Préparation du chlorure de tertiobutyle : une synthèse complète en 4 points

L'exercice 3 du bac 2023 de physique-chimie en Centres étrangers 2 (jour 2) vaut 4 points, pour une durée conseillée d'environ 42 minutes. Il suit pas à pas la synthèse du chlorure de tertiobutyle à partir du tertiobutanol et d'une solution d'acide chlorhydrique : préparation de la solution, lavage, distillation, identification par spectroscopie infrarouge et calcul du rendement. Les 6 questions couvrent tout le déroulé d'une synthèse organique au laboratoire.

Le réactif et la solution acide (Q1 et Q2)

La formule topologique du tertiobutanol (2-méthylpropan-2-ol) montre un carbone central portant un méthyle et le groupe hydroxyle : la famille est celle des alcools. En formule topologique, on n'écrit ni les C ni les H portés par les carbones, mais le H du groupe −OH s'écrit toujours. La question 2 demande un protocole de dilution. Il faut d'abord calculer la concentration de l'acide commercial en raisonnant sur un litre : C₀ = w d ρ_eau / M ≈ 12 mol·L⁻¹. La conservation de la quantité de soluté donne ensuite un volume à prélever de 50 mL, avec une pipette jaugée de 50,0 mL, dilué dans une fiole jaugée de 250,0 mL. Une éprouvette ou un bécher ne sont pas assez précis, et le prélèvement ne se fait jamais directement dans le flacon. Les mesures de sécurité (gants, lunettes, hotte) font partie de la réponse.

Lavage et distillation (Q3 et Q4)

Le lavage à l'hydrogénocarbonate élimine les ions oxonium restants selon la réaction HCO₃⁻ + H₃O⁺ → CO₂ + 2 H₂O. Le gaz formé est le dioxyde de carbone, ce qui explique pourquoi il faut dégazer l'ampoule à décanter. L'ion hydrogénocarbonate est amphotère : face à H₃O⁺, il joue le rôle de base. Pour la distillation, le bon montage est le C, avec colonne, thermomètre et réfrigérant incliné. Le montage A est un chauffage à reflux, qui ne sépare rien, et le montage B une simple agitation magnétique.

Spectroscopie infrarouge (Q5)

Les deux molécules possèdent des liaisons C–H, visibles vers 2800 à 3000 cm⁻¹ sur les deux spectres. La liaison qui les distingue est O–H, présente seulement dans l'alcool. Le spectre 2 montre une bande forte et large entre 3200 et 3400 cm⁻¹ : c'est le tertiobutanol, et le spectre 1 est celui du chlorure de tertiobutyle. La méthode est générale : chercher une liaison présente dans une seule des deux molécules, puis repérer sa bande par sa position, son intensité et sa largeur.

Le rendement (Q6)

Avec 5,00 g de tertiobutanol, soit 6,76 × 10⁻² mol, face à 0,24 mol d'ions oxonium, l'alcool est le réactif limitant. La masse maximale de chlorure de tertiobutyle est de 6,25 g, et la masse recueillie de 4,45 g donne un rendement de 71,2 %. Le piège classique consiste à diviser 4,45 g par 5,00 g, alors que ces deux masses ne concernent pas la même espèce. Le rendement inférieur à 100 % s'explique par une transformation non totale et par les pertes lors des lavages, de la filtration et de la distillation.

Conseils

Cet exercice récompense la rigueur expérimentale : verrerie précise, gestes de sécurité, justification du réactif limitant. Entraînez-vous à rédiger un protocole de dilution complet, c'est une question qui revient très souvent.