La synthèse d’espèces chimiques organiquesCours

I

Généralités sur la chimie de synthèse

La chimie de synthèse présente différents intérêts selon la molécule organique à synthétiser. Son efficacité est déterminée par son rendement.

A

Les intérêts de la chimie de synthèse

La chimie de synthèse a pour intérêts la formation d'une espèce chimique, qui peut être identique à une espèce déjà existante dans la nature ou totalement nouvelle.

Synthèse chimique

Une synthèse chimique est la préparation d'une espèce chimique à partir d'autres espèces chimiques, grâce à une transformation chimique.

définition synthèse chimique
Synthèse de l'acide acétylsalicylique, principe actif de l'aspirine

Les chimistes synthétisent des espèces chimiques qui existent dans la nature, pour des raisons écologiques et économiques.

Le principe actif de l'aspirine, l'acide acétylsalicylique, peut être obtenu à partir d'une espèce chimique extraite d'un arbre, le saule, mais il faudrait en abattre 2 000 par heure pour répondre aux besoins mondiaux en aspirine. Il revient donc moins cher écologiquement et économiquement de synthétiser le principe actif de l'aspirine.

Les chimistes synthétisent des espèces chimiques qui n'existent pas dans la nature, mais qui ont des propriétés ciblées.

L'atropine est une molécule extraite de la plante belladone. C'est un antispasmodique, mais avec des effets secondaires gênants. Les chimistes savent synthétiser un dérivé ayant une action plus ciblée et donc mieux supporté par l'organisme.

B

Le rendement

Le rendement d'une synthèse qui est défini comme le rapport entre la quantité de matière obtenue sur la quantité attendue permet de juger de son efficacité.

Rendement

Le rendement d'une synthèse est le rapport entre les quantités de matière ou les masses de produit effectivement obtenues sur celles attendues, calculées avec l'hypothèse d'une réaction totale. Il est généralement noté \eta et souvent exprimé par un pourcentage.

\eta = \dfrac{n_{\text{produit effectivement obtenu (mol)} }}{n_{\text{produit maximal attendu (mol)}}} = \dfrac{m_{\text{produit effectivement obtenu (g)}}}{m_{\text{produit maximal attendu (g)}}}

Si, lors d'une synthèse, la masse de produit formé est de 4,2 g, alors que la masse maximale pouvant se former est 4,8 g, le rendement de cette synthèse est :
\eta = \dfrac{m_{\text{produit effectivement obtenu (mol)}}}{m_{\text{produit maximal attendu (mol)}}}
\eta = \dfrac{4{,}2}{4{,}8}
\eta = 0{,}88
\eta= \text{88 \%}

Cette synthèse a donc un rendement de 88 %.

II

Les étapes d'une synthèse et l'analyse d'un protocole

Une synthèse chimique se réalise en suivant un protocole expérimental dont les quatre étapes sont : la transformation, l'isolement, la purification et l'analyse.

Pour certaines synthèses, les étapes d'isolement et de purification peuvent être confondues ou être réalisées en parallèle de l'étape de transformation.

A

La transformation

L'étape de transformation consiste à mélanger les réactifs afin qu'ils réagissent ensemble et forment l'espèce chimique voulue.

Lors de l'étape de transformation, le protocole doit indiquer :

  • la nature des réactifs et les quantités à introduire ;
  • la verrerie à utiliser ;
  • l'utilisation d'un dispositif de chauffage (comme le chauffage à reflux) ;
  • la durée de la réaction ;
  • éventuellement des paramètres expérimentaux (température, pH, solvant, etc.) ;
  • les consignes de sécurité.

Durant l'étape de transformation lors de la synthèse de l'acétate d'isoamyle (arôme de banane), on a :

Points Consignes
1 Introduire dans un ballon 30 mL d'alcool isoamylique et, à l'aide de gants et de lunettes, introduire avec précaution 45 mL d'acide éthanoïque pur et 1 mL d'acide sulfurique concentré.
2 Agiter le mélange à l'aide d'un agitateur magnétique et ajouter trois grains de pierre ponce pour réguler l'ébullition.
3 Adapter le réfrigérant à boule sur un ballon et fixer l'ensemble à l'aide de pinces sur une potence.
4 Mettre en route la circulation d'eau dans le réfrigérant.
5 Porter le mélange à ébullition douce à l'aide d'un chauffe-ballon rehaussé par un système élévateur.
6 Chauffer à reflux pendant 40 minutes en surveillant.
7 Couper le chauffage, baisser l'élévateur et déplacer, en utilisant des gants thermiques, le ballon pour le laisser refroidir à l'extérieur du montage sur un support en liège jusqu'à température ambiante.

On retrouve dans ce protocole les éléments à indiquer lors de l'étape de transformation.

Les masses et volumes de réactifs à prélever dépendent des quantités de matière à introduire pour réaliser l'expérience.

Chauffage à reflux

Le chauffage à reflux est une technique permettant d'accélérer une transformation chimique en augmentant la température du milieu réactionnel. Il s'effectue sans perte de matière car les vapeurs qui se forment sont condensées grâce à un réfrigérant, à air ou à eau, placé en sortie du récipient.

définition chauffage à reflux
B

L'isolement

L'étape d'isolement consiste à séparer le produit à synthétiser du reste du milieu réactionnel qui contient aussi le solvant et éventuellement des réactifs en excès et des sous-produits.

On choisit une technique adaptée à la solubilité du produit :

  • Si le produit est soluble dans le milieu réactionnel, il peut être isolé par une extraction par solvant.
  • Si le produit est partiellement insoluble dans le milieu réactionnel, il peut être isolé par filtration.

Lors de la synthèse de l'aspirine (ou acide acétyle salicylique), on effectue sa cristallisation dans de l'eau froide après l'étape de transformation. La molécule d'aspirine est partiellement insoluble dans l'eau froide. Ainsi, après y avoir ajouté de l'eau froide, il est possible d'effectuer une filtration pour l'isoler du mélange réactionnel.

Filtration

La filtration permet de séparer les espèces chimiques d'un mélange solide-liquide par passage à travers un filtre. 

On appelle filtrat le liquide filtré et résidu le solide retenu.

définition filtration
Montage de filtration simple

Pour augmenter la rapidité et l'efficacité de la filtration, il est possible de l'effectuer sous pression réduite, avec une fiole Büchner, ou fiole à vide.

filtration sous pression réduite rapidité efficacité
C

La purification

L'étape de purification consiste à débarrasser l'espèce chimique voulue des impuretés (réactif en excès, sous-produit, solvant, etc.) récupérées en même temps que le produit à synthétiser. La purification dépend de l'état physique de l'espèce chimique synthétisée.

La technique permettant de purifier le produit dépend de son état physique :

  • Si le produit est liquide, il peut être séparé des impuretés par distillation. Cette technique exploite leur différence des températures d'ébullition : l'espèce la plus volatile (de plus faible température d'ébullition) se vaporise en premier puis est condensée dans le réfrigérant à eau et est récupérée dans le distillat.
  • Si le produit est solide, il peut être séparé des impuretés par recristallisation. Cette technique exploite leur différence de solubilité à chaud et à froid dans un solvant bien choisi : le produit est dissous à chaud dans le minimum de solvant, puis le mélange est laissé à refroidir lentement. Les impuretés sont solubles à froid dans le solvant, alors que le produit cristallise et peut ainsi être récupéré par filtration.

Lors de la synthèse de l'éthanol par catalyse à partir de l'éthylène, il est possible de purifier l'éthanol par distillation, car sa température d'ébullition est de 78,4 °C et celle de l'éthylène est de 197,6 °C.

purification distillation

Dispositif d'une distillation

D

L'analyse

L'étape d'analyse consiste à vérifier que le produit synthétisé correspond bien au produit voulu et d'apprécier sa pureté. La technique d'analyse dépend des éléments dont le chimiste dispose.

La technique d'analyse dépend de ce dont on dispose.

  • Si l'on dispose d'un échantillon de référence du produit, on peut réaliser une chromatographie sur couche mince. Si le produit synthétisé est identique à l'échantillon de référence, on obtient des taches au même niveau (même rapport frontal). La présence d'impuretés se traduit alors par des taches à d'autres niveaux.
  • Si l'on connaît des caractéristiques de l'espèce chimique à synthétiser (température de fusion pour un solide, température d'ébullition pour un liquide, indice de réfraction, masse volumique, etc.), on peut réaliser la mesure d'une des caractéristiques du produit à synthétiser et la comparer avec la valeur attendue. Des impuretés se traduisent alors par une faible variation autour de la valeur attendue.
  • Si l'on peut tracer le spectre infrarouge du produit, on peut vérifier que les liaisons qui le composent correspondent bien à celles de l'espèce à synthétiser.

Lors de la synthèse de l'aspirine, on compare le produit obtenu avec un échantillon d'aspirine du commerce en effectuant une chromatographie sur couche mince. L'espèce n'étant pas colorée, on utilise une plaque sensible aux UV pour révéler le résultat.

Dispositif d'une chromatographie sur couche mince

Dispositif d'une chromatographie sur couche mince

On compare notre solution à une solution d'aspirine pure et une solution d'acide salicylique pure. Si la solution forme une tache unique à la même hauteur que l'aspirine la pureté de notre échantillon est validée. Si la tache se décompose en deux taches, une à la même hauteur que l'aspirine et l'autre à la même hauteur que l'acide salicylique, alors notre mélange contient encore de l'acide salicylique, il n'est pas encore pur.

Un banc Köfler permet la mesure de la température de fusion d'un solide. Il s'agit d'une plaque métallique chauffée à une seule de ses extrémités, en conséquence de quoi la température du banc est croissante d'une extrémiste à l'autre. Il est étalonné à l'aide de solides de températures de fusion bien connues. En déplaçant le produit sur le banc, on observe la zone où il commence à fondre et on en déduit sa température de fusion.

banc Köfler mesure température fusion solide
E

L'analyse d'un protocole de synthèse

Dans l'écriture d'un protocole de synthèse, on doit retrouver l'étape de transformation, d'isolement, de purification et d'analyse.

Pour analyser un protocole, on regroupe chaque point du protocole selon l'étape à laquelle il appartient.

Soit le protocole (simplifié) de synthèse du paracétamol par réaction entre le para-aminophénol et l'anhydride éthanoïque.

Points Consignes
1 Introduire dans un ballon : 1,0 g de para-aminophénol, 50 mL d'eau distillée et 3,5 mL d'acide éthanoïque pur.
2 Chauffer à reflux jusqu'à dissolution complète du para-aminophénol.
3 Ajouter alors 7 mL d'anhydride acétique dans le ballon.
4 Laisser chauffer à reflux pendant environ 15 minutes.
5 Refroidir le mélange dans un bain de glace : des cristaux blancs de paracétamol apparaissent lentement par cristallisation.
6 Filtrer le solide blanc sous vide sur un filtre Büchner et le rincer à l'eau préalablement refroidie.
7 Dissoudre le solide isolé dans de l'eau chaude et filtrer la solution obtenue.
8 Remettre la solution à cristalliser et isoler à nouveau le solide par filtration.
9 Sécher le paracétamol entre deux morceaux de papier filtre.
10 Préparer la cuve à chromatographie en versant l'éluant sur une hauteur de 0,5 cm environ. Reboucher la cuve.
11 Sur la plaque chromatographique, tracer un trait fin au crayon de papier à 1 cm du bord inférieur. Sur cette ligne de dépôts, repérer trois points équidistants A, P et D.
12 Déposer plusieurs fois, à l'aide de trois capillaires propres différents, une goutte de chaque solution préparée (A : para-aminophénol dans éthanol ; P : paracétamol de synthèse dans éthanol ; D : doliprane en poudre dans éthanol), sur les points A, P, et D correspondants.
13 Laisser sécher une minute. Placer la plaque dans la cuve et refermer aussitôt.
14 Laisser éluer jusqu'à ce que l'éluant arrive à 1 cm du bord supérieur.
15 Sortir la plaque, repérer le front du solvant au crayon à papier et sécher la plaque à l'aide du sèche-cheveux.
16 Révéler la plaque sous une lampe à UV et entourer les taches visibles.

 

Dans ce protocole, on retrouve bien les quatre étapes d'une synthèse.

Points du protocole

Étapes de la synthèse

1 à 4

Transformation

4 à 6

Isolement

7 à 9

Purification

10 à 16

Analyse