Synthèse d’espèces chimiques organiquesCours

 

Notions

À savoir

Calcul des quantités de matière

  • À partir du nombre d'entités N d'un corps pur :

n =\dfrac{N}{N_A} • À partir de la masse m ou d'un volume V d'un solide ou liquide de masse volumique \mu et de masse molaire M

n =\dfrac{m}{M}

n = \dfrac{\mu \times V}{M}

 
  • À partir du volume V d'un gaz \mu :

n =\dfrac{V}{V_m}

Extraction par solvant

Technique qui permet d'extraire une entité dissoute dans un solvant en ajoutant un solvant extracteur.

Elle a lieu dans une ampoule à décanter et nécessite de choisir un solvant extracteur tel que : 

  • l'espèce à extraire doit être davantage soluble dans le solvant extracteur que dans le solvant initial ;
  • le solvant initial et le solvant extracteur ne doivent pas être miscibles, afin qu'on puisse les séparer. 

Si plusieurs choix sont possibles, le solvant extracteur doit être le moins nocif possible.

Lois de conservation (équation de réaction chimique)

Une équation de la réaction chimique doit respecter les lois de la conservation des éléments chimiques et de la charge électrique.

Proportions stœchiométriques

Proportions pour lesquelles les deux réactifs sont totalement consommés.

Pour une réaction chimique d'équation du type :

Extraction par solvant

Extraction par solvant

I

Intérêts de la chimie de synthèse

La chimie de synthèse a pour objectif 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.

Synthèse de l'acide acétylsalicylique, principe actif de l'aspirine

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.

  • 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.

II

Les étapes d'une synthèse

Une synthèse chimique se réalise en suivant un protocole expérimental qui définit l'ensemble des étapes et manipulations associées dans un ordre chronologique afin de produire une molécule spécifique.

Le protocole expérimental d'une synthèse chimique fait toujours intervenir les mêmes étapes : la transformation, l'isolement, la purification et l'analyse.

A

La transformation

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

 

Le protocole doit alors 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...)
  • Les consignes de sécurité

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.

-

Les masses et volumes de réactifs à prélever dépendent des quantités de matière à introduire.

Masse et volume de réactifs à prélever en fonction de leurs quantités de matière (rappels)

\displaystyle{m_{\left(g\right)} = n_{\left(mol\right)} \times M_{\left(g·mol^{–1}\right)}}

et 

\displaystyle{V_{\left(L\right)} = \dfrac{n_{\left(mol\right)} \times M_{\left(g·mol^{–1}\right)}}{\rho_{\left(g·L^{–1}\right)}} = \dfrac{n_{\left(mol\right)} \times M_{\left(g·mol^{–1}\right)}}{d \times \rho_{eau \left(g·L^{–1}\right)}}}

B

L'isolement

À la suite de la transformation, il est nécessaire d'isoler 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

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.

Montage de filtration simple

Montage de filtration simple

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

-
C

La purification

Après l'isolement, il est possible que des impuretés (réactif en excès, sous-produit, solvant...) aient été récupérées en même temps que le produit à synthétiser.

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.
Dispositif d'une distillation

Dispositif d'une distillation

  • 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. 
D

L'analyse

En fin de synthèse, il est nécessaire d'analyser le produit pour vérifier que le produit synthétisé correspond bien au produit voulu et apprécier sa pureté. 

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 tâches au même niveau (même rapport frontal). Des impuretés se traduisent alors par des tâches à d'autres niveaux.
Dispositif d'une chromatographie sur couche mince

Dispositif d'une chromatographie sur couche mince

  • 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...), 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.

La mesure de la température de fusion d'un solide se réalise à l'aide d'un banc Köfler.

Il s'agit d'une plaque métallique chauffée à une seule de ses extrémités, en conséquence de quoi un gradient de température s'installe (une température croissante d'une extrémité du banc à l'autre). 

Il doit être 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

-
E

Exemple

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

Introduire dans un ballon : 1,0 g de para-aminophénol, 50 mL d'eau distillée et 3,5 mL d'acide éthanoïque pur.

Chauffer à reflux jusqu'à dissolution complète du para-aminophénol.

Ajouter alors 7 mL d'anhydride acétique dans le ballon.

Laisser chauffer à reflux pendant environ 15 minutes.

Refroidir le mélange dans un bain de glace : des cristaux blancs de paracétamol apparaissent lentement par cristallisation.

Filtrer le solide blanc sous vide sur un filtre Büchner et le rincer à l'eau préalablement refroidie.

Dissoudre le solide isolé dans de l'eau chaude et filtrer la solution obtenue.

Remettre la solution à cristalliser et isoler à nouveau le solide par filtration.

Sécher le paracétamol entre deux morceaux de papier filtre.

Préparer la cuve à chromatographie en versant l'éluant sur une hauteur de 0,5 cm environ. Reboucher la cuve.

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.

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.

Laisser sécher une minute. Placer la plaque dans la cuve et refermer aussitôt.

Laisser éluer jusqu'à ce que l'éluant arrive à 1 cm du bord supérieur. 

Sortir la plaque, repérer le front du solvant au crayon à papier et sécher la plaque à l'aide du sèche-cheveux.

Révéler la plaque sous une lampe à U.V. 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

III

Le rendement d'une synthèse

L'efficacité d'une synthèse est quantifiée par son rendement.

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 η et souvent exprimé par un pourcentage.

\displaystyle{\eta = \dfrac{n_{produit-effectivement-obtenu \left(mol\right)}}{n_{produit-maximal-attendu\left(mol\right)}} = \dfrac{m_{produit-effectivement-obtenu \left(g\right)}}{m_{produit-maximal-attendu \left(g\right)}} }

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 :

\displaystyle{\eta = \dfrac{m_{produit-effectivement-obtenu \left(mol\right)}}{m_{produit-maximal-attendu\left(mol\right)}} = \dfrac{4,2}{4,8} = 0,88 = 88}\%

IV

Récapitulatif

Étapes d'une synthèse

Une synthèse chimique fait toujours intervenir les mêmes étapes : 

  • Transformation : les réactifs sont mélangés
  • Isolement : le produit est isolé du mélange réactionnel (par extraction par solvant ou filtration)
  • Purification : on supprime les impuretés (par distillation ou recristallisation)
  • Analyse : on vérifie que le produit obtenu est bien celui désiré (chromatographie sur couche mince, mesure d'une caractéristiques ou spectre IR).

Chauffage à reflux

Technique permettant d'accélérer une transformation chimique en augmentant la température du milieu réactionnel. 

Il s'effectue sans perte de matière (les vapeurs sont condensées grâce à un réfrigérant à air ou à eau).

Filtration sous pression réduite ou Büchner

Filtration plus rapide et efficace mettant à profit l'aspiration de l'air dans une fiole Büchner, ou fiole à vide.

Rendement d'une synthèse

 

\displaystyle{\eta = \dfrac{n_{produit-effectivement-obtenu \left(mol\right)}}{n_{produit-maximal-attendu\left(mol\right)}} = \dfrac{m_{produit-effectivement-obtenu \left(g\right)}}{m_{produit-maximal-attendu \left(g\right)}} }

Il est généralement exprimé par un pourcentage.