V VIDYALAYA · Soutien scolaire
Physique-ChimieTerminaleConstitution et transformations de la matiereExercices + corrigé

Mécanismes réactionnels et stratégies de synthèse — Exercices

De l'identification des espèces réactives à la conception et au calcul de rendement d'une synthèse complète.
⏱ ~35 min✎ Calculatrice autorisée (exercice 5 uniquement)
1Identifier les espèces réactives/ 4 pts

Pour chaque espèce, indiquer si elle est nucléophile, électrophile ou radicalaire, et justifier en une phrase.

  1. $\text{HO}^-$ (ion hydroxyde)
  2. $\text{BF}_3$ (le bore possède 6 électrons de valence dans cette molécule)
  3. $\text{Br}^{\bullet}$ (atome de brome issu de la rupture homolytique de $\text{Br}_2$)
  4. Le carbone portant le brome dans $\text{CH}_3\text{Br}$
2Mécanisme de substitution nucléophile/ 5 pts

On fait réagir le 1-bromopropane $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br}$ avec une solution aqueuse d'ion hydroxyde $\text{HO}^-$.

  1. Identifier le site électrophile dans le 1-bromopropane et justifier par la polarisation de la liaison C-Br.
  2. Écrire l'équation bilan de la réaction.
  3. Décrire en mots le déplacement des électrons représenté par les deux flèches courbes lors de l'attaque nucléophile.
  4. Nommer le produit organique formé.
3Addition électrophile sur le propène/ 5 pts

On fait réagir le propène $\text{CH}_3\text{-CH=CH}_2$ avec l'acide bromhydrique $\text{HBr}$.

  1. Identifier la liaison polarisée dans $\text{HBr}$ et préciser quel atome est électrophile.
  2. $\text{H}^+$ peut s'additionner sur C2 ou sur C3. Comparer la stabilité des deux carbocations intermédiaires et préciser lequel se forme préférentiellement.
  3. Écrire l'équation bilan et nommer le produit majoritaire.
4Substitution radicalaire du méthane/ 3 pts

La monochloruration du méthane est réalisée sous lumière UV selon : $\text{CH}_4 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{CH}_3\text{Cl} + \text{HCl}$.

  1. Écrire l'équation de l'étape d'initiation.
  2. Écrire les deux équations de propagation.
  3. Donner un exemple de réaction de terminaison.
5Synthèse et calcul de rendement/ 8 pts

On souhaite préparer le propan-1-ol ($M = 60{,}0$ g/mol) à partir de $5{,}00$ g de 1-bromopropane ($M = 123$ g/mol) par substitution nucléophile. Le rendement de la réaction est de $75\%$.

  1. Quel réactif inorganique utiliser pour cette conversion ? Nommer le type de mécanisme mis en jeu.
  2. Écrire l'équation bilan de la réaction.
  3. Calculer la quantité de matière initiale $n_0$ de 1-bromopropane.
  4. En déduire la masse théorique $m_{\text{théo}}$ de propan-1-ol, puis la masse réellement obtenue $m_{\text{réelle}}$ compte tenu du rendement.
Corrigé détaillé
1Identifier les espèces réactives
a) \(\text{HO}^- : \text{doublets non liants + charge } {-} \Rightarrow \text{donneur d'électrons}\) \(\text{nucléophile}\)
b) \(\text{BF}_3 : \text{B ne possède que 6 électrons de valence, lacune électronique} \Rightarrow \text{accepteur d'électrons}\) \(\text{électrophile}\)
c) \(\text{Br}^{\bullet} : \text{électron célibataire issu de la rupture homolytique de Br}_2\) \(\text{radical}\)
d) \(\text{Br plus électronégatif que C} \Rightarrow \text{liaison C}^{\delta+}\text{-Br}^{\delta-} \Rightarrow \text{carbone appauvri en électrons}\) \(\text{site électrophile}\)
2Mécanisme de substitution nucléophile
a) \(\text{Br plus électronégatif que C} \Rightarrow \text{liaison C}_1^{\delta+}\text{-Br}^{\delta-} \Rightarrow \text{C}_1 \text{ appauvri en électrons}\) \(\text{C}_1 \text{ (carbone lié au Br) est le site électrophile}\)
b) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br} + \text{HO}^- \longrightarrow\) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{Br}^-\)
c) \(\text{Flèche 1 : doublet de HO}^-\rightarrow\text{C}_1 \;\text{; Flèche 2 : liaison C}_1\text{-Br}\rightarrow\text{Br}^-\) \(\text{Attaque et départ simultanés : mécanisme SN2 concerté, en une seule étape}\)
d) \(\text{Produit organique :}\) \(\text{propan-1-ol}\)
3Addition électrophile sur le propène
a) \(\text{Br plus électronégatif} \Rightarrow \text{liaison H}^{\delta+}\text{-Br}^{\delta-}\) \(\text{H est l'atome électrophile}\)
b) \(\text{Carbocation 2}^\circ \text{ en C}_2\text{ (stabilisé par 2 groupes alkyle)} \succ \text{carbocation 1}^\circ \text{ en C}_3\) \(\text{Carbocation en C}_2 \text{ préférentiel} \Rightarrow \text{H se fixe en C}_3\text{, Br en C}_2\)
c) \(\text{CH}_3\text{-CH=CH}_2 + \text{HBr} \longrightarrow\) \(\text{CH}_3\text{-CHBr-CH}_3 \quad (\text{2-bromopropane})\)
4Substitution radicalaire du méthane
a) \(\text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu}\) \(2\,\text{Cl}^{\bullet}\)
b1) \(\text{Cl}^{\bullet} + \text{CH}_4 \longrightarrow\) \(\text{CH}_3^{\bullet} + \text{HCl}\)
b2) \(\text{CH}_3^{\bullet} + \text{Cl}_2 \longrightarrow\) \(\text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}^{\bullet}\)
c) \(\text{Exemple de terminaison : }\text{Cl}^{\bullet} + \text{Cl}^{\bullet} \longrightarrow\) \(\text{Cl}_2\)
5Synthèse et calcul de rendement
a) \(\text{NaOH}_{(aq)} \text{ (source de HO}^-\text{) ; HO}^-\text{ nucléophile attaque C}_1\text{-Br}\) \(\text{substitution nucléophile (SN2)}\)
b) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br} + \text{HO}^- \longrightarrow\) \(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{Br}^-\)
c) \(n_0 = \dfrac{m}{M} = \dfrac{5{,}00}{123} =\) \(4{,}07 \times 10^{-2} \text{ mol}\)
d) \(m_{\text{théo}} = n_0 \times M = 4{,}07 \times 10^{-2} \times 60{,}0 = 2{,}44 \text{ g} \;\Rightarrow\; m_{\text{réelle}} = 2{,}44 \times 0{,}75 =\) \(1{,}83 \text{ g}\)