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Exercices Objectif Bac
P.266-268

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Objectif
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Comprendre les attendus

29
Acide lévulinique

RAI/ANA : Construire un raisonnement
VAL : Faire preuve d’esprit critique

D'après le sujet Bac S, Liban, 2017.

L’acide lévulinique est synthétisé à partir de la cellulose présente dans les déchets agricoles.

Doc. 1
Déchets contenant de la cellulose
Déchets contenant de la cellulose

déchets agricoles contenant de la cellulose formule brute

La cellulose est une macromolécule de formule brute (C6H10O5)n\text{(C}_{6}\text{H}_{10}\text{O}_{5}\text{)}_n. Pour optimiser la synthèse de I’acide lévulinique, les chercheurs ont réalisé six synthèses en faisant varier différents paramètres.

Chaque synthèse a été réalisée sous agitation à 200 °C. Un volume d’eau V=24\text{V} = \text{24} mL contenant le catalyseur en quantité désirée a été mélangé à une masse m=1,75\text{m} = \text{1,75} g de matière première (déchets agricoles) réduite en poudre sous atmosphère inerte de diazote.

1. Citer les paramètres que les chercheurs ont fait varier pour optimiser cette synthèse.


2. Identifier le paramètre favorisant le rendement de la synthèse qui est mis en évidence dans Ies synthèses 2 et 3. Justifier.


3. Identifier le paramètre ayant une influence sur le rendement de la synthèse qui est mis en évidence par les synthèses 2 et 4. Préciser son influence.


4. Choisir le catalyseur le plus adapté en le justifiant.


5. Proposer l’expérience, parmi celles proposées, qui correspond à la synthèse de l’acide lévulinique la plus « verte » possible. Justifier.
Voir les réponses

Doc 2
Exemples de six synthèses de l’acide lévulinique

D’après Anna Maria Galetti et al.,
Levulinic Acid production from Waste Biomass, 2012.

Les matières premières utilisées pour les synthèses sont les suivantes :
    • branches d’olivier non productrices d’olives (voie 1) ;
    • sciure de peuplier (voies 2 et 3) ;
    • boues de papier (voies 4, 5 et 6).

Les catalyseurs utilisés sont l’acide chlorhydrique (voies 1, 2, 3, 4 et 5 à hauteur de 0,011 5 mol pour 1 mol de cellulose) et l’acide sulfurique (voie 6 à hauteur de 0,011 5 mol pour 1 mol de cellulose).

Synthèse 1 2 3 4 5 6
Titre massique en cellulose (%) 39,4 57,6 57,6 57,1 57,1 57,1
Irradiation
micro-ondes
Oui Non Oui Non Oui Non
Durée (min) 15 60 15 60 15 60
Rendement (%) 51 37 45,8 55,1 55,5 26,5

Données
  • Masses molaires : M(motif de la cellulose)=162,1M \text{(motif de la cellulose)} = \text{162,1} g⋅mol-1,
    M(acide leˊvulinique)=116,1M \text{(acide lévulinique)} = \text{116,1} g⋅mol-1 et
    M(acide meˊthanoı¨que)=46,0M \text{(acide méthanoïque)} = \text{46,0} g⋅mol-1
  • Masses volumiques : ρ(motif de la cellulose)=1,50\rho \text{(motif de la cellulose)} = 1{,}50 g⋅mL-1,
    ρ(acide leˊvulinique)=1,14\rho \text{(acide lévulinique)} = \text{1,14} g⋅mL-1 et
    ρ(acide meˊthanoı¨que)=1,22\rho \text{(acide méthanoïque)} = \text{1,22} g⋅mL-1

Détails du barème
TOTAL /4 pts

1. Identifier les trois paramètres qui varient dans les six synthèses.
0,5 pt
     2. Identifier le seul paramètre différent entre les synthèses 2 et 3.
    0,25 pt

3. Identifier le seul paramètre différent entre les synthèses 2 et 4.
0,25 pt

Identifier le rendement le plus important au regard du changement de ce paramètre.
0,5 pt
    4. Identifier le rendement le plus important en fonction des deux catalyseurs proposés, tous les autres paramètres restant identiques.
    0,5 pt

5. Identifier le seul principe de la chimie verte identifiable dans les propositions de synthèse.
1 pt

En déduire la synthèse la plus favorable parmi les six proposées.
1 pt

30
Synthèse de la Met-enképhaline

RAI/ANA : Construire un raisonnement
APP : Extraire l’information utile

D'après le sujet Bac S, Nouvelle-Calédonie, 2013.

La Met-enképhaline (aussi appelée TyrGlyGlyPheMet\text{Tyr} - \text{Gly} - \text{Gly} - \text{Phe} - \text{Met}) est un polypeptide construit à partir de cinq acides α\alpha‑aminés.

I. Enjeux et défis de la synthèse peptidique

1. Identifier les quatre acides α\alpha‑aminés différents nécessaires à la synthèse de la Met‑enképhaline.


2. Compléter l’équation de réaction ci‑dessous entre un acide carboxylique et une amine. Entourer et nommer le nouveau groupe caractéristique :
Cliquez sur l'équation pour l'agrandir. Une fois l'équation en plein écran, appuyez sur le bouton modifier pour la compléter.
réaction entre un acide carboxylique et une amine



3. En déduire le nombre de dipeptides susceptibles de se former en faisant réagir deux acides α\alpha-aminés différents ensemble.


II. Dernière étape de synthèse

On envisage la dernière étape de la synthèse de la Met-enképhaline à partir des deux réactifs suivants :
synthèse de la Met-enképhaline

Avec la notation simplifiée des réactifs A et B :
synthèse de la met-enképhaline

1. Donner les formules topologiques des quatre polypeptides susceptibles de se former.


2. Déduire de la question précédente quel groupe de chacun des réactifs A et B doit être protégé afin d’obtenir uniquement la Met-enképhaline.


3. Compléter la suite de transformations chimiques du doc. 3 à mettre en place afin de réaliser la dernière étape de la synthèse de la Met-enképhaline.
Voir les réponses

Doc 1
Exemple de séquence de protection-déprotection d’une fonction amine

Protection d’une fonction amine par le tert-butylcarbamate :

fonction amine par le tert-butylcarbamat

La déprotection qui permet de retrouver la fonction amine est assurée par la décomposition du produit obtenu en milieu acide à 25 °C :

déprotection qui permet de retrouver la fonction amine

Doc 2
Exemple de séquence de protection-déprotection

Protection d’une fonction acide carboxylique par estérification :

fonction acide carboxylique

Cette réaction est équilibrée. Pour que la réaction puisse être considérée comme totale, il est nécessaire d’éliminer l’eau au fur et à mesure de sa formation à l’aide d’un montage de Dean-Stark.

La déprotection de la fonction est assurée par la réaction inverse, appelée hydrolyse, à l’aide d’un catalyseur acide et d’un grand excès d’eau.

Doc 3
Suite de transformations chimiques de la dernière étape

1. Protection du réactif B.
2. Protection du réactif A.
3. Réaction entre le réactif A protégé et le réactif B protégé.
4. Déprotection du groupe amine.
5. Déprotection du groupe acide carboxylique.

31
2,5-Diméthylfurane, carburant d’avenir

APP : Maîtriser le vocabulaire du cours
VAL : Respecter le nombre de chiffres significatifs

D’après le sujet zéro de première pour le Bac 2021, Éduscol.

À eux seuls, les transports représentent un quart de la consommation d’énergie et un quart des émissions de gaz à effet de serre en France. De nombreuses recherches sont conduites pour produire des carburants de substitution aux carburants conventionnels issus du pétrole.

Ainsi des « agrocarburants » sont produits à partir de matière organique d’origine végétale : c’est le cas du « bioéthanol » qui est de l’éthanol obtenu par transformation de glucides issus de la betterave, du blé ou du maïs. Les glucides sont élaborés par les plantes lors de la photosynthèse à partir du dioxyde de carbone et de l’eau, en utilisant l’énergie des rayonnements solaires.

Ainsi l’équation de la réaction de photosynthèse du fructose de formule brute C6H12O6\text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6} s’écrit :

6 CO2(g)\text{6 CO}_2 \text{(g)} + 6 H2O(l) + \text{ 6 H}_2\text{O} \text{(l)} C6H12O6(aq)\rightleftarrows \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \text{(aq)} + 6 O2(g)+ \text{ 6 O}_2 \text{(g)}

Cet exercice s’intéresse à une espèce chimique prometteuse synthétisée à partir du fructose : le 2,5‑diméthylfurane, noté DMF.

1. Donner la nature de chacune des trois étapes du protocole de synthèse du HMF à l’aide de l’un des éléments de la liste suivante : transformation du ou des réactifs, isolement du produit synthétisé, purification du produit synthétisé.


2. Repérer dans le protocole expérimental les transformations physiques pour lesquelles un apport d’énergie est nécessaire.


3. Déterminer la valeur de la masse molaire moléculaire du HMF.


4. En supposant que le solide obtenu est du HMF pur, déterminer le rendement de la synthèse du HMF à partir du fructose.


Données
  • Masses molaires atomiques : M(C)=12,0M \text{(C)} = \text{12,0} g⋅mol-1,
    M(O)=116,1M \text{(O)} = \text{116,1} g⋅mol-1, M(H)=1,0M \text{(H)} = \text{1,0} g⋅mol-1 et M(N)=14,0M \text{(N)} = \text{14,0} g⋅mol-1
  • Masses molaires moléculaires : M(fructose)=180,2M \text{(fructose)} = \text{180,2} g⋅mol-1 et M(DMF)=96,1M \text{(DMF)} = \text{96,1} g⋅mol-1


bioethanol
Voir les réponses

Doc. 1
Extrait du cahier de laboratoire

Étapes de la synthèse du produit intermédiaire HMF réalisée à partir du fructose :

Étape 1 : introduction dans un ballon monocol rodé de 50 mL de 1,040 g de fructose, 600 μL d’eau ainsi que les catalyseurs : 150 mg de résine Amberlyst 15TM et 3 g de TEAB. Les catalyseurs sont ajoutés pour rendre plus rapide la transformation du fructose en HMF. Réalisation d’un montage à reflux, puis chauffage au bain‑marie à l’ébullition.

Étape 2 : une fois la transformation terminée, l’eau est vaporisée à l’aide d’un évaporateur rotatif.

Étape 3 : ajout au milieu réactionnel d’éthanol et d’éthanoate d’éthyle dans lesquels le HMF est soluble, alors que la résine Amberlyst et le TEAB ne le sont pas. Une filtration permet de retirer la résine Amberlyst et le TEAB du milieu réactionnel. Le filtrat est récupéré, il contient de l’éthanol et de l’éthanoate d’éthyle dans lequel est dissous le HMF. Les solvants du filtrat sont éliminés par vaporisation à l’aide de l’évaporateur rotatif. La masse du solide obtenu est égale à m=672\text{m} = \text{672} mg.

Doc. 2
Synthèse du 2,5‑diméthylfurane

La synthèse chimique du 2,5‑diméthylfurane (noté DMF) à partir du fructose est représentée ci‑dessous :

2,5-diméthylfurane à partir du fructose

Elle comporte deux transformations successives, la première conduisant à la synthèse d’un produit intermédiaire, le 5‑hydroxyméthylfurfural noté HMF.
L’équation de la réaction de synthèse du produit intermédiaire, HMF, à partir du fructose est la suivante :

déprotection 2,5-diméthylfurane
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