Exercices: Principales réactions organiques

Le propène ($\mathrm{CH_3-CH=CH_2}$) subit une réaction d'addition électrophile lorsqu'il est traité par l'eau en présence d'acide sulfurique dilué comme catalyseur, selon la règle de Markovnikov (le proton s'additionne de préférence au carbone portant le plus d'atomes d'hydrogène).

1. a) Écrire la formule et nommer le réactif de départ et le produit organique majoritaire obtenu lors de cette hydratation.
2. b) Justifier pourquoi le propan-1-ol n'est pas obtenu de façon majoritaire.

La combustion complète des alcools produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, en libérant une quantité notable d'énergie thermique.

1. a) Écrire et équilibrer, avec des coefficients stœchiométriques entiers, l'équation de la réaction de combustion complète de l'éthanol ($\mathrm{CH_3-CH_2OH}$).
2. b) Calculer le volume de dioxyde de carbone, mesuré à $25\,^{\circ}\text{C}$ et $1{,}0\,\text{atm}$, qui se dégage lors de la combustion complète de $23{,}0\,\text{g}$ d'éthanol. Données : masses atomiques relatives : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$ ; constante des gaz parfaits $R = 0{,}082\,\text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Les halogénoalcanes peuvent subir des transformations sélectives selon la nature du réactif et du solvant utilisés.

1. a) Écrire l'équation équilibrée de la réaction de substitution nucléophile entre le 1-bromopropane ($\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2Br}$) et une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium à température modérée, en nommant le produit organique formé.
2. b) Indiquer la structure semi-développée et le nom du produit obtenu si le propène formé lors d'une réaction secondaire est soumis à une hydrogénation catalytique avec $\mathrm{H_2}$ en présence de nickel.

Le comportement chimique d'un alcool primaire face à un oxydant puissant comme le dichromate de potassium en milieu acide dépend des conditions expérimentales utilisées. Observer le schéma de transformation suivant :

1. a) Identifier, en justifiant, les formules semi-développées et les noms systématiques des produits organiques $\mathrm{A}$ et $\mathrm{B}$.
2. b) Justifier pourquoi la distillation immédiate du milieu permet d'isoler sélectivement le composé $\mathrm{A}$, alors que le reflux prolongé avec un oxydant en excès conduit à $\mathrm{B}$.

Dans un réacteur fermé de $1{,}00\,\text{L}$ à une température constante de $25\,^{\circ}\text{C}$, on mélange $2{,}00\,\text{mol}$ d'acide acétique (acide éthanoïque) et $2{,}00\,\text{mol}$ d'éthanol en présence d'une quantité catalytique d'acide sulfurique concentré.

1. a) Écrire la réaction d'estérification en indiquant les noms de l'ester et du sous-produit inorganique formés.
2. b) Sachant que la constante d'équilibre sans dimension de cette estérification en solution est $K_c = 4{,}00$ à cette température, calculer la quantité d'ester (en moles) présente à l'équilibre et le rendement en pourcentage du processus. Initialement, il n'y a ni ester ni eau. Supposer un milieu idéal à volume constant préparé avec des réactifs anhydres et, si nécessaire, un solvant inerte ; inclure l'eau formée dans l'expression de l'équilibre.

L'hydrolyse basique, ou saponification, de l'éthanoate d'éthyle, $\mathrm{CH_3-COO-CH_2-CH_3}$, consomme une base forte. a) Écrire l'équation de sa réaction avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium et nommer les deux produits organiques obtenus, dont l'un sous forme de sel. b) On traite $17{,}6\,\mathrm{g}$ d'ester avec $250\,\mathrm{mL}$ de $\mathrm{NaOH}$ $1{,}00\,\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}$. Identifier le réactif limitant et calculer la masse d'éthanoate de sodium isolée si le rendement par rapport au maximum stœchiométrique est de $85{,}0\,\%$. Données : masses atomiques relatives, C = 12,0 ; H = 1,0 ; O = 16,0 ; Na = 23,0.

On souhaite synthétiser de la propanone en laboratoire par une séquence en deux étapes à partir du propène. À l'étape 1, le propène est hydraté en présence d'acide sulfurique aqueux selon la règle de Markovnikov, ce qui donne un alcool secondaire comme produit majoritaire. À l'étape 2, cet alcool est purifié puis oxydé par le dichromate de potassium en milieu acide pour obtenir de la propanone.

1. a) Écrire les équations des deux étapes, en classant chaque réaction, en justifiant, selon le type de transformation organique (addition, substitution, élimination, oxydoréduction).
2. b) Si l'on part de $84{,}0\,\text{g}$ de propène et que l'étape 1 a un rendement de $75{,}0\,\%$ tandis que l'étape 2 a un rendement de $80{,}0\,\%$, calculer la masse finale de propanone pure obtenue. Masses atomiques : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$.

On conçoit une voie de synthèse en trois étapes consécutives pour obtenir de l'éthanoate d'éthyle à partir de l'éthène ($\mathrm{CH_2=CH_2}$) :

Étape 1 : hydratation acide de l'éthène pour obtenir de l'éthanol avec un rendement de $80{,}0\,\%$.

Étape 2 : oxydation forte à reflux de la moitié des moles d'éthanol obtenues à l'étape 1 par $\mathrm{KMnO_4/H^+}$ en excès jusqu'à l'acide éthanoïque, avec un rendement de $90{,}0\,\%$.

Étape 3 : condensation (estérification de Fischer) entre l'acide éthanoïque obtenu à l'étape 2 et l'autre moitié de l'éthanol mise de côté à l'étape 1.

1. a) Écrire les équations des trois étapes en indiquant les conditions et les catalyseurs habituels.
2. b) Si l'on démarre le processus avec $112\,\text{g}$ d'éthène et que le rendement de l'estérification finale (étape 3) par rapport au réactif limitant est de $70{,}0\,\%$, calculer la masse d'éthanoate d'éthyle obtenue. Masses atomiques : $\mathrm{C}=12{,}0$ ; $\mathrm{H}=1{,}0$ ; $\mathrm{O}=16{,}0$.

Dans un compte rendu historique d'analyse organique, on décrit quatre flacons sans étiquette ($\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$), contenant chacun l'un des liquides purs suivants : propanal, propanone, acide propanoïque et hex-1-ène. Pour les identifier, on a réalisé trois tests chimiques indépendants, que l'on analyse comme des données sans les reproduire :

1. Ajout d'une solution rougeâtre de dibrome dans le tétrachlorométhane : seule la substance $\mathrm{C}$ décolore la solution de façon rapide et immédiate, sans dégagement gazeux.

2. Ajout d'une solution aqueuse saturée d'hydrogénocarbonate de sodium ($\mathrm{NaHCO_3}$) : seule la substance $\mathrm{D}$ produit un net dégagement gazeux avec effervescence.

3. Test au réactif de Tollens (solution ammoniacale de $\mathrm{Ag^+}$) : la substance $\mathrm{A}$ forme un miroir d'argent métallique sur les parois du tube lorsqu'on chauffe doucement, tandis que $\mathrm{B}$ ne produit aucun changement visible.

1. a) Attribuer, en justifiant, chaque substance aux lettres $\mathrm{A}$, $\mathrm{B}$, $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$.
2. b) Écrire les équations chimiques correspondant aux tests positifs décrits pour $\mathrm{C}$ et $\mathrm{D}$.