Synthèse du méthacrylate de méthyle (MAM). Bac S Amérique du nord 2014

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La molécule de MAM.
Ecrire la formule semi-développée, entourer le groupe caractéristique et nommer la famille chimique associée.

Cette molécule possède-t-elle des stéréoisomères ? Justifier.
Il n'y a pas d'atome de carbone asymétrique ; la double liaison carbone-carbone ne présente pas d'isomérie Z/E.
Cette molécule ne possède pas de stéréoisomères.
Synthèse par le procédé MGC.


Les déshydratations qui conduisent au MAM et à l'acide cyanhydrique s'effectuent vers 500°C.
D'après la thèse de L. Zair, Lille1, 2003.

Associer aux réactions A, C et D une catégorie de réaction. Justifier.
A) Addition : une liaison multiple disparaît au profit de deux liaisons simples ; à partir de deux molécules on en obtient une seule.
C) Substitution : le groupe NH2 est remplacé par le groupe O-CH3.
D) Elimination d'une molécule d'eau, une double liaison C=C est créée.
Le mécanisme réactionnel de la réaction A débute par l'étape suivante.
Ajouter les doublets libres manquants et représenter les flèches courbes en justifiant leur orientation.

L'atome de carbone du carbonyle est déficitaire en électron ( site accepteur ) du fait de l'électronégativité de l'oxygène.
L'atome de carbone de l'ion cyanure est excédentaire en électron ( site donneur). Les flèches courbes traduisent un déplacement de doublet d'électrons. Elles partent du site donneur et aboutissent au site accepteur.




La spectroscopie IR permet-elle de différencier les trois espèces suivantes : propanone, méthanoate de méthyle et MAM ?
Propanone : pic vers 1711 cm-1 du à la liaison C=O.
Méthanoate de méthyle :
pic vers 1711 cm-1 du à la liaison C=O et pic entre 1050 et 1450 cm-1 du à la liaison Ctéra-O.
MAM :
pic vers 1711 cm-1 du à la liaison C=O ; pic entre 1050 et 1450 cm-1 du à la liaison Ctéra-O et pic vers 1650 cm-1 du à la liaison C=C.
La spectroscopie IR permet de différencier ces trois molécules.
La spectroscopie RMN permet-elle de les différencier ? Justifier avec l'allure des spectres obtenus.
La spectroscopie RMN permet de différencier ces trois molécules.




En quoi, l'une ou l'autre des deux spectroscopies apportent-elles des informations permettant de valider le procédé ?
IR : apparition d'un nouveau pic vers 1650 cm-1.
RMN : apparition du pic des protons éthyléniques entre 5 et 6 ppm.
Déterminer la masse de réactif nécessaire à la production d'une tonne de MAM.
Les réactions chimiques sont supposées totales.

n(MAM) = 1000 / 0,1 = 1,0 104 mol ;  m(propanone) = 1,0 104 *M(propanone) =1,0 104 *58 = 5,8 105 g = 0,58 t.
n(HCN) =27 g/mol ; m(HCN) =
1,0 104 *27 = 2,7 105 g = 0,27 t.
n(méthanoate de méthyle) =
1,0 104 60 = 6,0 105 g = 0,60 t.

Synthèse par le procédé ACH.

Rendement : 85 à 95 %.
1 t de MAM produit 2,2 t d'hydrogénosulfate d'ammonium difficile à valoriser. Le transport du cyanure d'hydrogène toxique est interdit.
Synthèse par le procédé isobutène.

Rendement de la première  étape  ~90 %; rendement de la seconde étape ~78 % ; la réaction s'effectue entre 290 et 365°C.
Les économies d'atomes sont égales à 0,465 pour le procédé ACH et 0,690 pour le procédé MGC.
Déterminer la valeur de l'économie d'atomes pour le procédé isobutène.
M(isobutène) = 56,0 g/mol. M(méthanol) = 32,0 g/mol. M(MAM) =100,0 g/mol.
EA = M(MAM) / (M(isobutène) +1,5 M(O2) +M(méthanol) =100 / (56+48+32) =0,74.
Plus cette valeur se rapproche de 1, plus le procédé est efficace en matière d'économie d'atomes et génère moins de déchets.
La synthèse par le procédé isobutène respecte le mieux l'environnement.
Comparer les trois procédés et conclure si l'un d'eux peut être privilégié du point de vue du respect des principes de la chimie verte.
Production de déchets. Pour une tonne de MAM produite.
Procédé MGC : m(méthanamide) = 1,0 104 *M(méthanamide) = 0,45 t.
Procédé ACH : 2,2 t.
Procédé isobutène : 0.
Economie d'atomes.
Procédé MGC : 0,69. Procédé ACH : 0,46. Procédé isobutène : 0,74.
Utilisation ou création de substances toxiques :
Procédé MGC : utilisation HCN. Procédé ACH : utilisation HCN, acide sulfurique et méthanol. Procédé isobutène : utilisation méthanol.
Besoins énergétiques :
Procédé MGC : température 500°C pour certaines étapes. Procédé isobutène : température ~300°C.
Le procédé ACH est à exclure : production importante de déchets, utilisation de produit toxique, faible économie d'atomes.
Pour les deux autres procédés, l'économie d'atomes est comparable, les besoins énergétiques sont voisins. Par contre le procédé MGC produit des déchets.
Le procédé isobutène respecte le mieux les principes de la chimie verte.




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