EXERCICE II : LA SYNTHÈSE DU MÉTHACRYLATE DE MÉTHYLE ...

Bac S 2014 Amérique du nord
http://labolycee.org
EXERCICE II : LA SYNTHÈSE DU MÉTHACRYLATE DE MÉTHYLE (9 points)
La molécule de méthacrylate de méthyle ou MAM
1.1. Formule semi-développée du MAM :
Groupe caractéristique : ester
Famille chimique : ester 1.2. Des molécules stéréoisomères possèdent la même formule semi-développée
mais des arrangements différents dans l'espace.
La molécule de MAM présente des stéréoisomères de conformation, il y a
libre rotation de groupes d'atomes autour des liaisons simples.
La molécule de MAM ne présente pas de stéréoisomères de configuration :
- elle ne contient pas d'atome de carbone asymétrique (portant 4
substituants différents), donc elle ne possède pas d'énantiomères.
- la double liaison C=C ne présente pas d'isomérie Z/E puisqu'un des atomes
de carbone est lié à deux atomes d'hydrogène. 2. Synthèse du MAM par le procédé développé par MGC (Mitsubishi Gas
Chemicals)
2.1. La réaction A constitue une réaction d'addition :
Les atomes du cyanure d'hydrogène HCN s'additionnent sur la molécule de
propanone. (Ou 2 réactifs donnent un seul produit).
La réaction C est une réaction de substitution : le groupe méthyle CH3 de
l'ester se substitue au groupe amino NH2.
La réaction D présente une élimination : deux groupes d'atomes (OH et H)
sont éliminés du réactif. 2.2.H++ + ( + H+
Les atomes C, N, O respectent la règle de l'octet, ils sont entourés de
quatre doublets.
Les flèches sont orientées du site donneur de doublet vers le site
accepteur.
L'atome C porteur d'une charge négative est un site donneur de doublets.
Le carbone central de la propanone porte une charge partielle positive car
l'électronégativité de l'atome d'oxygène voisin est supérieure à la sienne.
Il constitue un site accepteur de doublets.
2.3.1. La propanone sera repérable par la présence dans son spectre IR d'un
pic caractéristique entre 1650 et 1730 cm-1 (C=Océtone).
Les spectres du méthanoate de méthyle et du MAM présenteront un pic entre
1700 et 1740 cm-1 (C=Oester) et un pic entre 1050 et 1450 cm-1 (Ctet - O).
Seul le spectre du MAM présentera un pic entre 1625 et 1685 cm-1 (C=C).
Il est donc possible de différencier ces trois espèces grâce à la
spectroscopie IR.
Remarque : Il faut tout de même noter que les pics des C=Oester et
C=Océtone risquent d'être difficiles à distinguer. Et que le pic de la
liaison Ctet - O risque d'être peu visible dans l'empreinte digitale (? <
1500 cm -1) de la molécule.
2.3.2.
MAM Propanone Méthanoate de
méthyle 3 ou 4 (*) groupes de protons équivalents 1 groupe de protons
équivalents 2 groupes
Donc 3 ou 4 signaux 1 signal 2
signaux
Les spectres de RMN de ces trois molécules seront distinguables en raison
de la différence du nombre de signaux.
(*)pour le spectre du MAM : les deux protons du =CH2 ne sont pas
équivalents (donc 4 signaux dans le spectre RMN) car il n'y a pas libre-
rotation autour de la liaison C=C et que les 2 groupes portés par l'autre C
de la double liaison sont différents.
2.3.3. Si on s'intéresse à l'étape D.
La spectroscopie IR doit permettre de confirmer la formation du MAM grâce à
l'apparition dans le spectre d'un pic entre 1625 et 1685 cm-1 (C=C).
Spectroscopie de RMN : les spectres du MAM et son précurseur présentent
tous les deux des singulets à ? = 0,9 ppm (CH3-C) et à ? = 3,7 ppm (CH3-O-
CO-R).
Mais le rapport des hauteurs (0,9 ppm / 3,7 ppm) de la courbe d'intégration
passe de 6/3 (précurseur) à 3/3 (MAM).
MAM On pourra distinguer le MAM de son précurseur et valider l'étape D.
2.4.
La quantité de matière de MAM contenue dans une tonne s'exprime par nMAM =
[pic]
D'après l'équation de la réaction, il faut consommer 1 mol de propanone
pour former 1 mol de MAM, donc npropanone Conso = nMAM
[pic]
mpropanone = [pic] (avec les masses exprimées en g)
mpropanone = [pic] = 5,80×105 g = 5,80×102 kg = 0,580 t
De la même façon, mHCN = [pic]
mHCN = [pic] = 2,7×105 g = 2,7×102 kg = 0,270 t
Et enfin pour le méthanoate de méthyle, mméth = [pic]
mméth = [pic] = 6,00×105 g = 6,00×102 kg = 0,600 t
Vérification non demandée, mais utile au brouillon : conservation de la
masse au cours de la réaction. Calculons la masse de méthanamide formée.
Il se forme autant de méthanamide que de MAM nMAM = namide
[pic] = [pic] donc mamide = [pic].Mamide
mamide = [pic]×45,0 = 4,50×105 g = 4,50×102 kg = 0,450 t
On vérifie que [pic]
mpropanone + mHCN + mméth = 0,580 + 0,270 + 0,600 = 1,450 t
mamide + mMAM = 1,000 + 0,450 = 1,450 t
L'égalité est vérifiée, nos calculs semblent corrects.
3. Synthèse du MAM et respect de l'environnement
3.1. L'économie d'atomes est définie par [pic].
Dans le cas du procédé isobutène,
on a [pic]
[pic] = 0,735
Cette valeur est la plus proche de 1 parmi les trois procédés. Le procédé
isobutène est le plus efficace en économie d'atomes et génère moins de
déchets. 3.2. Au regard de la prévention et de l'économie d'atomes :
Le procédé isobutène est à privilégier comme le montre la réponse
précédente.
On peut ajouter que le procédé MGC produit du méthanamide qui est valorisé
en HCN, tandis que le procédé ACH produit du NH4HSO4 qui est difficile à
valoriser. Concernant l'environnement et la nocivité des substances :
- Les procédés ACH et MGC utilisent du cyanure d'hydrogène indiqué
comme étant toxique dans le doc. 4 ;
- Le procédé ACH utilise de l'acide sulfurique H2SO4 (corrosif) ;
- Les procédés isobutène et ACH nécessitent du méthanol (nous n'avons
pas d'information à propos de sa toxicité) ;
- Le procédé isobutène consomme du dioxygène (gaz qui facilite les
combustions), et produit de l'eau.
Au regard de ces informations, le procédé ACH semble le plus polluant,
tandis que le procédé isobutène semble le moins polluant. Pour respecter les principes de la chimie verte, étudions enfin les besoins
énergétiques :
- Le procédé MGC comporte des étapes nécessitant une température de à
500°C ;
- Pas d'informations sur le procédé ACH ;
- Le procédé isobutène fait mention de températures comprises entre
280°C et 365°C. Pour conclure malgré le manque de quelques informations, le procédé
isobutène semble à privilégier du point de vue du respect des principes de
la chimie verte.
-----------------------
H3C O C O C CH3 CH2 CH3 C CH3 O CN - -|C N| CH3 C CH3 O H3C O C O C CH3 CH2 H3C C O CH3 H3C O CH O D¤D¥D§D¨DªD«D­D®D°D±DµD¶DºD»D¿DÀDÂDÃDÇDÈDËDÌDÏDÐDÒDÓD×D÷õ÷õ? = 0,9 ppm
« intégration 6 H » H3C O C O C CH3 CH2 ? = 0,9 ppm
« intégration 3 H » ? = 3,7 ppm