DS4orga

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DS 4 : 4h
Chimie organique
Samedi 16 janvier 2016
Les calculatrices ne sont pas autorisées.
N.B. Si un candidat est appelé à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d’énoncé, il le signalera
sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été
amené à prendre.
Des points seront réservés à la présentation : relisez, soulignez/encadrez les résultats et n’oubliez pas
les unités.
Chaque partie est indépendante et, dans chaque partie, de nombreuses questions sont indépendantes.
Toutes les données utiles sont rassemblées à la fin de chaque problème.
C. Saury PC
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Problème 1 : Synthèse des polycarbonates
Le principal polycarbonate commercial est le polycarbonate de bisphénol A. C’est une matière
plastique transparente, résistante aux chocs et utilisable dans une large gamme de températures ce qui en
fait un matériau de choix dans la fabrication de nombreux objets : verres de vue, fenêtres, CD et DVD,
vitres de phares automobiles, etc.
La méthode la plus utilisée actuellement pour la fabrication du polycarbonate de bisphénol A est la
polycondensation du bisphénol A et du phosgène COCl2 en présence de soude (figure 5) : le procédé
industriel fait réagir le sel disodique de bisphénol A avec le phosgène dissous dans un solvant organique
chloré comme le dichlorométhane CH2Cl2. Ce procédé comporte de nombreux inconvénients parmi
lesquelles l’extrême toxicité du phosgène, l’utilisation de solvant à faible point d’ébullition et
l’obtention d’une grande quantité d’eau usée contenant du dichlorométhane et du sel qui doit ensuite être
traitée.
O
+ NaOH
+
Cl
HO
Cl
OH
Bisphénol A
O
H2O
NaCl
O
Phosgène
O
n
Polycarbonate de bisphénol A
Figure 5 : Synthèse du polycarbonate de bisphénol A par la voie phosgène
La molécule de phosgène COCl2 présente une réactivité chimique similaire à celles de la famille des
chlorures d’acyle. De la même manière, les molécules qui comportent une fonction carbonate (de
formule générale RO−COOR’) présentent une réactivité chimique similaire à celles de la famille des
esters.
1. En présence d’humidité et sous l’action de la chaleur, le phosgène COCl2 s’hydrolyse en donnant du
chlorure d’hydrogène et du dioxyde de carbone. Sachant que cette réaction en phase gazeuse est
quantitative et rapide, en déduire quelles précautions particulières doivent être prises dans les zones de
stockage du phosgène.
2. Comparer le caractère acide du bisphénol A et d’un alcool aliphatique comme l’éthanol. Justifier le
choix de la base utilisée pour déprotoner le bisphénol A.
3. Écrire le mécanisme de la réaction d’une molécule de bisphénol A avec une molécule de phosgène
dans les conditions expérimentales décrites ici.
4. Un des produits de la réaction précédente peut réagir avec un deuxième équivalent de bisphénol A.
Écrire l’équation de cette réaction et donner la structure du produit obtenu. En déduire une condition sur
la structure de l’alcool pour que la réaction entre un alcool et le phosgène conduise effectivement à la
synthèse d’un polymère.
La réaction de polymérisation peut être suivie en réalisant des spectres d’absorption infrarouge et
RMN1H du milieu réactionnel.
5. Interpréter le spectre RMN1H du bisphénol A (figure 6a) : vous devez présenter vos résultats sous la
forme d’un tableau précisant pour chaque signal l’intégration, la multiplicité attendue et le déplacement
chimique observé.
6. Préciser quelles sont les différences majeures entre les spectres RMN1H et d’absorption infrarouge du
bisphénol A (figures 6a et 6b) et du polymère qui permettent de suivre l’avancement de la réaction de
polymérisation.
C. Saury PC
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Figure 6a : Spectre RMN1H du bisphénol A
Figure 6b : Spectre d’absorption infrarouge du bisphénol A
Synthèse de polycarbonates par copolymérisation du dioxyde de carbone avec les
époxydes
L’utilisation du dioxyde de carbone comme réactif dans la synthèse des polycarbonates fournit une
alternative plus économique et moins toxique à l’utilisation du phosgène, de plus cette voie de synthèse
est susceptible de valoriser des quantités importantes de dioxyde de carbone.
La copolymérisation du dioxyde de carbone avec les époxydes se déroule selon un mécanisme de
coordination-insertion qui met généralement en œuvre un catalyseur de type complexe organométallique
(LM-X) jouant le rôle d’un acide de Lewis (figure 7).
N
O
O
Oxirane
+
CO2
Dioxyde
de carbone
salen-Cr-Cl
tBu
O
N
Cr
O
O
n
Polycarbonate d'ethyle
O
tBu
Cl
tBu
tBu
catalyseur organométallique :
salen-Cr-Cl (noté LM-X)
C. Saury PC
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Figure 7 : Synthèse d’un polycarbonate par copolymérisation époxyde-CO2
7. Un milieu acide provoque la dissociation du complexe salen-Cr-Cl. En déduire la structure du ligand
salenH2 et expliquer l’influence du pH sur l’équilibre de complexation.
8. Sachant que le complexe salen-Cr-Cl est neutre, déterminer le degré d’oxydation du chrome dans le
complexe. Donner la configuration électronique de l’ion du chrome correspondant, en déduire pourquoi
il est dit que le complexe joue le rôle d’un acide de Lewis dans le mécanisme de polymérisation.
La formation du polymère est généralement accompagnée de la production de carbonate cyclique à cinq
centres. Les catalyseurs mis en œuvre pour la copolymérisation époxyde-CO2 sont essentiels à la fois
pour contrôler la sélectivité de la réaction (selon le catalyseur utilisé, la proportion de carbonate cyclique
fabriqué peut varier de 1 à 99%) et pour limiter les réactions parasites afin d’obtenir des polymères de
masse molaire élevée. Le mécanisme de copolymérisation époxyde-CO2 est représenté figure 8 (page
suivante).
La réactivité du catalyseur LM-X et des intermédiaires de type LM-OR est analogue à la réactivité d’un
organomagnésien mixte. Par exemple, le mécanisme de la première étape de l’amorçage (figure 8, action
de LM-X sur l’oxirane) est analogue à celui de l’action d’un organomagnésien sur l’oxirane.
9. Proposer une méthode permettant de fabriquer l’oxirane à partir de l’éthylène.
10. Donner le mécanisme d’action du bromure de méthylmagnésium sur l’oxirane, et préciser la
structure du produit obtenu avant hydrolyse.
11. Proposer un mécanisme pour la deuxième étape de l’amorçage (figure 8, action de LM-OCH2CH2-X
sur le dioxyde de carbone).
12. Proposer un mécanisme pour la réaction parasite (figure 8, action de LM-OCH2CH2-R sur un
composé protique R’OH).
13. Expliquer quelle conséquence la réaction parasite a sur la longueur de chaîne du polymère (c’est-àdire le nombre n d’unités impliquées dans la chaîne), et préciser si le catalyseur est toujours actif ou non
à la suite de cette réaction.
Données :
RMN 1H : gamme de déplacements chimiques δ
Proton H −CH−C−
δ (ppm)
−CH−C=C−
−CH−C=O
−CH−OR
−CH=C−
(alcène)
−CH=C−
(aromat.)
−CH=O
−C=C−OH
(phénol)
1,6 – 2,5
2,0 – 3,0
3,3 – 3,9
4,5 – 5,7
6,0 – 9,0
9,5 – 10,0
4,0 – 12,0
0,8 – 1,7
Infrarouge : nombres d’onde σ de vibration de quelques groupes fonctionnels
Liaison
O−H
C−H
(C aromat.)
C−H
(C tétravalent)
C=C
(alcène)
C=C
(aromat.)
C=O
C−O
σ (cm-1)
3200 – 3670
3020 – 3080
2810 – 2990
1620 – 1680
1450 – 1600
1650 – 1820
1020 – 1300
C. Saury PC
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Tableau périodique des éléments
1
2
H
3
He
4
Li
11
5
19
37
Rb
55
Cs
87
Fr
13
Mg
20
K
Ca
38
21
Ba
88
Ra
22
Sc
39
23
Ti
40
Y
71
Lu
Lr
57
Hf
Rf
58
La
89
Ta
105
W
61
92
Pa
Hs
14
93
63
Np
95
Pu
Amorçage :
Au
Ds
Rg
65
Gd
96
97
Am Cm
LM
Hg
Cn
66
Tb
98
Tl
113
Pb
114
Uut
Fl
68
Ho
99
Cf
Sn
82
67
Dy
Bk
50
In
81
112
15
Ge
Er
100
Es
Fm
9
N
Si
32
Ga
49
Cd
80
111
64
Eu
94
79
Pt
31
Zn
48
Ag
110
Mt
Sm
47
Pd
Ir
30
Cu
78
109
62
Pm
U
77
Os
29
Ni
46
Rh
108
Bh
Nd
45
Ru
Re
28
Co
76
107
Sg
27
Fe
44
Tc
75
60
Pr
91
Th
43
106
Db
26
Mn
Mo
74
59
Ce
90
Ac
42
Nb
73
104
25
Cr
41
Zr
72
103
24
V
8
C
Al
Sr
56
7
B
12
Na
6
Be
16
P
33
51
Se
52
Sb
83
Bi
Uup
69
Po
116
Lv
35
101
Md
53
85
At
117
Yb
102
No
X
O
CO2
O
LM
R
O
O
CO2
O
O
O
R
LM
O
Formation d'un
carbonate cyclique :
O
O
O
LM
R
+
O
O
Réaction parasite :
LM
R
O
+
R'OH
LM
OR' +
R
HO
Figure 8 : Étapes du mécanisme de copolymérisation époxyde-CO2
C. Saury PC
Xe
86
Rn
118
Uus Uuo
O
Propagation :
Kr
54
I
X
LM
Ar
36
Br
70
Tm
Ne
18
Cl
Te
84
115
F
17
S
34
As
10
O
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Problème 2 : le laulimalide
Dans un effort de recherche de nouveaux agents anti-cancéreux, le laulimalide 1, macrolide marin
inhibiteur potentiel de prolifération de cellules, a été récemment identifié. Ce problème aborde une
synthèse de l’un des principaux fragments du laulimalide 1, le fragment C1-C14 :
O
14
H
O
OH
H
O
OH
H
19
O
27
23
O
1
laulimalide 1
28
9
Etude stéréochimique du (-)-citronellol
Le fragment C1-C14 est formé à partir du (-)-citronellol ou (3S)-3,7-diméthyloct-6-èn-1-ol, noté 2,
présent dans les essences de géranium ou de citronnelle.
1. Représenter le (-)-citronellol ou (3S)-3,7-diméthyloct-6-èn-1-ol 2. Justifier votre réponse.
2. A quelle propriété physique est liée ce signe (-) ? Pourquoi 2 présente-t-il une telle propriété
physique ?
Transformation du (-)-citronellol
Le (-)-citronellol 2 est oxydé de façon « totale » par le réactif de Jones en 3. L’acide carboxylique 3
obtenu, mis en solution dans le méthanol, est traité par de l’acide phosphorique H3PO4, pour conduire à
l’ester 4, dont la représentation topologique plane est donnée ci-après :
CO2Me
4
Le spectre infrarouge de 4 présente, entre autre, une bande large centrée vers 2
bandes plus fines à 1 735 et 1 660 cm-1.
900 cm-1 et deux
Le spectre RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) 1H de 4 présente les signaux donnés dans le tableau
ci-dessous :
protons
Ha
Hb
Hc
Hd
He
Hf
Hi
C. Saury PC
déplacement chimique en ppm
1,1
1,0 - 1,2
1,6
2,2
2,3
3,3
5,1
multiplicité
doublet
multiplet
singulet
doublet
multiplet
singulet
triplet
intégration
3H
3H
6H
2H
2H
3H
1H
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3. Représenter les formules topologiques spatiales de 3 et 4 en adoptant la convention de Cram.
4. Attribuer les signaux observés en RMN pour les différents protons notés Ha - Hi de 4. Justifier la
multiplicité des signaux à 1,1 ppm et 5,1 ppm.
5. Ecrire le mécanisme de la réaction 3 → 4. Comment améliorer le rendement de cette réaction de
synthèse de 4 à partir des réactifs cités ?
Ozonolyse et tritylation
L’action du réactif de Lemieux-Johnson, suivie de l’addition d’un excès de tétrahydruroborate de
sodium NaBH4, transforme l’ester 4 en 5 représenté ci-dessous et en propan-2-ol, ce dernier étant
éliminé lors de l’hydrolyse.
5, mis en solution dans la triéthylamine NEt3, en présence de chlorure de triphénylméthane ou chlorure
de trityle, noté TrCl, conduit à 6 :
O
HO
O
OMe
5
TrCl
TrO
NEt3
OMe
avec TrO
=
O
6
6. Expliquer la formation du composé 5.
7. Proposer un mécanisme pour la réaction de transformation de 5 en 6. Justifier votre réponse.
Action de l’hydrure de diisobutylaluminium
L’hydrure de diisobutylaluminium ou DIBAl-H, de formule semi-développée (Me2CHCH2)2Al-H,
permet de réduire de façon « ménagée » la fonction ester.
6 est ainsi transformé en 7 par action du DIBAl-H.
7 présente, entre autre, en spectroscopie IR (Infrarouge) une bande intense vers 1
spectroscopie RMN 1H, un singulet vers 10 ppm.
720 cm-1 et, en
8. Nommer la fonction organique obtenue par réduction « ménagée » de l’ester 6 par le DIBAl-H.
9. Représenter la formule topologique spatiale de 7. Attribuer les signaux observés en spectroscopie
IR et RMN 1H.
Formation du cycle dihydropyranyle
Le méthanal et le butadiène peuvent conduire à la formation d’un hétérocycle présentant un cycle
dihydropyranyle représenté ci-après :
O
+
C. Saury PC
H
O
H
cycle dihydropyranyle
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Ce même type de transformation, réalisé entre 7 et le diène 9 représenté ci-dessous et menant au
composé 10, est utilisé pour former le cycle dihydropyranyle présent dans le fragment C1-C14 du
laulimalide 1.
Nous allons étudier cette réaction de formation du cycle dihydropyranyle sur une réaction modèle entre
le méthanal et le (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène. On obtient alors les produits 11 et 11bis.
Les orbitales moléculaires  du méthanal et du (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène sont précisées dans les
données en page 12. On suppose que ces réactions ont lieu sous contrôle orbitalaire.
OSiEt3
avec
MeO
OSiEt3 =
9
Et
O Si Et
Et
MeO
(E)-1-méthoxybuta-1,3-diène
10. Représenter les formules topologiques planes des deux produits 11 et 11bis. Quel type
d’isomérie existe-t-il entre ces deux composés ?
11. Le nombre d’électrons dans le système  du méthanal est 2 et celui du (E)-1-méthoxybuta-1,3diène est 8 électrons. Quelles sont les orbitales HO (Haute Occupée) et BV (Basse Vacante) de
chacun de ces composés ?
12. Identifier les orbitales frontières mises en jeu dans la réaction entre le méthanal et le (E)-1méthoxybuta-1,3-diène. Justifier votre réponse.
13. Prévoir, sous contrôle orbitalaire, lequel des deux composés 11 ou 11bis est obtenu
préférentiellement. Justifier votre réponse.
14. Ecrire la formule topologique plane du composé 10, préférentiellement obtenu lors de la réaction
entre le diène 9 et le composé 7 en supposant une même régiosélectivité que celle observée pour
la réaction modèle.
Ether d’énol silylé
L’action de sels de fluorure sur un éther d’énol silylé conduit à la formation d’un énolate :
OSiEt3
O
F
éther d'énol
silylé
énolate
15. Proposer un mécanisme réactionnel, en deux étapes élémentaires, pour cette réaction sachant
qu’un intermédiaire de réaction où le silicium est pentavalent est formé dans la première étape.
Comment justifier qu’un tel intermédiaire puisse se former ?
16. Proposer un mécanisme réactionnel pour la transformation suivante :
R
O
O
OMe
R
O
O
17. En déduire la structure plane du composé 12 obtenu par traitement de 10 par des sels de fluorure.
C. Saury PC
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Réarrangement
L’action de tétrahydruroborate de sodium NaBH4 dans le méthanol en présence de chlorure de cérium
CeCl3, permet de réduire sélectivement la fonction carbonyle de 12. On obtient alors le composé 13.
Celui-ci, traité par le tribromure de phosphore PBr3, conduit à 14 représenté ci-dessous. Ce dernier est
alors transformé en 15 par action de l’éthanal en présence d’une base forte :
O
TrO
14
O
O
TrO
15
Br
18. Ecrire la formule topologique plane de 13. Préciser l’équation de la réaction de transformation de
13 en 14.
La suite de la synthèse ne sera pas étudié ici.
Données spectrales :
Données RMN 1H : gamme de déplacements chimiques 
Proton H
-CH-CO- -CH-C=C-
 (ppm)
2,0 - 3,0
-CH-C=O
-CH-OR
2,0 - 2,2
3,3 - 3,7
1,6 - 2,5
Données INFRAROUGE : nombres d’onde  de vibration de quelques groupes fonctionnels
liaison
 (cm-1)
O-H
C-H
3 300 – 3 600 2 910 – 2 970
C=C
C=O
1 580 - 1 620
1 710 - 1 780
Orbitales moléculaires  du (E)-1-méthoxybuta-1,3-diène et du méthanal :
(E)-1-méthoxybuta-1,3-diène
Energie(eV)
C(1)
C(2)
C(3)
C(4)
O(5)
CH3(6)

0,26
0,12
0,05
0,02
0,75
0,59

0,37
0,41
0,35
0,20
0,30
- 0,66

0,02
0,39
0,54
0,38
- 0,46
0,45
6
H3C
1
O
5

0,50
0,47
- 0,28
- 0,60
- 0,30
0,11
3
2
4

0,61
- 0,29
- 0,41
0,58
- 0,19
0,04

0,41
- 0,69
0,58
- 0,35
- 0,09
0,01
O 2
méthanal
C
H 1 H
Energie (eV)
C(1)
O(2)
C. Saury PC

0,53
0,85

0,85
- 0,53
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Problème 3 : synthèse de peptides
On s’intéresse dans un premier temps à la préparation d’un dipeptide, l’hippurylphénylalanine 1
représentée ci-après.
Ce composé est un substrat de la carboxypeptidase A, un enzyme qui réalise l’hydrolyse des protéines au
niveau de l’acide aminé C-terminal lorsque celui-ci possède un résidu soit aromatique, soit aliphatique.
Dans un second temps, nous étudierons l’hydrolyse de ce dipeptide.
Synthèse de l’hippurylphénylalanine
La première étape consiste à faire réagir, selon le protocole publié dans la revue Organic Syntheses
[Coll. Vol. 2, p.328 (1943) ; Vol. 12, p.40 (1932)], du chlorure de benzoyle 3 et de la glycine 2. On
obtient ainsi de l’acide hippurique 4 qui, traité par du chlorure de thionyle SOCl2, donne le composé 5.
Ce dernier réagit ensuite avec le composé 6 pour donner l’amide 7. Une dernière étape permet d’obtenir
l’hippurylphénylalanine 1.
Première étape : préparation de l’acide hippurique
De la glycine (n2 = 1,0 mol) est dissoute dans une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (n1 = 1,2
mol dans 0,60 L d’eau). À cette solution homogène, maintenue à une température inférieure à 30 °C,
sont ajoutés simultanément, sur une durée d’une heure, une quantité n3 = 1,1 mol de chlorure de
benzoyle et 0,20 L d’une solution d’hydroxyde de sodium de concentration c = 10 mol L-1. Un contrôle
du pH montre qu’ainsi, le milieu reste très légèrement basique. Une fois l’addition des réactifs achevée,
le milieu réactionnel est encore agité pendant trente minutes puis il est versé dans un becher contenant
125 mL de solution concentrée de chlorure d’hydrogène de concentration c = 12 mol L-1 (« acide
chlorhydrique concentré »). Le solide obtenu est collecté par filtration, puis séché et repris par du
tétrachlorométhane dans lequel il est dissous à ébullition. Après refroidissement, le solide obtenu,
l’acide hippurique 4, est recristallisé dans de l’eau bouillante pour donner des aiguilles blanches de
température de fusion 186 - 187 °C.
C. Saury PC
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1. Écrire le mécanisme de formation et la structure du produit obtenu en faisant réagir du chlorure
de benzoyle avec de la méthanamine H3CNH2 en solution aqueuse basique.
2. Sous quelle forme se présente la glycine avant l’introduction du chlorure de benzoyle dans le
milieu réactionnel ?
3. Dans la transformation, identifier le nucléophile et l’électrophile.
4. Quel est a priori le site le plus réactif de la glycine, dans ces conditions ?
5. Donner la structure de l’acide hippurique 4.
6. Expliquez en 3 lignes maximum le principe d’une recristallisation.
Élaboration du composé 7
7. Proposer une formule de Lewis pour le chlorure de thionyle SOCl2.
8. Donner la structure de la molécule 5 et écrire l’équation de formation ajustée du composé
correspondant.
Le composé 6 est préparé par action du méthanol sur la phénylalanine racémique [figure 5] selon le
protocole proposé par S. B. MIRVISS et coll. [Ind. Eng. Chem. Res. 1990, 29, 651]. La phénylalanine
est dissoute dans un excès de méthanol (23 équivalents molaires) et la solution obtenue est saturée de
chlorure d’hydrogène gazeux. Le mélange homogène est porté à reflux pendant trois heures puis le
solvant est évaporé sous pression réduite. On isole avec un rendement supérieur à 96% le produit solide
6 de formule brute C10H14NO2Cl. Sur le spectre de RMN du proton de 6, enregistré à la fréquence de
300 MHz, on note la présence d’un signal singulet fin d’intégration 3H à  = 3,7 ppm.
9. Écrire l’équation ajustée de la transformation qui aurait eu lieu, dans exactement les mêmes
conditions opératoires, si l’on avait remplacé la phénylalanine par l’acide 2-phényléthanoïque. Quel est
le nom de cette transformation ?
10. Donner la structure exacte du composé 6 en justifiant sa formation. Proposer une attribution du
signal à 3,7 ppm.
11. Pourquoi faut-il utiliser un très large excès de méthanol dans cette transformation ?
12. Quel est le rôle du chauffage à reflux ?
Les composés 5 et 6 sont dissous en quantités équimolaires dans du DMF (N,N-diméthylméthanamide,
voir figure 5) contenant un très large excès de pyridine. Après agitation pendant une nuit à température
ambiante, l’amide 7 obtenu n’est pas isolé mais les solvants sont évaporés sous pression réduite en vue
d’une utilisation immédiate du produit.
13. Donner la structure de la molécule 7 et écrire le mécanisme schématique pour la formation du
composé 7.
1.3 Obtention de l’hippurylphénylalanine
L’amide brut 7 est dissous dans un mélange eau-méthanol en présence d’hydroxyde de sodium
(concentration finale voisine de 1 mol L-1). Après chauffage à reflux du milieu pendant trois heures, de
l’acide chlorhydrique est ajouté jusqu’à pH voisin de 2. Le solide 1 se forme, il est isolé et purifié par
redissolution en milieu basique aqueux puis reprécipitation en milieu acide.
14. Quelle est la transformation réalisée ici ?
Données :
O
On donne la structure du chlorure de benzoyle :
Ph
Cl
La pyridine notée py est engagée dans un couple acidobasique (pyH+=py) dont le pKa est voisin de 5.
Les acides carboxyliques sont engagés dans des couples acido-basiques (RCOOH=RCOO-) dont le pKa est
voisin de 4.
Les amines sont engagés dans des couples acido-basiques (RNH3+=RNH2) dont le pKa est proche de 9.
C. Saury PC
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