Propriétés de quatre molécules ayant trois carbones

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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
 
Propriétés de quatre molécules ayant trois carbones
 
 

Structure et transformation de la matière

Corrigé

26

Comprendre

pchT_1200_00_28C

 

Sujet inédit

Exercice • 5 points


 

1. Les molécules

1 Entourer et nommer les groupes fonctionnels contenus dans les quatre molécules ci-dessus. (0,25 point)

2 Nommer ces quatre molécules. (0,5 point)

3 Représenter ces quatre molécules à l’aide d’une formule topologique. (0,5 point)

4 Les molécules B et C sont-elles des isomères de constitution, de fonction ou des stéréoisomères ? (0,25 point)

5 Y a-t-il une molécule chirale parmi les molécules A, B, C ou D ? Si oui, laquelle ? (0,25 point)

6 Les molécules C et D contiennent respectivement une liaison polarisée C—O et C—N.

1. Laquelle de ces liaisons est la plus polarisée ? (électronégativité χ(N) = 3,0 ; χ(O) = 3,4 ; χ(C) = 2,5). (0,25 point)

2. Ces molécules sont-elles polaires ? Justifier. (0,5 point)

3. Les molécules C et D sont-elles solubles dans l’eau ? Justifier. (0,25 point)

4. Expliquer pourquoi on ne peut pas savoir, entre C et D, quelle est la molécule la plus soluble dans l’eau à partir de la réponse à la question 1. (0,25 point)

7 En fait, la solubilité des amines et des alcools dans l’eau dépend aussi de la formation de liaisons chimiques entre l’eau et l’amine ou l’alcool. (0,5 point)

1. Comment appelle-t-on ces liaisons chimiques ?

2. Pouvez-vous citer un autre type de liaison intermoléculaire ?

2. Réactivité de la molécule A

La molécule A placée dans un milieu acide réagit avec l’eau et donne un mélange de deux molécules organiques B et C. On a donc deux équations possibles pour cette réaction :

A + H2O → B ou A + H2O → C

1 Ces deux réactions sont du même type. S’agit-il de réactions d’addition, d’élimination ou de substitution ? (0,25 point)

2 La réaction menant à la formation de B se fait en deux étapes et peut être écrite de la façon suivante :


 

Ajouter des flèches représentant le mécanisme réactionnel possible lors de ces deux étapes. (0,25 point)

3. Analyse spectrale

Les documents ci-après présentent deux analyses concernant les molécules A, B, C ou D.

1 Quelles indications sur la molécule testée pouvez-vous tirer des documents 1 et 2 ? Pouvez-vous déduire à quelle molécule ce spectre correspond : A, B, C ou D ? (0,5 point)

2 À l’aide du document 3, déduire tous les renseignements fournis par le spectre RMN sur la molécule. (0,25 point)

3 Pouvez-vous en déduire à quelle molécule ce spectre correspond : A, B, C ou D ? (0,25 point)

Document 1

Spectre infrarouge d’une molécule inconnue (parmi A, B, C ou D)


 
Document 2

Table de nombres d’onde
en spectroscopie infrarouge IR

 

Liaison

Nombre d’onde (cm–1)

O—H alcool

3 200-3 600

N—H amide

3 100-3 500

C—H (C tétraédrique)

2 850-2 970

C—H aldéhyde

2 700-2 900

C‗O aldéhyde et cétone

1 700-1 740

C‗C

1 620-1 690

O—H

1 260-1 410

C—C

1 000-1 250

 
Document 3

Déplacements chimiques
pour les spectres RMN du proton

Pour les alcools et les amines, le signal du (ou des) proton(s) du groupe —OH ou —NH2 est toujours un singulet quel que soit le nombre de protons voisins. En effet, la mobilité de l’atome d’hydrogène du groupe hydroxyle fait disparaître le couplage avec les autres protons.

Spectre RMN d’une molécule inconnue (parmi A, B, C ou D)


 

Notions et compétences en jeu

Connaître la nomenclature chimique • Connaître isomérie et chiralité • Connaître les propriétés des groupes chimiques • Savoir identifier les spectres.

Les conseils du correcteur

Partie 1

3 La formule topologique représente les chaînes carbonées uniquement à l’aide de segments et seuls les atomes autres que carbone et hydrogène sont symbolisés par leur symbole chimique.

62. Attention à penser à la géométrie de la molécule en dehors de la polarité des liaisons.

7 Une liaison intermoléculaire est une liaison liant deux molécules ensemble.

Partie 2

2 Identifier les sites donneur et accepteur d’électrons, respectivement nucléophile et électrophile.

Partie 3

2 Faire l’inventaire des atomes des protons équivalents, et du nombre des protons voisins.

Corrigé

1. Les molécules

1 Reconnaître des groupes caractéristiques


 

2 Nommer des molécules organiques

A est le propène, B le propan-1-ol, C le propan-2-ol D est la propan-2-amine.

3 Formules topologiques


 

4 Isomérie

 

Des isomères de fonction sont des molécules qui se distinguent par une fonction. Par exemple :

et

Des stéréo-isomères possèdent la même formule semi-développée, mais ont un arrangement différent dans l’espace (exemple ci-dessous)


 

Les molécules B et C sont des isomères de constitution.

5 Chiralité et carbone asymétrique

 

Attention

Ni C, ni D ne le sont car leur carbone central est lié à deux groupes méthyle.

Aucune des quatre molécules n’est chirale car il leur faudrait un atome asymétrique, c’est-à-dire un atome de carbone lié à quatre groupes différents.

6 Savoir si une liaison est polarisée,
si une molécule est polaire et soluble dans l’eau

1. La différence d’électronégativité entre les atomes de carbone et d’oxygène est plus grande qu’entre les atomes de carbone et d’azote : Δχ(C—O) = 0,9 et Δχ(C—N) = 0,5. La liaison C—O est donc plus polarisée que la liaison C-N.

2. L’aspect polaire résulte de la polarisation des liaisons chimiques et nous venons de constater que C et D possédaient une liaison polarisée, respectivement C—O et C—N. Cependant, ces molécules possèdent d’autres liaisons polarisées : O—H pour C et deux liaisons N—H pour D.

Il faut donc étudier la géométrie de ces molécules et voir la répartition des charges partielles :

  • Pour la molécule C, l’oxygène est aussi plus électronégatif que l’hydrogène donc il est lié par deux liaisons polarisées. Cependant, ces deux liaisons ne sont pas dans des directions opposées car l’atome d’oxygène possède une géométrie coudée. La répartition des charges partielles positives ne se fait pas au même endroit que celles des charges négatives, donc la molécule C est polaire.
 

Attention

Pour savoir si une molécule est polaire, il faut vérifier qu’elle possède au moins une liaison polarisée mais aussi que sa géométrie ne fasse pas coïncider les charges partielles négatives et positives.

  • Pour la molécule D, l’azote est aussi plus électronégatif que l’hydrogène donc il se retrouve lié à trois liaisons polarisées. Cependant, la géométrie de cet atome est de forme pyramidale à base triangulaire (à cause du doublet non liant de l’azote) donc, de la même façon que C, la molécule D est polaire.

3. L’eau est un solvant polaire et donc a une affinité avec les molécules polaires (ainsi qu’avec les solides ioniques). On a démontré que C et D étaient polaires donc elles sont toutes les deux solubles dans l’eau.

4. En 1., nous avons vu que la liaison C—O était plus polarisée que la liaison C—N.

On sait aussi que O—H est plus polarisée que N—H car les électronégativités de H et de C sont très proches.

Cependant, la polarité d’une molécule dépend aussi de sa géométrie et les géométries de C et de D sont très différentes. Nous ne pouvons donc pas comparer les polarités de C et de D donc nous ne pouvons pas non plus comparer leur solubilité dans l’eau.

7 Liaisons intermoléculaires

1. Ce sont les liaisons hydrogène.

2. Il existe les liaisons de type Van der Waals (dues à la déformation des nuages électroniques des molécules).

2. Réactivité de la molécule A

1 Identifier la nature d’une réaction

 

Notez bien

Les réactions d’élimination forment toujours une liaison double sur une chaîne carbonée. Les réactions de substitution remplacent un atome, ou groupe d’atomes, par un autre au sein d’une molécule. Les réactions d’addition impliquent forcément une liaison double dans les réactifs et elles ne donnent qu’un seul produit.

C’est une réaction d’addition : le groupe OH (hydroxyle) se lie à un carbone et le H restant se lie à l’autre carbone de la liaison double.

2 Décrire précisément
les étapes de la réaction

 

Notez bien

Dans un mécanisme réactionnel, vous devez toujours faire partir la flèche du site donneur d’électrons (nucléophile) vers le site accepteur d’électrons (électrophile).


 

3. Analyse spectrale

1 Analyse d’un spectre IR

Le document 1 est le spectre infrarouge d’une molécule et le document 2 rassemble des données concernant l’absorption d’un rayonnement IR par différentes liaisons covalentes.

Sur le spectre donné, on peut constater quatre pics d’absorption. Les nombres d’onde correspondants sont aux alentours de 3 100-3 400, 2 800-3 000, 1 300-1 500 et 900-1 100 cm–1.

Dans les quatre molécules, il existe les liaisons C—C et C—H (tétraédrique). Ces liaisons ont, d’après le document 2, une absorption vers 1 000-1 250 et 2 850-2 970 cm–1. Ces pics sont bien présents sur le document 1 mais ne nous aident pas à identifier l’une des molécules.

Par contre, nous sommes certains qu’il ne s’agit pas de la molécule A car il devrait y avoir un pic vers 1 620-1 690 cm–1 si c’était le cas, or celui-ci est absent.

Le pic le plus à droite du spectre, 3 100-3 400 cm–1 pourrait correspondre à une liaison O—H mais aussi à une liaison N—H d’après le document 2. Cependant, ce document nous donne un second pic d’absorption pour les liaisons O—H. Ce pic doit se trouver vers 1 260-1 410 cm–1. Il correspond à l’un des pics du document 1.

Nous pouvons donc conclure que la molécule correspondant au spectre du document 2 est soit la molécule B, soit la molécule C. Cependant, nous ne pouvons pas savoir précisément laquelle.

2 Analyse d’un spectre RMN

Sur le spectre RMN du proton du document 3, nous distinguons trois signaux correspondant à trois types de protons dans la molécule.

Le premier signal correspond à un seul proton équivalent (chiffre d’intégration égal à 1) et est un heptuplet (7 pics) donc il correspond au signal d’un proton ayant six protons voisins équivalents.

Le second signal est un pic isolé qui correspond, d’après le document 3, à un seul proton (chiffre d’intégration égal à 1) n’ayant aucun voisin équivalent ou à un proton relié à un atome d’azote ou d’oxygène.

Le troisième signal est un doublet correspondant à six protons qui ont un seul proton voisin.

3 Identification d’une molécule à partir d’un spectre RMN

Nous pouvons donc conclure qu’il ne s’agit pas de A à cause du deuxième signal. B aurait comporté quatre signaux et non pas trois donc ce n’est pas B.

Les molécules C et D se différencient par leur groupe fonctionnel et surtout par le nombre de protons dans ce groupe. Le second signal a un chiffre d’intégration égal à 1 donc ce signal n’est produit que par un seul proton : il s’agit par conséquent de celui du groupe —OH.

Nous pouvons donc dire que ce spectre est celui de la molécule C.