Synthèse du paracétamol : du mécanisme au protocole

Premier exercice du sujet du bac S 2014 des centres étrangers, cet exercice de 9 points, prévu pour environ 1 h 30, porte sur la synthèse du paracétamol à partir du para-aminophénol et de l'anhydride éthanoïque. Il couvre presque tout le chapitre de chimie organique : reconnaissance des groupes caractéristiques, mécanisme réactionnel, sélectivité, puis justification d'un protocole expérimental et calcul d'une masse maximale de produit.

Groupes caractéristiques et sites donneurs

La question 1 demande d'entourer les groupes des deux molécules. Le para-aminophénol porte un groupe hydroxyle et un groupe amino ; le paracétamol porte un groupe hydroxyle et un groupe amide. Le piège classique consiste à séparer N-H et C=O dans le paracétamol pour répondre « amine et cétone » : un azote lié directement au carbone d'un C=O forme un seul groupe, le groupe amide. À la question 2, les électronégativités données (N 3,04 ; O 3,44 ; C 2,55 ; H 2,20) justifient que l'azote et l'oxygène, porteurs de doublets non liants et de charges partielles négatives, sont les deux sites donneurs.

Flèches courbes et catégories de réactions

La question 3.1 est le cœur du mécanisme. Une première flèche part du doublet non liant de l'azote et pointe vers le carbone δ+ de l'anhydride ; une seconde fait basculer un doublet de la liaison C=O sur l'oxygène, car le carbone ne peut pas s'entourer de plus de quatre doublets. Une flèche courbe part toujours d'un doublet et arrive sur le site accepteur : la dessiner du carbone vers l'azote est l'erreur à éviter. La question 3.2 identifie ensuite une addition, une élimination et une réaction acide-base, en jugeant chaque étape séparément.

Une réaction sélective

Les questions 4.1 et 4.2 imaginent l'attaque par l'oxygène du groupe hydroxyle : on obtiendrait un ester E, isomère du paracétamol, dont le groupe amino reste intact. Comme seul le paracétamol est obtenu, la question 5 conclut que la réaction est sélective : l'anhydride éthanoïque ne réagit ici qu'avec le groupe amino.

Justifier un protocole

La question 6.1 nomme les cinq phases : dissolution, transformation, isolement, purification par recristallisation, analyse par CCM. La question 6.2 demande un texte argumenté. La clé est le tableau de solubilités : le paracétamol est très soluble à 100 °C (250 g par litre) et peu soluble à 20 °C (10 g par litre), alors que l'acide éthanoïque reste soluble à toute température. Le bain glacé fait donc cristalliser le produit, la filtration sur Büchner le sépare, et la recristallisation dans un minimum d'eau laisse les impuretés en solution. Le séchage à 80 °C, bien en dessous de la température de fusion de 168 °C, ne fait pas fondre le solide. Justifier, c'est relier chaque geste à une donnée, sans recopier le protocole.

Réactif limitant et masse maximale

La question 6.3 compare les quantités initiales : 2,5 × 10⁻² mol de para-aminophénol et 3,7 × 10⁻² mol d'anhydride, calculée avec la masse volumique déduite de la densité. Le para-aminophénol est limitant et la masse maximale de paracétamol vaut 3,7 g. Le corrigé signale un piège d'arrondi : repartir de la valeur arrondie de la quantité de matière donne 3,8 g, il faut garder la valeur non arrondie dans la calculatrice.

Conseils pour réussir

Cet exercice récompense la rigueur du vocabulaire et la qualité de la rédaction. Révisez les familles de composés, la règle des flèches courbes et les étapes d'une synthèse. Pour la question ouverte sur le protocole, citez les valeurs du tableau. Pour le calcul final, suivez toujours le même ordre : quantités initiales, réactif limitant, puis masse de produit avec deux chiffres significatifs.