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EXERCICE II : L'ACIDE LÉVUNILIQUE, UNE MOLÉCULE QUI A DE L'AVENIR (10
POINTS) 1. Optimisation du protocole de synthèse de l'acide lévulinique
1.1. Paramètres modifiés pour la synthèse :
- matière première contenant la cellulose,
- irradiation micro-ondes,
- nature du catalyseur. 1.2. Le recours à l'irradiation micro-ondes permet d'augmenter le rendement
de 37% à 45,8%.
C'est le seul paramètre qui ait été modifié entre les synthèses 2 et 3. 1.3. Entre les synthèses 2 et 4, le paramètre qui a influencé le rendement
est la nature de la matière première.
L'utilisation de boues de papier est plus favorable au rendement que
l'utilisation de sciure de peuplier alors que leur teneur en cellulose sont
très proches. 1.4. Si l'on compare les synthèses 4 et 6, on constate que l'utilisation du
catalyseur acide chlorhydrique est bien plus favorable au rendement (55,1%)
que celle de l'acide sulfurique (26,5%). Lors de ces deux synthèses, le
changement de catalyseur était le seul paramètre modifié. 1.5. Parmi les douze principes de la chimie verte, le seul qui soit
identifiable ici semble être le rendement énergétique. Il s'agit d'obtenir
le meilleur rendement de la synthèse avec une durée (de chauffage) la plus
courte possible.
On identifie la synthèse n°5 comme étant celle qui respecte le mieux ce
critère.
On considère que les boues de papier constituent une matière première
renouvelable comme toutes les matières premières présentées ici. 1.6. Il faut déterminer la quantité de matière de cellulose nCel présente
dans 1,75 g de boues de papier. On sait que les boues contiennent 57,1% en
masse de cellulose.
masse de cellulose contenue dans une masse mmatière de matière première :
mCel = 0,571.mmatière (= 0,571×1,75 g)
quantité de matière de cellulose :nCel = [pic] = [pic]
La cellulose est constituée de n motifs, donc sa masse molaire est MCel =
n.M où M est la masse molaire d'un seul motif.
nCel = [pic]
Avec un rendement de 100%, nCel mol de cellulose donnerait nacide = n.nCel
mol d'acide lévulinique.
Mais avec un rendement de 55,5%, on n'obtiendra que nexp mol, soit 55,5% de
cette quantité de matière nacide : nexp = 0,555.nacide
nexp = 0,555.n.nCel
nexp = 0,555.n.[pic]
nexp = 0,555 × [pic]
mexp = nexp . Macide
mexp = 0,555 × [pic] . Macide
mexp =0,555 × [pic] × 116,1 = 0,397 g
2.1. Étude théorique d'une première voie de synthèse de la valérolactone
2.1.1. fonction acide carboxylique fonction
alcool
réaction 1
fonction cétone fonction
acide
carboxylique 2.1.2. Il s'agit d'une réaction d'addition au cours de laquelle deux
réactifs dont l'un avec une double liaison donnent un produit. 2.1.3. 4 groupes de protons
équivalents
singulet triplet triplet
singulet
On a utilisé la règle du (n+1)uplet.
Et un proton sur un atome d'oxygène donne toujours un singulet. 2.1.4. Le spectre IR du composé 1 présente une bande caractéristique de la
liaison O-H d'un alcool qui n'est pas présente dans le spectre IR de
l'acide lévulinique. Le spectre de RMN du composé 1 contient 6 signaux et non pas 4 comme celui
de l'acide lévulinique. 2.1.5.
Le composé 1 possède un seul atome de carbone asymétrique. C'est une
molécule chirale qui possède donc deux stéréoisomères images l'un de
l'autre dans un miroir plan et non superposables. Ce sont des énantiomères. 2.1.6.
2.2. Étude de la deuxième voie de synthèse sélective d'un stéréoisomère de
la valérolactone
2.2.1. Les stéréoisomères ne possédant pas les mêmes formes géométriques,
ils n'interagissent pas de la même façon avec les sites récepteurs ciblés
par le médicament. Il est possible qu'un stéréoisomères soit un médicament
efficace alors que l'autre soit inefficace voire nocif.
2.2.2. nacide = [pic] = [pic]
nacide = [pic] = 5,1×10-3 mol
2.2.3. D'après les équations des réactions 1' et 2', la consommation d'une
mole d'acide lévulinique conduit à la formation d'une mole de valérolactone
notée -GLV.
n-GLV formée = nacide consommée
[pic] = [pic]
[pic] Cm en g.L-1 donc V en L, ?GLV en g.mL-1 donc Vmax en mL
[pic] = 0,48 mL
En raison du traitement du milieu réactionnel et de la purification, on
n'obtient que V' = 0,38 mL de valérolactone alors qu'avec un rendement de
100 % on pouvait en espérer 0,48 mL.
Le rendement est donc ? = [pic]
? = [pic] = 0,79 = 79%.
Ce résultat étant à 1% près égal aux 78% indiqué dans la publication, on
peut considérer qu'il est compatible avec celle-ci.
Compétences exigibles ou attendues :
En noir : officiel (Au B.O.)
En italique : officieux (au regard des sujets de bac depuis 2013)
o Extraire et exploiter des informations en lien avec la chimie durable.
o Comparer les avantages et les inconvénients de procédés de synthèse du
point de vue du respect de l'environnement.
o St?chiométrie, calcul de quantités de matière.
o Associer un groupe caractéristique à une fonction chimique.
o Déterminer la catégorie d'une réaction (substitution, addition,
élimination) à partir de l'examen de la nature des réactifs et des
produits.
o Spectroscopie de RMN : Identifier les protons équivalents. Relier la
multiplicité du signal au nombre de voisins.
o Spectroscopie IR : Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes
caractéristiques à l'aide de tables de données
o Utiliser la représentation de Cram.
o À partir d'un modèle moléculaire ou d'une représentation reconnaître
si des molécules sont identiques, énantiomères ou diastéréoisomères.
o Pour une ou plusieurs étapes d'un mécanisme réactionnel donné, relier
par une flèche courbe les sites donneur et accepteur en vue
d'expliquer la formation ou la rupture de liaisons.
o Extraire et exploiter des informations sur :
- les propriétés biologiques de stéréoisomères,
- les conformations de molécules biologiques, pour mettre en
évidence l'importance de la stéréoisomérie dans la nature.
o Calcul d'un rendement.
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OH O OH H2 ( O O OH + OH O C CH2 CH2 O C CH3 OH O C CH2 CH2 OH CH CH3 [pic] [pic] HOOC-CH2-CH2 CH2-CH2-COOH