Élaborer des stratégies en synthèse organique

Pour chacune des molécules suivantes, identifier la (ou les) famille(s) fonctionnelle(s) présente(s).

1. CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–OH
2. CH₃–CO–CH₂–CH₃
3. CH₃–COO–C₂H₅
4. HOOC–CH₂–CH₂–CH(NH₂)–COOH (acide glutamique)
5. CH₃–CH₂–CO–NH–CH₃
6. (CH₃)₂CH–Br
7. HOCH₂–CHO (glycolaldéhyde)

On considère la formule brute C₄H₁₀O.

1. Donner toutes les formules semi-développées (ou topologiques) possibles correspondant à cette formule brute.
2. Pour chaque isomère, identifier la famille fonctionnelle et préciser le nom.
3. Classer les isomères par paires : isomères de chaîne, de position, de fonction.

Pour chacune des réactions suivantes, identifier le type (substitution, addition, élimination, oxydoréduction, acide-base).

1. CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br
2. CH₃–CH₂–OH → CH₂=CH₂ + H₂O (en milieu acide concentré)
3. CH₃–COOH + HO⁻ → CH₃–COO⁻ + H₂O
4. CH₃–CH₂–Br + HO⁻ → CH₃–CH₂–OH + Br⁻
5. CH₃–CH₂–OH + 2 [O] → CH₃–COOH + H₂O (oxydation par MnO₄⁻)

On synthétise un médicament en 4 étapes successives. Les rendements mesurés expérimentalement sont :

• Étape 1 : η₁ = 85 %
• Étape 2 : η₂ = 70 %
• Étape 3 : η₃ = 95 %
• Étape 4 : η₄ = 80 %

1. Calculer le rendement total η_tot.
2. Le chimiste cherche à doubler son rendement total. Il arrive à porter η₂ à 90 %. Recalculer η_tot. Le doublement est-il atteint ?
3. Pour produire 100 g de produit final pur, quelle masse minimale de réactif limitant initial faut-il (M = 80 g·mol⁻¹, M_produit = 200 g·mol⁻¹) avec le rendement initial puis avec le rendement amélioré ?

On souhaite oxyder l'aldéhyde du 4-hydroxybutanal HO–(CH₂)₃–CHO en acide, sans toucher à l'alcool primaire en bout de chaîne. On envisage d'utiliser MnO₄⁻ en milieu acide.

1. Quelles fonctions sont présentes dans le 4-hydroxybutanal ?
2. Sachant que MnO₄⁻ oxyde aussi bien les aldéhydes que les alcools primaires, expliquer pourquoi un traitement direct ne convient pas. Quelle molécule indésirable obtiendrait-on ?
3. Proposer une stratégie de protection / déprotection en 3 étapes (sans donner le réactif protecteur précis). Préciser la nature de chaque étape.
4. Quel devrait être le rendement total de cette stratégie pour qu'elle soit pertinente, sachant que la transformation directe (sans protection) donne un mélange séparable au mieux à 30 % ?

Pour fabriquer le chlorure d'éthanoyle CH₃–COCl (M = 78,5 g·mol⁻¹), deux voies sont possibles à partir de l'acide éthanoïque CH₃–COOH (M = 60,0 g·mol⁻¹) :

Voie A : CH₃–COOH + PCl₅ → CH₃–COCl + POCl₃ + HCl.
Données : M(PCl₅) = 208 g·mol⁻¹ ; M(POCl₃) = 153 g·mol⁻¹ ; M(HCl) = 36,5 g·mol⁻¹.

Voie B : CH₃–COOH + SOCl₂ → CH₃–COCl + SO₂ + HCl.
Données : M(SOCl₂) = 119 g·mol⁻¹ ; M(SO₂) = 64,1 g·mol⁻¹.

1. Calculer l'utilisation atomique (UA) de la voie A.
2. Calculer l'UA de la voie B.
3. Quelle voie est la plus atome-efficace ? Commenter.
4. Le SO₂ (voie B) peut être recyclé en acide sulfurique. Si on considère SO₂ comme un produit valorisé, comment évolue l'UA de la voie B ?
5. D'autres critères que l'UA peuvent guider le choix industriel. Citer-en deux.

L'aspirine (acide acétylsalicylique) est l'un des médicaments les plus produits au monde. On peut la synthétiser au laboratoire en faisant réagir de l'acide salicylique avec de l'anhydride éthanoïque :

Données : M(acide salicylique) = 138 g·mol⁻¹ ; M(anhydride éthanoïque) = 102 g·mol⁻¹ ; M(aspirine) = 180 g·mol⁻¹ ; M(acide acétique) = 60 g·mol⁻¹.

Mode opératoire : on dissout 5,0 g d'acide salicylique dans 7,0 mL d'anhydride éthanoïque (ρ = 1,08 g·mL⁻¹) en présence de quelques gouttes d'acide sulfurique (catalyseur). On chauffe à reflux 30 min, puis on précipite en versant le mélange sur de la glace pilée. On filtre sous Büchner et on recristallise dans l'éthanol. On récupère 4,8 g d'aspirine pure.

1. Identifier la fonction modifiée et le type de réaction (acide salicylique → aspirine).
2. Justifier le rôle de l'acide sulfurique et du chauffage à reflux. Lequel influence le rendement final ?
3. Calculer les quantités initiales d'acide salicylique et d'anhydride éthanoïque. Identifier le réactif limitant.
4. Calculer la masse théorique d'aspirine attendue (n_max), puis le rendement de la synthèse. Commenter.
5. Calculer l'utilisation atomique de cette synthèse, sans valorisation puis avec valorisation de l'acide acétique.
6. Pourquoi la filtration sous Büchner n'est que l'étape d'isolement, et pas de purification ? Quelle est l'étape de purification dans ce protocole ?