La chimie de synthèse permet de préparer une grande variété d'espèces chimiques. Celles-ci peuvent être identiques aux espèces naturelles ou complètement nouvelles. Le déroulement d'une synthèse, décrit dans son protocole, comprend toujours les mêmes étapes : la transformation, le traitement et l'identification.
La nécessité de la chimie de synthèse
Définition
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
Intérêts de la chimie de synthèse
Les chimistes synthétisent :
- Des espèces chimiques qui existent dans la nature, pour des raisons écologiques et économiques.
Il faudrait abattre 2000 saules 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 (l'acide acétylsalicylique).
- Des espèces chimiques qui n'existent pas dans la nature, avec 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 supportée par l'organisme.
Les étapes d'une synthèse
La transformation
Cette étape consiste à mélanger les réactifs pour obtenir l'espèce chimique voulue.
Il faut déterminer les masses ou les volumes des réactifs à prélever, connaissant leurs quantités de matière (qui découlent de celle du produit désiré). On rappelle les relations :
Masse et volume de réactifs à prélever en fonction de leurs quantités de matière
m_{\left(g\right)} = n_{\left(mol\right)} \times M_{\left(g.mol^{-1}\right)} et 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)}}
Il faut aussi choisir les conditions expérimentales (température, pression, catalyseur, solvant, etc).
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.
Montages de chauffage à reflux
Catalyseur
Un catalyseur est une espèce chimique qui, en petite quantité, accélère la vitesse d'une réaction et revient à sa forme initiale à la fin de la réaction (il n'apparaît donc pas dans l'équation de la réaction chimique).
La réaction de décomposition de l'eau oxygénée (ou peroxyde d'hydrogène : \ce{H2O2} ) peut être catalysée par les ions fer III (\ce{Fe^{3+}}). L'équation de cette réaction chimique est :
2 \ce{H2O2_{(aq)}} \ce{->} 2 \ce{H2O_{(l)}} + \ce{O2_{(g)}}
Si on le souhaite, on peut faire apparaître le rôle des ions \ce{Fe^{3+}} ainsi :
2 \ce{H2O2_{(aq)}} \ce{->[\ce{Fe^{3+}}]} 2 \ce{H2O_{(l)}} + \ce{O2_{(g)}}
La synthèse de l'acide acétylsalicylique, le principe actif de l'aspirine, peut être catalysée par les ions oxonium \ce{H3O^{+}}.
Le traitement
À la suite de la transformation, un traitement est généralement nécessaire. Il peut consister en l'ajout d'une solution acide ou basique pour neutraliser le milieu réactionnel, un abaissement de la température pour faire cristalliser une espèce chimique, etc.
Il faut ensuite isoler l'espèce chimique du milieu réactionnel :
- Par filtration, dans le cas d'un mélange solide - liquide.
- Par une extraction par solvant, dans le cas d'une espèce dissoute dans un solvant.
L'identification
Après l'extraction du produit, il faut l'identifier grâce à ses caractéristiques physiques, comme ses températures de changement d'état, son indice de réfraction, sa solubilité, sa densité, etc.
On peut aussi réaliser une chromatographie sur couche mince pour comparer le produit formé à des échantillons de référence.
Le chromatogramme suivant montre que le produit synthétisé est de la menthone.
