Étude d’une réaction d’hydratation

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Structure et transformation de la matière
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Étude d’une réaction d’hydratation
 
 

Structure et transformation de la matière

Corrigé

27

Comprendre

pchT_1200_00_29C

 

Sujet inédit

Exercice • 4 points

1. Étude des étapes du mécanisme réactionnel

On réalise l’hydratation du but-1-ène en milieu acide. On va étudier, dans un premier temps, les différentes étapes du mécanisme réactionnel.


 

1 Nommer le produit formé. (0,25 point)

2 De quel type de réaction s’agit-il ? Justifier. (0,25 point)

3 La réaction ne se fait pratiquement pas si le milieu n’est pas acidifié, quel est le rôle des ions H+(aq) ? (0,25 point)

4 Sachant que la première étape du mécanisme concerne le but-1-ène et l’ion H+(aq), choisir, en argumentant, la bonne représentation de cette première étape. (0,25 point)


 

5 Il se forme alors cet intermédiaire réactionnel :


 

Ce dernier se comporte-t-il comme un site donneur ou accepteur dans l’étape suivante ? (0,25 point)

6 Cet intermédiaire va réagir avec l’eau. Donner le schéma de Lewis de la molécule d’eau et indiquer quel atome est impliqué dans la ­deuxième étape. (0,25 point)

7 On obtient alors le composé ci-contre :


 

Schématiser la dernière étape pour arriver au produit attendu. (0,25 point)

8 Pourquoi cette étape valide-t-elle la réponse à la question 3 ? (0,25 point)

2. Étude des spectres infrarouge et RMN

1 Dans un deuxième temps, on veut s’assurer que le produit obtenu lors de la réaction est bien celui attendu. Pour cela, on réalise le spectre infrarouge du but-1-ène et du produit formé.

1. Quelles sont les fonctions présentes sur le réactif et le produit de la réaction ? (0,25 point)

2. Rechercher dans les tables les bandes caractéristiques de chacune de ces fonctions. (0,25 point)

Se reporter aux tables de référence IR et RMN en fin d’ouvrage.

3. À partir de l’étude des spectres infrarouges suivants du but-1-ène et du produit obtenu, que peut-on conclure ? (0,5 point)


 

Figure 1. Spectre IR du but-1-ène


 

Figure 2. Spectre IR du produit formé

4. Le spectre RMN du produit formé est donné ci-dessous. L’interpréter puis dire s’il confirme les conclusions précédentes. (0,5 point)

 

δ (ppm)

0,93

1,17

1,46

2,37

3,7

intégration

3H

3H

2H

1H

1H

signaux

t

d

M

s

M

s : singulet ; d : doublet ; t : triplet ; M : multiplet

 

 

Figure 3. Spectre RMN du produit obtenu

2 En réalité, il se forme un deuxième produit en plus faible quantité. On l’a séparé du précédent, puis on a réalisé ses spectres infrarouges et RMN. À partir des deux documents suivants, peut-on identifier ce produit secondaire ? (0,5 point)


 

 
 

δ (ppm)

0,94

1,39

1,53

2,24

3,6

intégration

3H

2H

2H

1H

2H

signaux

t

M

M

s

t

s : singulet ; t : triplet ; M : multiplet

 

Partie 1

2 Les grands types de réactions en chimie organique sont les réactions d’élimination, d’addition et de substitution.

4 Pour déterminer le mécanisme réactionnel, identifiez d’abord le site donneur et le site accepteur d’électrons.

Partie 2

14. Il faut déterminer le nombre de signaux attendus, donc rechercher les protons équivalents. Enfin, pour chaque groupe de protons équivalents, on comptabilise le nombre de voisins et on en déduit la multiplicité du signal.

Corrigé

1. Étude des étapes du mécanisme réactionnel

1 Savoir nommer un alcool

Le produit formé est le butan-2-ol, on reconnaît le groupe caractéristique hydroxyle OH.

2 Savoir reconnaître un type de réaction organique

Il s’agit d’une réaction d’addition. La molécule d’eau a été ajoutée sur la double liaison C‗C.

3 Rôle de H+

 

Notez bien

Lorsqu’il n’est pas dans les réactifs, l’intérêt de l’ion H+ est presque toujours d’être un catalyseur.

Les ions H+(aq) jouent le rôle de catalyseur. Ils interviennent dans le mécanisme réactionnel et permettent de conduire plus rapidement au produit attendu.

4 Schématiser un mécanisme réactionnel

La flèche part du site donneur vers le site accepteur d’électrons. Or H+ est chargé positivement, il est déficitaire en électrons, c’est le site électrophile, alors que la double liaison C‗C est riche en électrons, c’est le site donneur ou nucléophile. Le doublet part donc de la liaison C‗C vers le site accepteur H+ (figure de gauche).

5 Savoir reconnaître un site électrophile

L’intermédiaire réactionnel est chargé positivement, il est déficitaire en électrons, donc c’est un site accepteur ou électrophile.

6 Savoir reconnaître le site nucléophile de l’eau

 

Info

L’eau est le solvant polaire le plus utilisé. Dans cette molécule, l’atome d’oxygène est toujours nucléophile de par ses doublets non liants et par son électronégativité supérieure à celle des atomes d’hydrogène.

L’atome d’oxygène étant plus électronégatif que l’atome d’hydrogène, il possède une charge partielle négative (δ) tandis que les hydrogènes portent une charge partielle positive (δ+). La formule de Lewis fait apparaître les doublets liants et non liants. C’est donc l’atome d’oxygène, site donneur, qui va être impliqué dans cette étape.


 

7 Suivre un mécanisme réactionnel


 

L’oxygène va récupérer son doublet d’électrons et vont se former un alcool et un H+.

8 Propriétés d’un catalyseur

H+ est un catalyseur, il est consommé dans la première étape du mécanisme et, ici, il est régénéré. C’est la définition d’un catalyseur. On le retrouve en fin de réaction. Pour cela, il n’apparaît pas dans le bilan de la réaction.

2. Étude des spectres infrarouge et RMN

11. Savoir reconnaître les fonctions organiques

Le réactif possède une double liaison C‗C, il s’agit d’un alcène.

Le produit formé possède un groupe hydroxyle, il s’agit d’un alcool.

2. Extraire des données de tables IR

  • D’après les tables, pour l’alcène, on doit avoir la présence d’une bande vers 3 080 cm–1 correspondant à la liaison ‗CH et vers 1 640 cm–1 pour la liaison C‗C.
  • Pour la fonction alcool, on doit avoir une bande large vers 3 340 cm–1 pour la liaison OH d’un alcool secondaire et une bande vers 1 100 cm–1 pour la liaison C—O.

3. Savoir lire un spectre IR

On s’attend à la formation d’un alcool, donc la liaison C‗C doit disparaître, des bandes doivent apparaître vers 3 340 cm–1 (liaison OH) et vers 1 100 cm–1 (liaison C—O).

Pour l’alcène, doivent disparaître les bandes à 3 080 cm–1 (la liaison ‗CH) et vers 1 640 cm–1 (la liaison C‗C).

C’est bien ce que l’on observe sur le spectre du produit ci–dessous.


 

On peut donc conclure que la réaction conduit bien à un alcool puisque l’on retrouve les bandes qui caractérisent cette fonction.

4. Savoir lire un spectre RMN

Le spectre RMN montre 5 signaux donc 5 types de protons différents que l’on retrouve sur la molécule CH3—CH2—CH(OH)—CH3 :

  • un triplet à 0,9 ppm pour 3H, donc couplé à un CH2 ;
  • un doublet vers 1,2 ppm pour 3H du méthyle ; couplé à un voisin le H du CH ;
  • un multiplet vers 1,46 ppm pour une intégration de 2H ; il s’agit de CH2 d’après les tables (CH2 couplé à CH et CH3) ;
  • un singulet (intégration 1) à 2,4 ppm correspondant au H de OH d’après les valeurs des tables ;
  • un multiplet à 3,7 ppm pour une intégration 1 correspondant au H du CH couplé avec CH2, CH3 et OH, d’où la multiplicité du signal.

Ce spectre RMN permet de valider la structure exacte du produit attendu.

2 Identifier une molécule à partir de ses spectres IR et RMN

Le spectre infrarouge du sous-produit formé montre une bande caractéristique vers 3 350 cm–1, caractéristique de la fonction alcool.

La comparaison ci-dessous des spectres infrarouges des deux produits obtenus montre que les bandes dans le domaine 1 300-500 cm–1 sont différentes.

Comme ce domaine caractérise un composé, c’est son empreinte digitale, il s’agit bien de deux composés différents.


 

 

L’autre produit obtenu est un alcool isomère du butan-2-ol. Si sa chaîne carbonée n’est pas modifiée, la seule possibilité est que la fonction alcool soit en bout de chaîne, c’est alors le butan-1-ol. CH3—CH2—CH2—CH2—OH.

Sur le spectre RMN, doivent apparaître un signal pour CH3, 3 signaux pour les 3 CH2, car ils ont tous un environnement différent, et un signal pour le H de OH. Ce qui se confirme avec les intégrations.

De plus, un CH2 lié à O a un déplacement chimique entre 3,6 et 3,7 ppm d’après les tables, ce qui se confirme ici.

Ce CH2 est couplé avec les protons du CH2 suivant et sort sous forme d’un triplet.

Le CH3 est couplé avec 2H donc sort sous la forme d’un triplet vers 0,9 ppm. Les deux autres CH2 ont plusieurs voisins (4 ou 5 doubles liaisons) et donnent des multiplets (différentes constantes de couplage).

Ce spectre RMN confirme que le produit secondaire obtenu est bien le butan-1-ol. En effet, les deux autres isomères possibles sont :


 

Pour le premier, il n’y a que 2 types de protons différents (a) et (b), on devrait donc avoir 2 signaux RMN distincts.

Pour le second, il y a 4 types de protons différents (a), (b), (c) et (d), on devrait donc avoir 4 signaux RMN distincts.

Or le spectre RMN de l’isomère obtenu comporte 5 signaux.