Corrigé interactif · 6 questions
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Cherche d'abord la question sur le sujet, puis compare avec ce qu'il faut écrire sur ta copie.
Q1Recopier les formules de l'acide gallique et du gallate de propyle, entourer les groupes caractéristiques modifiés lors de la transformation et nommer les familles fonctionnelles correspondantes.
Les deux formules sont recopiées sur la figure ; le seul groupe qui change est celui porté par le carbone lié au cycle.
- Acide gallique : groupe carboxyle −COOH, famille des acides carboxyliques.
- Gallate de propyle : groupe ester −COO−C, famille des esters.
Le groupe carboxyle (acide carboxylique) est transformé en groupe ester (ester).
Formules recopiées : groupes caractéristiques modifiés entourés en orangeTu avais trouvé ?
Q2Représenter sur l'annexe les flèches courbes de l'acte élémentaire correspondant à l'étape 3 du mécanisme, en justifiant leur sens.
Une flèche courbe part d'un doublet d'électrons (site donneur) et pointe vers un site accepteur.
- Flèche 1 : elle part d'un doublet non liant de l'atome O du groupe O−H situé à droite, riche en électrons, et arrive sur l'atome H lié à l'oxygène chargé +, pauvre en électrons. Une liaison O−H se forme.
- Flèche 2 : l'atome H ne peut former qu'une liaison. Le doublet liant entre cet atome H et l'oxygène chargé + se rabat sur cet oxygène : la liaison se rompt, l'oxygène récupère un doublet non liant et perd sa charge.
Deux flèches : doublet non liant de O vers H, puis doublet liant O−H vers l'oxygène chargé + (voir l'annexe complétée).
Annexe complétée : flèches courbes de l'étape 3 en orangeTu avais trouvé ?
Q3Représenter le schéma de Lewis de l'espèce chimique A obtenue lors de l'étape 4 et justifier le qualificatif d'intermédiaire réactionnel donné à cette entité.
Indice Contrôler le schéma par deux bilans. Atomes : A contient tous les atomes du réactif sauf ceux de HX2O. Charge : le réactif porte une charge + et l'eau est neutre, donc A porte une charge +.
D'après les flèches de l'étape 4, la liaison entre C et l'oxygène chargé + se rompt (départ de HX2O) et un doublet non liant de l'oxygène du haut forme une seconde liaison avec C.
Dans A, cet oxygène est donc doublement lié à C, reste lié à H, ne garde qu'un doublet non liant et porte la charge +. L'oxygène lié à CX3HX7 conserve ses deux doublets non liants.
A est produite à l'étape 4 puis consommée à l'étape 5 : elle n'apparaît pas dans l'équation de la réaction.
A est l'espèce RX1−C(OH)−O−CX3HX7 chargée + (schéma ci-dessous) ; formée puis consommée au cours du mécanisme, c'est un intermédiaire réactionnel.
Schéma de Lewis de l'espèce ATu avais trouvé ?
Q4Indiquer le rôle joué par les ions hydrogène HX+ lors de cette transformation.
Les ions HX+ sont écrits au-dessus de la flèche : ils ne figurent ni parmi les réactifs ni parmi les produits de l'équation. Consommés au début du mécanisme, ils sont régénérés à la fin.
Les ions HX+ sont un catalyseur : ils augmentent la vitesse de la transformation sans modifier son bilan.
Tu avais trouvé ?
Q5Indiquer l'intérêt d'introduire en excès le propan-1-ol.
La transformation n'est pas totale : les étapes du mécanisme sont écrites avec des doubles flèches et le rendement n'est que de 60 %. Mettre un réactif en excès déplace l'équilibre dans le sens direct, celui de la formation de l'ester.
L'excès de propan-1-ol augmente le rendement de la synthèse : une plus grande part de l'acide gallique, réactif limitant, est transformée.
Tu avais trouvé ?
Q6Déterminer la masse d'acide gallique nécessaire pour obtenir 500 litres d'huile possédant la teneur maximale en conservateur autorisée par la réglementation. Commenter le résultat.
Données utiles teneur maximale t=200 mg⋅kg−1 ; V=500 L ; ρhuile=0,91 kg⋅L−1 ; M1=170,1 g⋅mol−1 ; M2=212,2 g⋅mol−1 ; rendement η=60 %
Indice Question ouverte : annoncer le plan avant de calculer (masse d'huile, masse d'ester, quantité d'ester, quantité d'acide, masse d'acide). Chaque étape correctement posée rapporte des points, même si le résultat final manque.
Masse d'huile : mhuile=ρhuile×V=0,91×500=455 kg.
Masse de gallate de propyle à obtenir : m2=t×mhuile=200×10−3×455=91 g.
Quantité de matière correspondante : n2=M2m2=212,291=0,429 mol.
Le propan-1-ol est en excès : l'acide gallique est le réactif limitant. D'après l'équation, une mole d'acide donnerait au maximum une mole d'ester, donc nmax=n1. Avec le rendement η=nmaxn2 :
n1=ηn2=0,600,429=0,715 mol
m1=n1×M1=0,715×170,1=1,2×102 g
Commentaire : environ 120 g d'acide gallique suffisent pour traiter 455 kg d'huile. Le conservateur agit à très faible teneur (0,020 % en masse). Cette masse est un maximum : en utiliser davantage ferait dépasser la limite réglementaire.
m1=ηM2ρhuileVtM1≈1,2×102 g, soit environ 0,12 kg d'acide gallique.
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Synthétiser un conservateur : un exercice de 4 points
Le troisième exercice du bac 2024 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 1) vaut 4 points, soit une quarantaine de minutes. Il porte sur le gallate de propyle, un conservateur ajouté aux huiles, obtenu à partir de l'acide gallique et du propan-1-ol en présence d'ions H+. Les 6 questions couvrent la synthèse organique de terminale : groupes caractéristiques, mécanisme réactionnel, catalyse, optimisation du rendement et calcul de masse.
Groupes caractéristiques (Q1)
Le seul groupe modifié est celui porté par le carbone lié au cycle : le groupe carboxyle de l'acide gallique, de la famille des acides carboxyliques, devient un groupe ester, de la famille des esters. Les trois groupes hydroxyle du cycle sont identiques dans les deux molécules : il ne faut pas les entourer. Attention aussi à ne pas confondre le nom du groupe et celui de la famille.
Flèches courbes et intermédiaire réactionnel (Q2 et Q3)
Une flèche courbe part toujours d'un doublet d'électrons et pointe vers un site accepteur. À l'étape 3, un doublet non liant d'un atome d'oxygène attaque l'atome H lié à l'oxygène chargé positivement, puis le doublet de la liaison O-H se rabat sur cet oxygène. Le bilan est le transfert d'un ion H+, qui prépare le départ d'une molécule d'eau. Faire partir une flèche de l'atome H ou de la charge positive est une erreur. L'espèce A formée à l'étape 4 porte un oxygène doublement lié au carbone, lié à H, avec un seul doublet non liant et la charge positive. Formée puis consommée à l'étape suivante, elle n'apparaît pas dans l'équation : c'est un intermédiaire réactionnel. Un double bilan, sur les atomes et sur la charge, permet de contrôler le schéma de Lewis.
Catalyseur et réactif en excès (Q4 et Q5)
Les ions H+, écrits au-dessus de la flèche, sont consommés au début du mécanisme et régénérés à la fin : ce sont des catalyseurs. Ils accélèrent la transformation sans modifier son état final ; écrire qu'un catalyseur améliore le rendement est faux. La transformation n'étant pas totale, introduire le propan-1-ol en excès déplace l'équilibre vers la formation de l'ester et augmente le rendement. L'autre levier au programme consiste à éliminer un produit au fur et à mesure de sa formation.
Masse d'acide gallique (Q6)
Cette question ouverte se traite en cinq étapes à annoncer : masse d'huile (455 kg), masse de gallate de propyle autorisée (91 g), quantité d'ester (0,429 mol), quantité d'acide gallique en tenant compte du rendement de 60 % (0,715 mol), puis masse d'acide, environ 1,2 × 102 g. Le piège est de multiplier par 0,60 au lieu de diviser : la quantité d'acide doit être supérieure à celle d'ester. Le commentaire attendu souligne la très faible teneur en conservateur et le fait que cette masse est un maximum réglementaire.
Conseils pour cet exercice
Sur les mécanismes, vérifiez l'origine de chaque flèche avant de la tracer. Dans le calcul final, gardez un chiffre de plus pour les valeurs intermédiaires et arrondissez le résultat à deux chiffres significatifs. Chaque étape posée correctement rapporte des points, même si le résultat final manque.