Devoir à la maison de chimie n˚2 - Correction

PCSI - Lycée Brizeux - Quimper DM 02 - Pour le 03 novembre 2010
Devoir à la maison de chimie n˚2 - Correction
Identification d’un composé organique
1. (a) L’analyse élémentaire est une technique basée sur la mesure de la quantité (masse)
de produits issus de la combustion du composé étudié. On effectue la combustion en
présence d’un excès de dioxygène, et on mesure la masse de dioxyde de carbone et
la masse d’eau formée. De ces mesures on peut déduire la composition du composé
de départ.
(b) Le pourcentage massique de carbone est par définition la masse de carbone sur la
masse totale de la molécule. Ce raisonnement sur une molécule peut facilement se
transposer à une mole de molécule. Le pourcentage massique est alors égal à la masse
molaire du carbone au sein du composé divisé par la masse molaire du composé. Si le
composé étudié comporte xatomes de carbone, le pourcentage massique de carbone
sera donc égal à :
xMC
MCxHyOz
Le même raisonnement s’applique à l’hydrogène et à l’oxygène. On en déduit les
égalités suivantes :
xMC
MCxHyOz
= 0,649 ; yMH
MCxHyOz
= 0,135 ; zMO
MCxHyOz
= 0,216
Soit : 12,0x
74,0= 0,649 ; 1,0y 74,0= 0,135 ; 16,0z 74,0= 0,216
L’application numérique donne x= 4,y= 10 et z= 1.
La formule brute du composé est donc C4H10O.
Ce résultat peut être retrouvé à l’aide de l’indice donné dans l’énoncé, en utilisant
un tableau d’avancement, comme effectué dans le cours.
(c) La masse molaire peut être obtenue à l’aide de la spectrométrie de masse.
2. (a) Le nombre d’insaturations n.i. d’un composé de formule brute CxHyOzest donné
par la formule :
n.i. =2x+ 2 −y
2
(b) Ici, on a x= 4 et y= 10, donc :
n.i. =2∗4+2−10
2= 0
Le composé étudié ne présente ni liaison multiple, ni cycle.
(c) Les fonctions chimiques oxygénées compatibles avec ce nombre d’insaturations sont
la fonction alcool et la fonction étheroxyde (un aldéhyde ou une cétone par exemple
nécessiteraient une insaturation).
3. (a) Les formules topologiques des 8 isomères sont indiquées figure 1.
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OH
OH OH
O O
O
∗∗ ∗∗
HO H H OH
Figure 1 – Formules topologiques des isomères de formule brute C4H10O
(b) Les composés de la première ligne et de la troisième ligne sont des alcools, ceux de
la deuxième sont des étheroxydes.
(c) i. Les deux isomères de configuration sont ceux de la troisième ligne (même en-
chaînement des atomes, mais disposition dans l’espace différente).
ii. Les composés sont images l’un de l’autre par un miroir plan, ils forment donc
un couple d’énantiomères.
iii. Un mélange équimolaire de deux énantiomères est appelé mélange racémique.
Comme deux énantiomères ont des pouvoirs rotatoires spécifiques opposés, et
qu’ils sont présents en même quantité, le mélange racémique ne présente pas
d’activité optique.
iv. Un composé présentant ncentres stéréogènes peut comporter au maximum 2n
stéréoisomères. Lorsque deux atomes de carbone asymétriques possèdent les
mêmes substituants, des composés en apparence différents (de configuration
(R,S) et (S,R) par exemple) sont en fait identiques. Le composé est alors appelé
méso.
(d) De gauche à droite et de bas en haut, les composés sont :
– le butan-1-ol
– le 2-méthylpropan-1-ol
– le 2-méthylpropan-2-ol
– l’éthoxyéthane
– le 1-méthoxypropane
– le 2-méthoxypropane
J’ai oublié de demander le nom des deux stéréoisomères, il s’agit de gauche à droite
du (R)-butan-2-ol et du (S)-butan-2-ol.
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Conformations d’alcanes et de cycloalcanes
1. (a) Voir l’annexe
(b) Note : Compte-tenu de l’hypothèse effectuée, le diagramme d’énergie potentielle est
le même pour les trois stéréoisomères représentés précédemment. Le seul changement
est le choix de la valeur de l’ange θ= 0˚. J’ai arbitrairement choisi l’isomère (R,S).
Si ce paragraphe n’est pas clair, n’hésitez pas à poser une question sur le forum ou
à venir me rencontrer au lycée.
Quand il y a plus d’un substituant, pour la nomenclature des conformations, on
utilise les règles CIP : la positon décalée gauche par exemple est quand les deux
substituants prioritaires sur chaque atome de carbone sont décalés d’un angle de π
3.
Le diagramme est représenté figure 2.
H
H3CBr
Br
H
H3C
Br
HCH3
Br
H
H3C
CH3
Br H
Br
H
H3C
H
H3C
Br
Br
H
H3C
Br
H
CH3
Br
H
H3C
H3C
Br
H
Br
H
H3C
Eclipsée Décalée
gauche Eclipsée Décalée anti Eclipsée Décalée gauche
H3C
Br
H
Br
H
H3C
Eclipsée
Ep
!
Figure 2 – Diagramme d’énergie potentielle simplifié associé au dibromobutane
(c) Le composé (1) est le (R,R)-2,3-dibromobutane. Le composé (2) est le (S,S)-2,3-
dibromobutane. Le composé (3) est le (2R,3S)-2,3-dibromobutane.
(d) Les composés (2R,3S) et (2S,3R) sont identiques, il s’agit du composé méso.
(e) Les stéréoisomères (R,R) et (S,S) forment un couple d’énantiomères. Les isomères
(R,R) et (R,S) forment un couple de diastéréoisomères, ainsi que les isomères (S,S)
et (R,S)
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2. (a) Le composé représenté en annexe est le 4-méthylcyclohexanol (J’avais oublié d’en-
lever le nom de la légende ...).
(b) Conformations du 4-méthylcyclohexanol
Représentation en perspective Projection de Newman
(a)
H3COH
OH
H
H
H
H
H
H
CH3
(b)
OH
H3C
H
HO
H
H
H
H
H
CH3
(c)
CH3
OH
OH
H
H
H
H
H
CH3
H
Table 1 – Conformations du 4-méthylcyclohexanol
(c) La conformation la plus stable est celle pour laquelle les deux substituants sont en
position équatoriale, il s’agit donc de la (b).
Réactivité de la double liaison carbone-oxygène
1. Les deux formes mésomères du méthanal sont repreprésentées figure 3.
O
H H
O
H H
Figure 3 – Formes mésomères du méthanal
2. L’atome électrophile au sein de la double liaison carbone-oxygène est donc l’atome de
carbone, puisque c’est lui qui porte une lacune et une charge formelle positive dans la
forme mésomère de droite (qui a un poids non négligeable).
3. (a) Les composés présentés figure 2 de l’énoncé sont de gauche à droite : un aldéhyde,
une cétone, un ester et un amide.
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R H
O
RR'
O
RO
R'
O
RN
R'
O
R''
L'aldéhyde est le composé de référence pour la comparaison.
L'atome de carbone de la fonction carbonyle subit un enrichissement
électronique du fait de la chaîne alkyle R. Comme cet effet est présent
pour tous les dérivés étudiés, on l'omettra par la suite.
La chaîne alkyle R' se comporte comme si elle avait un effet inductif
donneur, ce qui enrichit l'atome de carbone en électrons. Cet effet est
symbolisé par une flèche dans le sens du déplacement élecronique,
sur la liaison concernée.
L'atome d'oxygène étant très électronégatif, il
exerce un effet inductif attracteur. Mais il
possède également un doublet non liant, donc
exerce également un effet mésomère donneur.
RO
R'
O
+I
-I,+M
RN
R'
O
R''
L'atome d'azote possède des propriétés
analogues à celui d'oxygène, mais étant un
peu moins électronégatif, il présente un effet
mésomère plus marqué, et un effet inductif
plus faible.
-I,+M
Figure 4 – Composés présentant une double liaison carbone-oxygène
(b) Les effets électroniques sont indiqués sur la figure 4.
(c) De manière générale, les effets mésomères sont plus intenses que les effets inductifs.
Quand les deux effets sont opposés, le bilan global est celui indiqué par l’effet mé-
somère. L’atome de carbone de la double liaison carbone-oxygène est donc enrichi
en électrons pour la cétone, l’ester et l’amide. Les effets inductifs étant plus faibles,
l’enrichissement est plus faible pour la cétone. Concernant l’ester et l’amide, du fait
de la différence d’électronégativité, l’enrichissement est plus important pour l’amide.
(d) L’atome de carbone est électrophile, c’est-à-dire qu’il est déficitaire en électrons
(d’après les formes mésomères de la première question). Ce caractère électrophile
est d’autant moins marqué que l’enrichissement électronique est fort. Le composé le
plus électrophile est donc l’aldhyde, puis vient la cétone, l’ester, et enfin l’amide.
4. Les organomagnésiens agissent comme nucléophiles. Ils réagissent donc sur le site élec-
trophile des dérivés présentant une double liaison carbone-oxygène, à savoir l’atome de
carbone. Cette réaction sera d’autant plus favorisée que l’atome de carbone sera électro-
phile. D’après la question précédente, un ester est moins électrophile qu’une cétone. Après
qu’une molécule d’organomagnésien ait réagi avec l’ester, les autres molécules d’organo-
magnésien ont donc le choix entre la réaction avec l’ester de départ et la réaction avec la
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