisson, est une amine volatile responsable de cette odeur. C'est pourquoi on sert souvent du citron (un acide) avec le poisson : l'acide citrique réagit avec la triméthylamine pour former un sel d'ammonium non volatil et inodore.

Foire Aux Questions (FAQ)

Quelle est l'amine la plus basique : primaire, secondaire ou tertiaire ?

En phase gazeuse, la basicité augmente avec le nombre de groupes alkyles (tertiaire > secondaire > primaire > ammoniac) car les groupes alkyles sont donneurs d'électrons et stabilisent l'ion ammonium formé. En solution aqueuse, c'est plus complexe à cause de la solvatation, et les amines secondaires sont souvent les plus basiques.

L'amine peut-elle réagir avec le HI formé lors de l'alkylation ?

Oui, absolument. L'acide iodhydrique (HI) formé est un acide fort. Il va immédiatement réagir avec une molécule d'amine de départ (qui est une base) qui n'a pas encore été alkylée. C'est pourquoi, pour que la réaction d'alkylation se poursuive, il faut utiliser au moins deux équivalents d'amine pour un équivalent d'halogénure d'alkyle, ou ajouter une autre base "sacrificielle" pour neutraliser l'acide formé.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. La réactivité des amines est principalement due :

  • À l'acidité des protons sur l'azote.

2. Pour favoriser la formation d'une amine secondaire par alkylation d'une amine primaire, il est préférable d'utiliser :

Glossaire

Amine
Composé organique dérivé de l'ammoniac où un ou plusieurs atomes d'hydrogène ont été remplacés par des groupes alkyles ou aryles.
Basicité
Capacité d'une espèce chimique à accepter un proton (H⁺) selon la théorie de Brønsted-Lowry, ou à donner un doublet d'électrons selon la théorie de Lewis.
Nucléophile
Espèce chimique riche en électrons (possédant un doublet non liant ou une liaison π) qui attaque un site pauvre en électrons (électrophile) pour former une nouvelle liaison.
Alkylation
Réaction chimique qui consiste à ajouter un groupe alkyle (comme -CH₃, -CH₂CH₃) à une molécule. L'alkylation des amines est une substitution nucléophile.
Sel d'ammonium
Composé ionique formé par la protonation d'une amine. Si l'azote est lié à quatre groupes carbone, on parle de sel d'ammonium quaternaire.
Réactions des amines : basicité et alkylation

D’autres exercices de chimie organique:

Nitration du Benzène
Nitration du Benzène

Chimie Organique : Nitration du Benzène Nitration du Benzène Contexte : La Stabilité Particulière du Benzène Le benzène et les autres composés aromatiques possèdent une stabilité exceptionnelle due à la délocalisation de leurs électrons π dans un cycle. Cette...

Condensation Aldolique du Propanal
Condensation Aldolique du Propanal

Chimie Organique : Condensation Aldolique du Propanal Condensation Aldolique du Propanal Contexte : La Dualité des Composés Carbonylés La réaction d'aldolisation (et sa variante, la cétolisation) est une pierre angulaire de la synthèse organique pour la formation de...

Réactions de Grignard
Réactions de Grignard

Chimie Organique : Réactions de Grignard - Formation et Utilisation Réactions de Grignard : Formation et Utilisation en Synthèse Organique Contexte : L'Art de Créer des Liaisons Carbone-Carbone En chimie organique, la création de nouvelles liaisons carbone-carbone est...

Identification des molécules par spectroscopie IR
Identification des molécules par spectroscopie IR

Spectroscopie Infrarouge : Identification des Groupes Fonctionnels Spectroscopie Infrarouge : Identification des Groupes Fonctionnels Contexte : L'empreinte digitale des molécules La spectroscopie infrarouge (IR) est une technique d'analyse qui permet d'identifier les...

Spectroscopie RMN du proton
Spectroscopie RMN du proton

D'autres exercices de Chimie Organique: Réactions des Acides Carboxyliques et de leurs Dérivés Synthèse et Réactivité des Aldéhydes et Cétones Synthèse de Produits à Partir du Butan-2-ol

Synthèse et Réactivité des Aldéhydes et Cétones
Synthèse et Réactivité des Aldéhydes et Cétones

Synthèse et Réactivité des Aldéhydes et Cétones Synthèse et Réactivité des Aldéhydes et Cétones Le Carrefour de la Chimie Organique Les aldéhydes et les cétones sont au cœur de la chimie organique. Leur réactivité est dominée par le groupe carbonyleGroupe fonctionnel...

Synthèse de Produits à Partir du Butan-2-ol
Synthèse de Produits à Partir du Butan-2-ol

Réactions des Alcools (Oxydation, Déshydratation) Synthèse de Produits à Partir du Butan-2-ol Comprendre la Réactivité des Alcools Les alcools sont des composés centraux en chimie organique, agissant comme précurseurs pour de nombreuses autres fonctions. Leur...

Mécanisme de l’Élimination (E1 vs E2)
Mécanisme de l’Élimination (E1 vs E2)

Mécanisme de l'Élimination (E1 vs E2) Mécanisme de l'Élimination (E1 vs E2) Comprendre les Réactions d'Élimination En plus des substitutions, les halogénoalcanes peuvent subir des réactions d'élimination, où deux substituants sont retirés d'atomes de carbone adjacents...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *