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Chimie du carbone · Polymères et société

Polymérisation par condensation

Tu as intérêt à maîtriser : Composés oxygénés (classe de première générale (avec la spécialité mathématiques))
Tu as intérêt à maîtriser : Composés azotés (classe de première générale (avec la spécialité mathématiques))

Un pull en polaire, une bouteille en plastique, un collant en nylon : ces matières ne se forment pas en ouvrant une double liaison, mais en reliant deux types de monomères, avec perte d'une petite molécule à chaque liaison créée. Lorsqu'on chauffe de l'acide téréphtalique et de l'éthane-1,2-diol, on recueille de l'eau alors que les réactifs étaient purs et secs : d'où vient-elle, et comment en tenir compte dans un calcul de masse ?

Condensation : une liaison créée, une petite molécule perdue

Rappel de première : un acide carboxylique et un alcool donnent un ester et de l'eau. Un acide carboxylique et une amine donnent un amide et de l'eau. Ces réactions sont lentes et limitées. Que se passe-t-il si chaque réactif possède deux groupes caractéristiques ?

Ces polymères sont partout : le PET (polyester synthétique) des bouteilles et des polaires, le nylon (polyamide synthétique) des collants et des cordes, et les protéines (polyamides naturels formés à partir d'acides $\alpha$-aminés).

Réaction entre un diacide carboxylique et un diol : formation d'une liaison ester et libération d'une molécule d'eau diacide HOOC–R–COOH diol HO–R'–OH une liaison ester se forme… HOOC–R–CO–O–R'–OH …et une molécule d'eau part H₂O

La molécule obtenue possède encore un groupe $-\mathrm{COOH}$ à une extrémité et un groupe $-\mathrm{OH}$ à l'autre : elle est toujours bifonctionnelle, donc elle peut réagir de nouveau des deux côtés. C'est ce qui permet à la chaîne de s'allonger. Si l'un des monomères n'avait qu'un seul groupe réactif, la chaîne s'arrêterait à cette extrémité.

Identifier le motif : PET et nylon 6,6

Dans une longue chaîne, on repère le motif en découpant la chaîne au milieu de deux liaisons identiques successives : il contient un résidu de chaque monomère, reliés par une liaison ester ou amide.

Polyamides et peptides

Un diacide et une diamine donnent un polyamide (le nylon). Un acide $\alpha$-aminé $\mathrm{H_2N-CHR-COOH}$ porte déjà les deux groupes sur la même molécule : deux acides aminés donnent un dipeptide, avec la liaison peptidique $-\mathrm{CO-NH}-$, qui est un groupe amide.

$$\mathrm{H_2N-CH_2-COOH} + \mathrm{H_2N-CH_2-COOH} \longrightarrow \mathrm{H_2N-CH_2-CO-NH-CH_2-COOH} + \mathrm{H_2O}$$
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Dans la synthèse d'un polyester linéaire, on fait réagir l'acide éthanedioïque ($\mathrm{HOOC-COOH}$) avec l'éthane-1,2-diol ($\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH}$). a) Écrire…

Dans la synthèse d'un polyester linéaire, on fait réagir l'acide éthanedioïque ($\mathrm{HOOC-COOH}$) avec l'éthane-1,2-diol ($\mathrm{HO-CH_2-CH_2-OH}$).

  1. a) Écrire l'équation chimique équilibrée correspondant à la formation du dimère linéaire le plus simple formé par une molécule de chaque réactif, en identifiant le nouveau groupe caractéristique formé et le sous-produit éliminé.
  2. b) Justifier pourquoi les deux monomères doivent être bifonctionnels pour permettre la croissance indéfinie de la chaîne polymère.
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Les protéines sont des biopolymères naturels dont le bilan formel de formation correspond à la condensation d'$\alpha$-acides aminés de formule générale…

Les protéines sont des biopolymères naturels dont le bilan formel de formation correspond à la condensation d'$\alpha$-acides aminés de formule générale $\mathrm{H_2N-CHR-COOH}$.

  1. a) Expliquer la nature de la liaison qui unit les monomères et écrire la réaction chimique générale de condensation entre deux molécules de glycine ($\mathrm{H_2N-CH_2-COOH}$), en indiquant la molécule qui se dégage.
  2. b) Expliquer pourquoi il n'est pas possible de synthétiser chimiquement au laboratoire une protéine cellulaire complexe de séquence spécifique par un simple chauffage d'un mélange de ses monomères en solution.
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Motif et masse molaire du motif

Pour le PET, le motif est constitué d'un diacide et d'un diol dont on a retiré deux molécules d'eau. Où sont passés ces atomes ? Dans l'eau.

Masse molaire du motif : somme des masses molaires du diacide et du diol, moins deux fois la masse molaire de l'eau M diacide + M diol − 2 × M(H₂O) = masse molaire du motif
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Le poly(téréphtalate d'éthylène), connu commercialement sous le nom de PET, est un polyester synthétisé par condensation à partir de l'acide benzène-1,4-dicarboxylique…

Le poly(téréphtalate d'éthylène), connu commercialement sous le nom de PET, est un polyester synthétisé par condensation à partir de l'acide benzène-1,4-dicarboxylique (acide téréphtalique, $\mathrm{C_8H_6O_4}$, $M = 166,13\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et de l'éthane-1,2-diol ($\mathrm{C_2H_6O_2}$, $M = 62,07\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

  1. a) Déduire la formule du motif de répétition correspondant à un couple diacide/diol du polymère dans la limite d'une chaîne très longue.
  2. b) Calculer la masse molaire de ce motif de répétition sachant que, à chaque cycle d'incorporation d'un couple diacide/diol, deux molécules d'eau sont éliminées ($\mathrm{H_2O}$, $M = 18,02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
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Le nylon 6,6 est un polyamide synthétisé industriellement par la réaction de l'acide hexanedioïque ($\mathrm{HOOC-(CH_2)4-COOH}$,…

Le nylon 6,6 est un polyamide synthétisé industriellement par la réaction de l'acide hexanedioïque ($\mathrm{HOOC-(CH_2)_4-COOH}$, $M = 146,14\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et de l'hexane-1,6-diamine ($\mathrm{H_2N-(CH_2)_6-NH_2}$, $M = 116,21\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

  1. a) Écrire la structure du motif de répétition du polymère dans la limite d'une chaîne longue et calculer sa masse molaire théorique sachant que $M(\mathrm{H_2O}) = 18,02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
  2. b) Un réacteur produit un oligomère linéaire à partir d'exactement 10 molécules de diacide et 10 molécules de diamine, avec des extrémités terminales non cyclisées ($-\mathrm{COOH}$ et $-\mathrm{NH_2}$). Calculer la masse molaire exacte de cet oligomère fini.
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L'acide polylactique (PLA) est un polyester biodégradable qui peut être obtenu par autocondensation de l'acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique,…

L'acide polylactique (PLA) est un polyester biodégradable qui peut être obtenu par autocondensation de l'acide 2-hydroxypropanoïque (acide lactique, $\mathrm{CH_3-CH(OH)-COOH}$, $M = 90,08\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$), un monomère hydroxycarboxylique bifonctionnel.

  1. a) Représenter la formule semi-développée du motif de répétition du PLA dans une chaîne polymère linéaire et calculer sa masse molaire en considérant $M(\mathrm{H_2O}) = 18,02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
  2. b) On polymérise un échantillon homogène qui donne des chaînes linéaires formées de 150 motifs monomères d'acide lactique. Calculer la masse molaire exacte de ces chaînes en considérant que les extrémités terminales sont intactes ($-\mathrm{H}$ et $-\mathrm{OH}$).
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Chaînes finies : compter monomères et molécules d'eau

Deux monomères reliés : une molécule d'eau. Trois monomères : deux molécules d'eau. Quatre : trois. Pourquoi y a-t-il toujours une molécule d'eau de moins que de monomères ?

Comme pour une file de personnes qui se donnent la main : deux personnes se donnent une poignée de main, trois en font deux, quatre en font trois. Chaque nouveau monomère ajoute exactement une liaison.

Chaîne ouverte de trois monomères alternés : deux liaisons créées et deux molécules d'eau libérées H₂O H₂O diacide diol diacide 3 monomères → 2 liaisons → 2 H₂O
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La condensation par étapes entre monomères bifonctionnels génère des oligomères avant d'atteindre des masses molaires élevées. Le schéma suivant illustre la formation…

La condensation par étapes entre monomères bifonctionnels génère des oligomères avant d'atteindre des masses molaires élevées. Le schéma suivant illustre la formation d'un oligomère linéaire à partir de deux molécules d'un acide dicarboxylique $\mathrm{HOOC-R_1-COOH}$ et de deux molécules d'un diol $\mathrm{HO-R_2-OH}$ en alternance :

?− R₁ −COO− R₂ −OOC− R₁ −COO− R₂ −? Résidus du diacide (R₁) et du diol (R₂)
  1. a) À partir du schéma linéaire de 4 blocs monomères reliés, déterminer le nombre exact de molécules d'eau dégagées lors de la formation de ce tétramère et écrire les groupes caractéristiques qui restent libres à chaque extrémité de la chaîne.
  2. b) Si une chaîne linéaire ouverte se forme par polycondensation stricte de $n$ molécules de diacide et de $n$ molécules de diol sans subir de cyclisation, déduire l'expression générale du nombre de molécules d'eau produites en fonction de $n$.
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Dans la synthèse du nylon 6,6, on introduit dans un réacteur $146,14\,\text{g}$ d'acide hexanedioïque ($1,00\,\text{mol}$, $M = 146,14\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et…

Dans la synthèse du nylon 6,6, on introduit dans un réacteur $146,14\,\text{g}$ d'acide hexanedioïque ($1,00\,\text{mol}$, $M = 146,14\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et $116,21\,\text{g}$ d'hexane-1,6-diamine ($1,00\,\text{mol}$, $M = 116,21\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$). La réaction est arrêtée, sans cyclisation, lorsqu'on atteint une longueur de chaîne moyenne de $n = 50$ couples diacide-diamine par macromolécule (degré de polymérisation en nombre de monomères $\bar{X}_n = 100$). Données : $M(\mathrm{H_2O}) = 18,02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

  1. a) Déterminer la quantité de matière totale et la masse exacte d'eau produite lors de la condensation dans l'ensemble du réacteur.
  2. b) Calculer la masse molaire moyenne en nombre ($\bar{M}_n$) du polymère obtenu en tenant compte des groupes terminaux et déterminer l'erreur relative en pourcentage commise si on la calculait de façon approchée par $50\cdot M_{\text{rep}}$.
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Bilan de matière d'une polycondensation

Un réacteur reçoit des masses connues de monomères. Quelle masse de polymère sec en sort, sachant que de l'eau s'échappe sous forme de vapeur ?

Bilan de matière d'un réacteur de polycondensation : masse des réactifs moins masse d'eau libérée égale masse de polymère sec masse des réactifs − eau libérée = polymère sec
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Un lot industriel de PET est fabriqué à partir d'acide téréphtalique ($\mathrm{C_8H_6O_4}$, $M = 166,13\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'éthane-1,2-diol…

Un lot industriel de PET est fabriqué à partir d'acide téréphtalique ($\mathrm{C_8H_6O_4}$, $M = 166,13\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'éthane-1,2-diol ($\mathrm{C_2H_6O_2}$, $M = 62,07\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) en proportion équimolaire stricte ($10,00\,\text{mol}$ de chaque réactif).

  1. a) Si le procédé s'achève lorsque le degré de polymérisation moyen en nombre du mélange linéaire atteint $\bar{X}_n = 200$ (c'est-à-dire des chaînes de 200 monomères au total, 100 de chaque type, sans cyclisation), calculer la masse de polyester sec obtenue et le rendement massique du polymère par rapport à la masse initiale de réactifs.
  2. b) Justifier quel facteur thermodynamique oblige industriellement à évacuer en continu la vapeur d'eau produite, sous vide et à haute température. Donnée : $M(\mathrm{H_2O})=18{,}02\,\mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
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On synthétise un tétrapeptide linéaire de séquence $\mathrm{H_2N-Ala-Gly-Ala-Gly-COOH}$ à partir de $L$-alanine ($\mathrm{C_3H_7NO_2}$,…

On synthétise un tétrapeptide linéaire de séquence $\mathrm{H_2N-Ala-Gly-Ala-Gly-COOH}$ à partir de $L$-alanine ($\mathrm{C_3H_7NO_2}$, $M = 89,09\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et de glycine ($\mathrm{C_2H_5NO_2}$, $M = 75,07\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).

  1. a) Écrire la réaction stœchiométrique de formation du tétrapeptide, calculer sa masse molaire exacte sachant que $M(\mathrm{H_2O}) = 18,02\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$ et calculer le volume qu'occuperait, sous forme de vapeur, l'eau du bilan formel de condensation de $0,250\,\text{mol}$ de tétrapeptide, mesurée séparément à $120,0\,^\circ\text{C}$ et $1,00\,\text{atm}$ ($R = 0,082\,\text{atm}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).
  2. b) Expliquer pourquoi les protéines naturelles possèdent des propriétés catalytiques et structurales uniques qui ne peuvent être reproduites par la simple polymérisation par condensation aléatoire de leurs monomères constitutifs.
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Pour revenir à la question de départ : la masse d'un polyester ou d'un nylon n'est pas la somme des masses des monomères, car chaque liaison créée expulse une molécule d'eau de $18{,}02\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.

L'essentiel

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