Réactions de la Propylamine
Contexte : Synthèse de la N-éthylpropylamine par substitution nucléophile.
La propylamine (ou propan-1-amine) est une amine primaireAmine où l'atome d'azote est lié à un seul groupe alkyle et deux hydrogènes. de formule brute \(\text{C}_3\text{H}_9\text{N}\). C'est un liquide incolore à l'odeur ammoniacale forte. Dans cet exercice, nous étudions sa réaction avec l'iodoéthane pour former une amine secondaire. Cette réaction met en jeu les propriétés nucléophilesEspèce riche en électrons cherchant à attaquer un noyau positif. de l'atome d'azote.
Remarque Pédagogique : Cet exercice permet de revoir les calculs de quantités de matière à partir de volumes et densités, ainsi que la stœchiométrie d'une réaction d'alkylation d'Hofmann.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer des masses molaires et quantités de matière.
- Identifier le réactif limitant dans une réaction organique.
- Comprendre le mécanisme de substitution nucléophile (SN2).
- Calculer un rendement de synthèse.
Données de l'étude
On introduit dans un ballon de 100 mL une masse \(m_{\text{prop}}\) correspondant à un volume \(V_{\text{prop}} = 10,0 \text{ mL}\) de propylamine pure. On ajoute ensuite un excès d'iodoéthane. Le mélange est chauffé à reflux.
Données Physico-chimiques
Source : Données standards de laboratoire.
| Espèce Chimique | Formule | Masse Molaire (g/mol) | Densité (g/mL) |
|---|---|---|---|
| Propylamine | \(\text{C}_3\text{H}_7\text{NH}_2\) | \(M_1\) (à calculer) | 0,717 |
| Iodoéthane | \(\text{C}_2\text{H}_5\text{I}\) | 155,97 | 1,950 |
| N-éthylpropylamine (Produit) | \(\text{C}_3\text{H}_7\text{NHC}_2\text{H}_5\) | 87,16 | - |
Montage expérimental (Chauffage à Reflux)
Données atomiques (g/mol)
Source : Tableau Périodique des Éléments (IUPAC).
| H | C | N |
|---|---|---|
| 1,0 | 12,0 | 14,0 |
Questions à traiter
- Calculer la masse molaire de la propylamine.
- Déterminer la quantité de matière initiale de propylamine introduite.
- Écrire l'équation de la réaction de synthèse.
- Calculer la masse théorique attendue de produit.
- Si on obtient 6,5 g de produit purifié, calculer le rendement.
Les bases théoriques
La réactivité des amines est dominée par le doublet non liant sur l'atome d'azote, qui leur confère des propriétés basiques et nucléophilesAttaque les sites pauvres en électrons..
Quantité de matière et Masse Volumique
Pour les liquides purs, on utilise la masse volumique (ou densité) pour trouver la masse, puis la quantité de matière.
Relation fondamentale
Où :
- \(\rho\) est la masse volumique (\(\text{g/mL}\))
- \(V\) est le volume (\(\text{mL}\))
Substitution Nucléophile (SN2)
L'amine (nucléophile) attaque le carbone portant l'halogène (électrophile). L'halogène part en tant que groupe partant.
Mécanisme général
Suivi d'une déprotonation par une base présente dans le milieu.
Correction : Réactions de la Propylamine
Question 1 : Masse Molaire de la Propylamine
Principe
La masse molaire moléculaire (M) correspond à la masse d'une mole de molécules. Elle s'obtient en additionnant les masses molaires atomiques de tous les atomes présents dans la formule brute de la molécule, selon la loi d'additivité.
Mini-Cours
Définition : La masse molaire s'exprime en \(\text{g} \cdot \text{mol}^{-1}\). C'est une constante physique intrinsèque à chaque espèce chimique, indépendante de la quantité de matière ou de l'état physique.
Remarque Pédagogique
Une erreur fréquente consiste à oublier les atomes d'hydrogène "cachés" dans la formule topologique ou semi-développée. Écrivez toujours la formule brute complète avant de calculer \(M\).
Normes
Les masses molaires atomiques sont issues de la classification périodique des éléments (IUPAC). Pour les calculs usuels de laboratoire, on utilise les valeurs arrondies à une décimale : \(C=12,0\), \(H=1,0\), \(N=14,0\).
Formule(s)
Relation de calcul
Formule brute
Hypothèses
Le calcul repose sur l'abondance isotopique naturelle moyenne des éléments sur Terre (Carbone 12 majoritaire, etc.).
- Masse molaire du Carbone : 12,0 \(\text{g/mol}\)
- Masse molaire de l'Hydrogène : 1,0 \(\text{g/mol}\)
- Masse molaire de l'Azote : 14,0 \(\text{g/mol}\)
Donnée(s)
Source : Tableau Périodique des Éléments (IUPAC).
| Elément | Symbole | Masse (g/mol) |
|---|---|---|
| Carbone | C | 12,0 |
| Hydrogène | H | 1,0 |
| Azote | N | 14,0 |
Astuces
Règle de l'Azote : En chimie organique, une molécule neutre contenant un nombre impair d'atomes d'azote aura une masse molaire impaire. Ici, nous avons 1 azote, donc nous nous attendons à un résultat impair.
Schéma (Décomposition)
Contribution de chaque atome à la masse totale
Calcul(s)
Détail du calcul
On remplace chaque terme par sa valeur numérique en détaillant la somme pondérée :
Ainsi, une mole de propylamine pèse exactement 59,0 grammes.
Masse d'une mole
Réflexions
Le résultat obtenu (59,0 \(\text{g/mol}\)) est bien un nombre impair, ce qui est cohérent avec la présence d'un seul atome d'azote. Cette masse est celle d'une molécule relativement petite et volatile.
Points de vigilance
Ne confondez pas le groupe propyle (\(\text{C}_3\text{H}_7\)) avec la molécule entière. Il ne faut pas oublier d'ajouter les atomes du groupe fonctionnel amine (\(-\text{NH}_2\)).
Points à Retenir
La formule brute est le point de départ obligatoire pour tout calcul de masse molaire fiable.
Le saviez-vous ?
La propylamine est un isomère de constitution de la triméthylamine \((\text{CH}_3)_3\text{N}\) et de l'isopropylamine \((\text{CH}_3)_2\text{CH-NH}_2\). Elles ont toutes la même masse molaire mais des propriétés différentes.
FAQ
Pourquoi utilise-t-on g/mol et non kg/mol ?
Bien que le kg soit l'unité SI de masse, le g/mol est l'unité standard historique en chimie car elle permet de manipuler des chiffres à échelle humaine (12g de carbone vs 0.012kg).
A vous de jouer
Quelle serait la masse molaire de l'éthylamine (\(\text{C}_2\text{H}_7\text{N}\)) ?
📝 Mémo
Formule brute \(\rightarrow\) Somme des masses atomiques.
Question 2 : Quantité de matière initiale
Principe
Pour un liquide pur, la quantité de matière ne se mesure pas directement. Il faut passer par le volume mesuré (pipette, éprouvette), le convertir en masse via la densité, puis convertir cette masse en moles via la masse molaire.
Mini-Cours
La mole est l'unité de la quantité de matière. C'est le seul langage commun pour faire réagir les molécules entre elles. Un volume de 10 mL ne "réagit" pas avec 10 mL d'un autre produit, ce sont les moles qui comptent.
Remarque Pédagogique
En travaux pratiques, on utilise souvent la densité \(d\) relative à l'eau. Rappelez-vous que numériquement, \(d \approx \rho\) (en \(\text{g/mL}\)) car \(\rho_{\text{eau}} \approx 1,00 \, \text{g/mL}\).
Normes
Il faut impérativement respecter l'homogénéité des unités. Si la masse volumique est en \(\text{g} \cdot \text{mL}^{-1}\), le volume doit être en \(\text{mL}\) pour obtenir une masse en \(\text{g}\).
Formule(s)
La chaîne de conversion
1. Du Volume à la Masse
2. De la Masse aux Moles
Hypothèses
On considère que :
- La propylamine utilisée est pure (titre massique = 100%).
- La température est proche de 20-25°C (la densité varie légèrement avec T).
Donnée(s)
Source : Énoncé de l'exercice et résultats précédents.
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Volume prélevé | \(V\) | 10,0 | mL |
| Masse volumique | \(\rho\) | 0,717 | g/mL |
| Masse Molaire | \(M\) | 59,0 | g/mol |
Astuces
Vérification mentale : La densité est < 1 (0,717). Donc 10 mL pèseront moins que 10 g. Si vous trouvez une masse > 10 g, vous avez fait une erreur (probablement une division au lieu d'une multiplication).
Schéma (Chaîne de calcul)
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul de la masse \(m\)
On convertit d'abord le volume en masse en utilisant la densité :
Nous avons donc introduit physiquement 7,17 grammes de propylamine liquide dans le ballon.
Étape 2 : Calcul de la quantité de matière \(n\)
On divise ensuite cette masse par la masse molaire pour obtenir le nombre de moles :
Cela correspond à environ 0,12 mole de réactif disponible pour la réaction.
Contenu en quantité de matière
Réflexions
On obtient environ 0,12 \(\text{mol}\). C'est une quantité standard pour une synthèse en laboratoire (échelle du ballon de 100 \(\text{mL}\)). Si on avait trouvé 12 \(\text{mol}\) ou 0,0001 \(\text{mol}\), il aurait fallu s'inquiéter de l'ordre de grandeur.
Points de vigilance
Attention aux chiffres significatifs ! Le volume est donné avec 3 chiffres significatifs (10,0) et la densité avec 3 (0,717). Le résultat final doit être arrondi en conséquence (ici 3 chiffres, soit 0,122 \(\text{mol}\) ou \(1,22 \cdot 10^{-1} \, \text{mol}\)).
Points à Retenir
Pour un liquide pur : \(n = \frac{\rho \cdot V}{M}\). C'est LA formule à connaître par cœur en TP.
Le saviez-vous ?
La propylamine étant très volatile (Eb = 48°C), il faut la manipuler rapidement ou au froid pour éviter que la masse réelle introduite ne diminue par évaporation.
FAQ
Peut-on peser directement le liquide ?
Oui, c'est même plus précis ! On tare le ballon sur une balance et on ajoute le liquide à la pipette jusqu'à la masse désirée. Cela évite l'incertitude sur la densité.
A vous de jouer
Si on avait prélevé 20 mL de cette même amine, quelle serait la quantité de matière ?
📝 Mémo
Volume \(\xrightarrow{\times \rho}\) Masse \(\xrightarrow{/ M}\) Moles.
Question 3 : Équation de la réaction
Principe
Il s'agit d'une réaction de substitution nucléophile bimoléculaire (SN2), aussi appelée N-alkylation. L'azote de l'amine possède un doublet non liant qui agit comme un nucléophile pour attaquer le carbone électrophile de l'halogénoalcane.
Mini-Cours
Rappel Mécanisme : Le nucléophile (\(\text{R-NH}_2\)) attaque le carbone delta+ lié à l'halogène (X). La liaison C-X se rompt simultanément, libérant l'ion halogénure (\(\text{X}^-\)). Il se forme d'abord un sel d'ammonium, qui perd ensuite un proton (\(\text{H}^+\)).
Remarque Pédagogique
Identifiez toujours les rôles : Qui attaque ? (Le doublet de N). Qui est attaqué ? (Le C portant l'Iode). Qui part ? (L'Iode).
Normes
L'équation bilan doit présenter les réactifs à gauche et les produits à droite, avec conservation des atomes et des charges. En chimie organique, on écrit souvent les sous-produits inorganiques (comme HI) à côté.
Formule(s)
Schéma général d'alkylation
Hypothèses
Pour l'équation bilan demandée, on fait l'hypothèse simplificatrice que la réaction s'arrête à la mono-alkylation (formation de l'amine secondaire) et on néglige la polyalkylation.
- Pas de formation d'amine tertiaire.
- Pas de réaction d'élimination (compétition E2).
Donnée(s)
- Nucléophile : Propylamine \(\text{CH}_3\text{-CH}_2\text{-CH}_2\text{-NH}_2\)
- Électrophile : Iodoéthane \(\text{CH}_3\text{-CH}_2\text{-I}\)
- Groupe partant : Ion Iodure \(\text{I}^-\)
Astuces
Pour écrire le produit, remplacez simplement un H de l'azote par le groupe alkyle de l'halogénoalcane (ici le groupe éthyle -\(\text{CH}_2\text{CH}_3\)).
Schéma (Mécanisme réactionnel)
Mécanisme SN2 : Mouvement concerté des électrons.
Écriture
Équation Bilan équilibrée
On écrit les réactifs et les produits, en veillant à équilibrer les atomes :
On forme la N-éthylpropylamine (amine secondaire) et de l'iodure d'hydrogène (acide).
Réflexions
Le produit obtenu est une amine secondaire. Elle possède encore un H sur l'azote et un doublet libre, donc elle est encore nucléophile. C'est ce qui rend difficile l'arrêt de la réaction à ce stade (risque de polyalkylation).
Points de vigilance
Le piège de l'acide : Le \(\text{HI}\) formé est un acide fort. Il va immédiatement réagir avec toute base présente (y compris l'amine réactive ou le produit) pour former un sel d'ammonium (\(\text{R-NH}_3^+ \text{I}^-\)). Pour que la réaction continue, on ajoute souvent une base auxiliaire (ex: NaOH ou carbonate) pour capter ce HI.
Points à Retenir
L'alkylation des amines permet de substituer les H de l'azote par des chaînes carbonées, augmentant ainsi la classe de l'amine (primaire \(\to\) secondaire \(\to\) tertiaire).
Le saviez-vous ?
Cette réaction est nommée Alkylation d'Hofmann, du nom d'August Wilhelm von Hofmann.
FAQ
Pourquoi l'iode est-il un bon groupe partant ?
L'ion iodure \(\text{I}^-\) est une base très faible et très stable (grand rayon atomique, charge diffuse), ce qui en fait un excellent groupe partant ("nucléofuge") comparé au fluor ou au chlore.
A vous de jouer
Si on utilisait du bromométhane (\(\text{CH}_3\text{Br}\)) à la place, quel serait le produit formé ?
📝 Mémo
Azote = Nucléophile. Carbone-Iode = Électrophile.
Question 4 : Masse théorique de produit
Principe
Le calcul de la masse théorique se base sur la stœchiométrie de la réaction. Il faut d'abord identifier le réactif limitant (celui qui manque) car c'est lui qui détermine la quantité maximale de produit que l'on peut espérer obtenir (rendement 100%).
Mini-Cours
Réactif limitant : C'est le réactif qui est totalement consommé à la fin de la réaction. L'avancement maximal \(x_{\text{max}}\) est atteint lorsque la quantité de matière de ce réactif tombe à zéro.
Remarque Pédagogique
L'énoncé précise "excès d'iodoéthane". C'est un indice majeur : cela signifie que la propylamine est le réactif limitant sans aucun calcul nécessaire pour le prouver.
Normes
On exprime généralement la masse théorique avec la même précision (chiffres significatifs) que les données initiales.
Formule(s)
Relation stœchiométrique
Masse théorique
Hypothèses
Pour ce calcul théorique, on se place dans un cas idéal :
- La réaction est totale (pas d'équilibre).
- Il n'y a pas de réactions parasites (pas de polyalkylation).
- On récupère 100% du produit formé (pas de pertes lors de l'extraction).
Données
Source : Question 2 et Tableau Périodique.
| Grandeur | Valeur |
|---|---|
| \(n_{\text{prop}}\) (calculé Q2) | 0,1215 mol |
| Iodoéthane | En excès |
| \(M_{\text{produit}}\) (N-éthylpropylamine) | 87,16 g/mol |
Astuces
Vérifiez toujours la stœchiométrie de l'équation. Ici c'est 1 pour 1. Si c'était 1 amine pour 2 iodoéthanes, le calcul serait différent.
Schéma (Tableau d'avancement simplifié)
Conservation de la quantité de matière (1:1)
Calcul(s)
1. Détermination de \(n_{\text{max}}\)
Comme l'iodoéthane est en excès, la propylamine est le réactif limitant. La quantité de matière maximale de produit formé \(n_{\text{max}}\) est donc égale à la quantité initiale de propylamine :
C'est la quantité maximale de moles que l'on peut espérer transformer.
2. Calcul de la masse \(m_{\text{th}}\)
On multiplie cette quantité de matière par la masse molaire du produit (N-éthylpropylamine) pour obtenir la masse :
Si la réaction était parfaite, nous pèserions exactement 10,59 g de produit.
Schéma (Visualisation Résultat)
Réflexions
Cette masse de 10,6 g représente le "graal", la quantité parfaite impossible à dépasser sans violer la loi de conservation de la masse.
Points de vigilance
Erreur fréquente : utiliser la masse molaire du réactif (59 g/mol) au lieu de celle du produit (87,16 g/mol) pour calculer la masse finale. La molécule a grossi, elle est plus lourde !
Points à Retenir
Le calcul de la masse théorique se fait toujours AVANT de regarder combien on a réellement obtenu. C'est notre référence.
Le saviez-vous ?
En industrie pharmaceutique, on calcule l'"Economie Atomique" en plus du rendement : elle prend en compte la masse des sous-produits (ici HI) qui sont des déchets.
FAQ
Pourquoi la masse molaire du produit est donnée ?
Pour vous faire gagner du temps. Sinon, il aurait fallu la calculer : \(\text{C}_3\text{H}_7\text{NH}(\text{C}_2\text{H}_5) = \text{C}_5\text{H}_{13}\text{N}\).
A vous de jouer
Si le produit avait une masse molaire de 100 g/mol, quelle serait la masse théorique ?
📝 Mémo
\(m_{\text{th}} = n_{\text{limitant}} \times M_{\text{produit}}\)
Question 5 : Calcul du Rendement
Principe
Le rendement \(\eta\) (êta) ou \(R\) est l'indicateur de performance de la synthèse. Il exprime en pourcentage la part de réactif qui a été correctement transformée et récupérée sous forme de produit pur.
Mini-Cours
Un rendement de 100% est théoriquement possible mais expérimentalement inatteignable (pertes lors du transfert, filtration, distillation, réactions incomplètes...).
Remarque Pédagogique
Ce chiffre est crucial pour évaluer la qualité d'une méthode de synthèse. Un rendement faible (< 50%) incite à changer de méthode.
Normes
Le rendement est sans dimension, exprimé en pourcentage (%). On l'arrondit généralement à l'entier ou à une décimale. Il ne doit jamais avoir plus de précision que les pesées.
Formule(s)
Formule du rendement
On peut aussi le calculer avec les quantités de matière : \(\eta = \frac{n_{\text{exp}}}{n_{\text{th}}} \times 100\).
Hypothèses
Le calcul suppose que :
- La masse \(m_{\text{exp}}\) correspond au produit sec (plus de solvant).
- La masse \(m_{\text{exp}}\) correspond au produit pur (pas de contaminants).
Donnée(s)
Source : Données expérimentales et Question 4.
| Type de masse | Valeur (g) |
|---|---|
| Masse expérimentale (\(m_{\text{exp}}\)) | 6,5 |
| Masse théorique (\(m_{\text{th}}\)) | 10,59 |
Astuces
Estimation rapide : 6,5 est un peu plus de la moitié de 10,6 (qui est 5,3). On s'attend donc à un rendement supérieur à 50% mais inférieur à 70%.
Schéma (Jauge de rendement)
Calcul(s)
Application numérique
On divise la masse obtenue (réelle) par la masse maximale théorique (idéale) calculée précédemment :
Le rendement est donc de 61,4%. Cela signifie que plus d'un tiers de la matière attendue n'a pas été isolée.
Comparaison Masse attendue vs obtenue
Réflexions
Un rendement de 61% est "correct" pour une synthèse organique simple en une étape. Cela signifie que 39% de la matière initiale a été "perdue" (produits secondaires, réaction incomplète, pertes mécaniques).
Points de vigilance
Alerte Rouge : Si vous trouvez \(\eta > 100\%\), c'est impossible ! Cela signifie généralement que votre produit n'est pas sec (il reste de l'eau ou du solvant) ou qu'il contient des impuretés plus lourdes.
Points à Retenir
Toujours vérifier la cohérence : \(m_{\text{exp}}\) doit être inférieur à \(m_{\text{th}}\).
Le saviez-vous ?
Dans les synthèses multi-étapes (ex: fabrication de médicaments), le rendement global est le produit des rendements de chaque étape. Une perte de 10% à chaque étape sur 10 étapes donne un rendement final de seulement 34% ! (\(0.9^{10}\)).
FAQ
Comment améliorer ce rendement ?
On peut : augmenter le temps de chauffage, utiliser un catalyseur, optimiser la température, ou améliorer la méthode d'extraction pour moins perdre de produit.
A vous de jouer
Si on avait obtenu la totalité des 10,59 g, le rendement serait de ?
📝 Mémo
\(\eta = \frac{\text{Réel}}{\text{Idéal}}\)
Bilan de la Synthèse
Résumé des flux de matière pour cette réaction d'alkylation.
📝 Grand Mémo : Chimie des Amines
Ce qu'il faut retenir sur la réactivité de la propylamine :
-
🔑
Nucléophilie : L'azote possède un doublet non liant disponible pour attaquer des carbones électrophiles.
-
📐
Alkylation : Permet de passer d'une amine primaire à secondaire (puis tertiaire).
-
⚠️
Rendement : Souvent limité par des réactions parasites (polyalkylation) ou des pertes lors de l'extraction.
🎛️ Simulateur de Rendement
Simulez l'impact de la masse de produit obtenue sur le rendement global de la réaction pour une masse théorique donnée.
Paramètres Expérimentaux
📝 Quiz final : Chimie Organique
1. À quelle classe d'amines appartient la propylamine ?
2. Pourquoi la propylamine est-elle basique ?
📚 Glossaire Chimie
- Nucléophile
- Espèce chimique riche en électrons (souvent porteur d'un doublet non liant ou d'une charge négative) qui attaque les noyaux (charges positives).
- Électrophile
- Espèce pauvre en électrons (lacune électronique ou charge positive) qui attire les doublets électroniques.
- Amine
- Composé organique dérivé de l'ammoniac dont au moins un atome d'hydrogène a été remplacé par un groupe carboné.
- Rendement
- Ratio (exprimé en pourcentage) entre la quantité de produit obtenue et la quantité théorique maximale attendue.
- Alkylation
- Réaction chimique consistant à ajouter un groupe alkyle (chaine carbonée) sur une molécule.
Le Saviez-vous ?
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