Exercices: Protocole de synthèse, reflux, CCM et rendement

Pour une synthèse organique, on distingue quatre étapes : transformation, isolement, purification, analyse. Associer à chacune une opération parmi : chauffage à reflux ; recristallisation ; chromatographie sur couche mince ; filtration sur Büchner.

Le rendement d'une synthèse est $\eta = n_{exp}/n_{max}$. Lors d'une synthèse, on peut obtenir au maximum $n_{max} = 0,050\ \text{mol}$ de produit. On en recueille $n_{exp} = 0,038\ \text{mol}$.

1. a) Calculer le rendement en pourcentage.
2. b) Un rendement peut-il dépasser 100 % ? Que faudrait-il en conclure ?

Lors d'un chauffage à reflux, un réfrigérant à eau est placé verticalement au-dessus du ballon.

1. a) Expliquer le rôle du chauffage.
2. b) Expliquer le rôle du réfrigérant.

On synthétise l'éthanoate d'isoamyle (arôme de banane) à partir de $m_1 = 13,0\ \text{g}$ d'alcool isoamylique ($M = 88,0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'un excès d'acide éthanoïque. Après purification, on obtient $m = 14,3\ \text{g}$ d'ester ($M = 130\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

1. a) Calculer la quantité maximale d'ester.
2. b) Calculer le rendement.

Pour synthétiser l'aspirine, on fait réagir $m_1 = 5,00\ \text{g}$ d'acide salicylique ($M = 138\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) avec $V = 10,0\ \text{mL}$ d'anhydride éthanoïque ($\rho = 1,08\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$, $M = 102\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$). La réaction est mole à mole. On obtient $m = 5,2\ \text{g}$ d'aspirine ($M = 180\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

1. a) Déterminer le réactif limitant.
2. b) Calculer le rendement.

Une CCM d'une synthèse montre, après élution, trois taches : celle du produit de référence (rapport frontal $R_f = 0,55$), celle du mélange réactionnel à $t = 30\ \text{min}$ avec deux taches, l'une à $R_f = 0,55$ et l'autre à $R_f = 0,80$, correspondant au réactif.

1. a) Définir le rapport frontal et calculer la distance parcourue par la tache du produit si le front de solvant a parcouru $6,0\ \text{cm}$.
2. b) La transformation est-elle terminée ? Justifier.

On réalise l'estérification de $n_1 = 0,200\ \text{mol}$ d'acide éthanoïque par $n_2 = 0,200\ \text{mol}$ d'éthanol ($M(\text{ester}) = 88,0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $\rho(\text{ester}) = 0,90\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$). Après isolement et purification, on recueille $V = 11,8\ \text{mL}$ d'ester.

1. a) Calculer le rendement.
2. b) Proposer deux modifications pour l'augmenter, en justifiant.
3. c) Expliquer les pertes possibles à chaque étape (transformation, isolement, purification).

Une synthèse de paracétamol à partir de $m = 3,0\ \text{g}$ de 4-aminophénol ($M = 109\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'anhydride éthanoïque en excès (une mole de 4-aminophénol conduit à une mole de paracétamol) donne $m' = 3,1\ \text{g}$ de solide brut, de point de fusion mesuré $152\ °\text{C}$. Le paracétamol pur ($M = 151\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) fond à $169\ °\text{C}$.

1. a) Calculer le rendement du brut.
2. b) Interpréter l'écart de température de fusion et en déduire une conclusion sur la pureté.
3. c) Décrire une étape de purification adaptée et son effet attendu sur le rendement.

On compare deux protocoles pour une même synthèse. Protocole 1 : chauffage à reflux $30\ \text{min}$, rendement $62\ \%$. Protocole 2 : chauffage à reflux $2\ \text{h}$, rendement $64\ \%$ avec les mêmes quantités.

1. a) Interpréter l'évolution du rendement en termes de vitesse et d'état final.
2. b) Justifier l'intérêt du reflux par rapport à un chauffage sans réfrigérant.
3. c) Discuter, avec arguments, du protocole préférable d'un point de vue énergétique et économique.