EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE - Pratique

CHEXP-M2
NOM du candidat : .....................................
BTS CHIMISTE
Prénom : .....................................................
Session 2003
N° d'inscription : .........................................
EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE
- Pratique expérimentale Durée : 6 heures
Coef. : 7
SUJET N° 2
PREPARATION DE L'ACIDE BENZILIQUE
Le produit de départ de cette synthèse est la benzoïne qui est transformée en une dicétone, le benzile ou 12-diphényléthanedione par action de l’acide nitrique.
L’acide benzilique est obtenu par un "réarrangement benzilique" du benzile au cours de laquelle un
groupe phényle est transposé d’un carbone à un autre.
Étape 1 : oxydation de la benzoïne
OH
C C
HNO3
C
H O
benzoïne
C
O O
benzile
Étape 2 : réarrangement benzilique
COOH
C
C
O O
benzile
1) KOH
2) HCl
C
OH
acide benzilique
Remarque préalable
Les deux produits de départ (benzoïne et benzile) sont fournis de façon à mener les
deux préparations en parallèle.
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I. MODE OPÉRATOIRE
1. Préparation du benzile
- Dans un réacteur de 250 cm3, muni d’une agitation, d’un piège à vapeurs nitreuses et d’un
réfrigérant, introduire :
•
4,0 g de benzoïne
•
20 mL d’acide acétique
•
10 mL d’acide nitrique concentré.
- Chauffer au bain-marie bouillant en agitant pendant 1 heure et 30 minutes.
- Laisser refroidir et ouvrir avec précautions le réacteur sous la hotte (s'il reste des vapeurs
nitreuses).
- Verser ensuite le contenu du ballon dans un bécher et ajouter 150 mL d’eau glacée ; agiter pour
précipiter le produit.
- Filtrer sur büchner, laver en contrôlant la qualité des lavages ; essorer soigneusement, puis sécher
les cristaux obtenus sur papier filtre.
- Recristalliser le benzile brut dans le méthanol. Mettre à l’étuve à 80 °C.
- Peser : soit m1 la masse obtenue.
- Stocker le produit dans un récipient étiqueté.
2. Préparation de l’acide benzilique
- Dans un réacteur de 250 cm3, éventuellement muni d’une agitation, préparer une solution
d’hydroxyde de potassium en introduisant :
•
5,0 g d’hydroxyde de potassium ;
•
10 mL d’eau ;
•
13 mL d’éthanol.
- Introduire 3,0 g de benzile, adapter un réfrigérant et réaliser un reflux pendant 10 minutes.
- Laisser refroidir et modifier le montage pour distiller le liquide du ballon.
- Dissoudre le contenu avec 100 mL d’eau, filtrer si nécessaire.
- Ajouter une solution d’acide chlorhydrique à 2 mol.L-1 jusqu’à l’obtention d’un pH très acide.
- Filtrer sur büchner. Laver à l’eau.
- Peser ; soit m2 la masse obtenue.
- Partager ce produit en deux quantités voisines (m3 et m4).
- Placer la masse m3 humide à l’étuve à 80 °C afin de la sécher parfaitement.
- Purifier par recristallisation dans le toluène la masse m4. Soit m5 la masse de produit pur sec
obtenu.
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- Stocker le produit purifié dans un récipient étiqueté.
- Peser le produit brut mis à sécher ; soit m3’ cette masse sèche.
3. Contrôle de pureté des deux produits préparés
- Mesurer la température de fusion du benzile et de l’acide benzilique.
- Réaliser la chromatographie sur couche mince :
• de la benzoïne de départ (solution à 1 % dans la propanone)
• du benzile commercial (solution à 1 % dans la propanone);
• du benzile préparé (solution à 1 % dans la propanone);
• de l’acide benzilique commercial (solution à 3 % dans la propanone);
• de l’acide benzilique recristallisé (solution à 3 % dans la propanone).
L’éluant est un mélange hexane – éthoxyéthane (1/3 – 2/3)
La révélation sera effectuée sous radiation UV à 254 nm.
II- DONNÉES
Benzoïne
Caractéristiques :
M = 212,25 g.mol-1 ;
tf = 133 °C
Peu soluble dans l’eau
Très soluble dans le méthanol à chaud et à froid
Risques :
Peut être irritant
Benzile
Caractéristiques :
M = 210,23 g.mol-1 ;
tf = non fournie
Insoluble dans l’eau ;
très soluble dans le méthanol
Risques :
Irritant pour la peau et les yeux et par inhalation
Acide benzilique
Caractéristiques :
M = 228,25 g.mol-1 ;
tf = non fournie
Très peu soluble dans l’eau ; soluble dans l’éthanol ; soluble à chaud dans le toluène
Risques :
Peut causer des irritations
Hydroxyde de potassium
Caractéristiques :
M = 56,11 g.mol-1
Risques :
Toxique par inhalation, par contact avec la peau et par ingestion.
Corrosif
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Acide nitrique concentré
Caractéristiques :
M = 63,01 g.mol-1 ;
d = 1,40 ;
pureté : 65 % en masse
Risques :
Corrosif, provoque de graves brûlures.
Peut dégager des vapeurs très toxiques en se décomposant.
Acide acétique
Caractéristiques :
M = 60,05 g.mol-1 ;
Risques :
Corrosif.
d = 1,05
Ethanol
Caractéristiques :
M = 46,07 g.mol-1 ;
Risques :
Facilement inflammable.
d = 0,81
Méthanol
Caractéristiques :
M = 32,04 g.mol-1 ;
d = 0,79
Teb = 65 °C
Risques :
Facilement inflammable ; toxique par inhalation et par ingestion.
Propanone
Risques :
Facilement inflammable.
Acide chlorhydrique
Caractéristiques :
M = 36,46 g.mol-1
Risques :
Corrosif.
Ethoxyéthane
Risques :
Très facilement inflammable.
Hexane
Risques :
Facilement inflammable.
Nocif par inhalation, par contact avec la peau et par ingestion.
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III. COMPTE RENDU
1. Préparation du benzile
1.1. Écrire l’équation de la réaction de préparation du benzile, sachant que HNO3 est transformé
en NO.
1.2. Justifier l’utilisation d’un piège à vapeurs nitreuses.
1.3. Calculer la masse théorique de benzile attendue
1.4. Expliquer pourquoi les cristaux sont lavés à l’eau froide et comment la qualité du lavage est
contrôlée.
1.5. Donner les critères de choix d’un solvant de recristallisation.
1.6. Calculer le rendement de cette préparation.
Remplir la feuille de résultats
2. Préparation de l’acide benzilique
2.1. Écrire l’équation de la réaction de préparation de la base conjuguée de l'acide benzilique.
2.2. Calculer la masse théorique d’acide benzilique attendue.
2.3. Préciser le rôle de l’éthanol.
2.4. Indiquer la composition du contenu du ballon après distillation du liquide.
2.5. Préciser le rôle de l’ajout de l’acide chlorhydrique. Écrire les équations des réactions mises en
jeu.
2.6. Exprimer puis calculer le pourcentage d’humidité dans le produit brut humide. En déduire la
masse totale m2’ d’acide benzilique brut sec que l’on aurait obtenue.
2.7. Exprimer le rendement en produit brut, le rendement de la recristallisation, ainsi que le
rendement en produit pur.
Remplir la feuille de résultats.
3. Contrôle de pureté par CCM des deux produits préparés
3.1. Justifier l’emploi d’une lampe UV à 254 nm.
3.2. Analyser la plaque et conclure.
4. Spectroscopie
4.1. Les deux spectres A et B proposés correspondent aux spectres IR des deux produits préparés.
Attribuer à chaque spectre le produit correspondant en justifiant votre choix.
4.2. Identifier le pic parent dans le spectre de masse de la benzoïne. Indiquer le pic de base ainsi
que la structure de l’entité correspondante. Préciser à quelles espèces sont dus les pics à 107 et 77.
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SPECTROSCOPIE INFRAROUGE
Table des nombres d’onde des vibrations de valence et de déformation.
Nature
Valence
Valence
Valence
Nombre d’onde (cm-1)
3590-3650
3200-3600
3300-3500
Intensité
F ; fine
F ; large
m
N-H amide
Cdi-H
Ctri-H
Ctri-H aromatique
Ctet-H
Ctri-H aldéhyde
O-H acide carboxylique
C≡C
C≡N nitriles
C=O anhydride
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
F
m ou f
m
m
F
m
F à m ; large
f
F ou m
F ; 2 bandes
C=O chlorure d’acide
C=O ester
C=O aldéhyde et cétone
Valence
Valence
Valence
3100-3500
≈ 3300
3030-3100
3000-3100
2850-2970
2700-2900
2500-3200
2100-2260
2200-2260
1800-1850
1740-1790
1790-1815
1735-1750
1700-1740
C=O acide carboxylique
C=O amide
C=C
C=C aromatique
N=O (de –NO2)
Valence
Valence
Valence
Valence
Valence
F
F
m
Valence
Valence
Déformation
Déformation
Déformation
Déformation
Valence
Valence
Valence
1700-1725
1650-1700
1620-1690
1450-1600
1500-1550
1290-1360
1400-1500
1640-1690
1560-1640
1430-1470
1370-1390
1260-1410
1070-1150
1010-1200
1050-1300
Valence
Valence
Déformation
Déformation
Déformation
1020-1220
1000-1250
960-970
670-730
730-770 et 680-720
m
F
F
m
F ; 2 bandes
Déformation
Déformation
Déformation
Valence
Valence
Valence
735-770
750-800 et 680-720
800-860
600-800
500-750
≈ 500
F
F et m ; 2 bandes
F
F
F
F
Liaison
O-H alcool libre
O-H alcool lié
N-H amine primaire : 2 bandes
secondaire: 1 bande
abaissement de 20à 30 cm-1 si
conjugaison
conjugué
N=N
C=N
N-H amine ou amide
Ctet-H
Ctet-H (CH3)
O-H
Ctet-O-Ctet (étheroxydes)
Ctet-OH (alcools)
Ctet-O-Ctri (esters)
Ctri-O-Ctri (anhydrides)
C-N
C-C
Ctri-H de -HC=CH- (E)
(Z)
Ctri-H aromatique monosubstitué
Ctri-H aromatique
o-disubstitué
m-disubstitué
p-disubstitué
Ctet-Cl
Ctet-Br
Ctet-I
Ctet tétraèdrique : C
F
F
F
Ctri trigonal :
C
Variable ; 3 ou 4 bandes
F ; 2 bandes
f ; parfois invisible
F ou m
F ou m
F
F ; 2 bandes
F
F
F ; 1 ou 2 bandes
F:fort ; m:moyen : ; f: faible
Cdi digonal :
C
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NOM :
Prénom :
Numéro de poste :
FEUILLE DE RÉSULTATS
I- BENZILE
m1 =
Aspect :
volume de méthanol pour recristallisation :
tf =
Rendement en benzile =
II- ACIDE BENZILIQUE
m2 (humide) =
m2’ (sec, calculé) =
m3 (humide) =
m3’ (sec, pesé) =
m4 (humide) =
m5 =
Aspect du produit brut :
Aspect du produit purifié :
Rendement en acide benzilique brut sec =
tf =
Rendement de la recristallisation =
Rendement en acide benzilique pur sec =
III. CHROMATOGRAPHIE
Benzoïne commerciale :
Rf1 =
Benzile commercial :
Rf2 =
Benzile préparé :
Rf3 =
Acide benzilique commercial :
Rf4 =
Acide benzilique préparé :
Rf5 =
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