Spécialité : synthétiser et purifier un amide

Cet exercice de l'enseignement de spécialité du bac S 2010 en Amérique du Sud vaut 4 points et se traite en 52 minutes environ. Il décrit un protocole réel : la synthèse du N-phénylbenzamide à partir du chlorure de benzoyle et du chlorure de N-phénylammonium, au reflux dans le toluène, suivie d'une recristallisation et d'un contrôle de pureté. C'est un exercice complet de chimie expérimentale.

Groupes caractéristiques et protocole

Dans la molécule A, le carbone porte à la fois une double liaison C=O et un groupe −OH : c'est un groupe carboxyle, celui des acides carboxyliques. Dans la molécule B, le carbone du C=O est lié à un atome d'azote : c'est un groupe amide. Il faut entourer le C=O avec son voisin, et pas le seul OH ou le seul NH. Le chauffage à reflux accélère la transformation sans perte de matière, car les vapeurs se condensent dans le réfrigérant et retombent dans le ballon. Le tableau de solubilités montre que toutes les espèces sont solubles dans le toluène : c'est le solvant de la synthèse, qui permet aux réactifs de se rencontrer en milieu homogène.

Quantités de matière et tableau d'avancement

Le chlorure de benzoyle est un liquide : sa masse se calcule par m = ρV, avec ρ = 1,21 g·cm⁻³ et V = 11,7 mL, soit 11,7 cm³ ; aucune conversion n'est nécessaire. On obtient n1 = 0,101 mol. Pour le chlorure de N-phénylammonium, n2 = 13,0/129,5 = 0,100 mol. Les nombres stœchiométriques valent 1 : le réactif limitant est celui qui donne la plus petite valeur, le chlorure de N-phénylammonium, et xmax = 0,100 mol. Le tableau de l'annexe se complète avec n1 − xmax, n2 − xmax = 0, xmax pour l'amide et 2 xmax pour le chlorure d'hydrogène.

Rendement

La formule brute du produit est C13H11NO, de masse molaire 197,0 g·mol⁻¹ ; oublier l'atome d'oxygène conduit à 181,0 g·mol⁻¹ et à un rendement faux. La masse maximale vaut 19,8 g et, avec 11,2 g isolés, le rendement est d'environ 57 %. Le corrigé conseille de garder la valeur non arrondie de xmax dans la calculatrice.

Recristallisation et contrôle de pureté

À chaud, les trois espèces du solide brut sont solubles dans le mélange éthanol-eau. À froid, seul le N-phénylbenzamide est insoluble : il cristallise, tandis que les impuretés restent dissoutes, et une filtration sépare les cristaux. La température de fusion mesurée, 162 °C, est celle indiquée dans le texte pour le produit pur : le produit recristallisé est pur, puisqu'une impureté abaisse et étale la fusion. Une autre méthode de contrôle est la chromatographie sur couche mince : le produit pur ne donne qu'une seule tache, à la même hauteur que la référence.

Conseils pour réussir

Lisez attentivement les tableaux de données : ils contiennent la réponse aux questions sur le solvant et la recristallisation. Pour un liquide, passez toujours par la masse volumique, et vérifiez la formule brute avant de calculer une masse molaire.