Chapitre 17 : Stratégie de la synthèse organique

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1 Chapitre 17 : Stratégie de la synthèse organique Notions et contenus Protocole de synthèse organique : - identification des réactifs, du solvant, du catalyseur, des produits ; - détermination des quantités des espèces mises en jeu, du réactif limitant ; - choix des paramètres expérimentaux : température, solvant, durée de la réaction, ph ; - choix du montage, de la technique de purification, de l analyse du produit ; - calcul d un rendement ; - aspects liés à la sécurité ; - coûts. Sélectivité en chimie organique Composé polyfonctionnel : réactif chimiosélectif, protection de fonctions. Compétences exigibles Effectuer une analyse critique de protocoles expérimentaux pour identifier les espèces mises en jeu, leurs quantités et les paramètres expérimentaux. Justifier le choix des techniques de synthèse et d analyse utilisées. Comparer les avantages et les inconvénients de deux protocoles. Extraire et exploiter des informations : - sur l'utilisation de réactifs chimiosélectifs, - sur la protection d une fonction dans le cas de la synthèse peptidique, pour mettre en évidence le caractère sélectif ou non d une réaction. Pratiquer une démarche expérimentale pour synthétiser une molécule organique d intérêt biologique à partir d un protocole. Identifier des réactifs et des produits à l aide de spectres et de tables fournis. 1

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4 I. Les étapes d une synthèse organique au laboratoire Une synthèse au laboratoire de chimie organique se déroule toujours en trois temps : 1) la réaction de synthèse 2) la séparation et la purification des produits 3) l'analyse 1) La réaction de synthèse C est l étape où la réaction chimique a lieu. Son équation chimique pourrait être, par exemple, A + B 2P + Q Très généralement, l un des réactifs, A, est un composé organique de haute valeur ajoutée. B est souvent un réactif de moindre valeur, organique ou minéral, introduit en excès plus ou moins large, afin qu il ne soit pas limitant. A et B sont souvent dissouts dans un solvant, introduits dans un montage adapté (montage à reflux par exemple), portés à la température requise et on laisse la réaction se dérouler (typiquement de quelques minutes à plusieurs heures ). 2) La séparation et la purification des produits Elle consiste à isoler le ou les produits que l on a synthétisés. Dans notre exemple, le produit organique intéressant est noté P. En fin de réaction, il faut l isoler du A qui n aurait pas réagi, de l excès de B, des sous-produits Q, des éventuelles impuretés dues à des réactions indésirables et éliminer le solvant. Pour cela, de nombreuses techniques sont employées : on utilise selon les cas l extraction liquide/liquide, la filtration (souvent sous vide sur büchner), l évaporation du solvant grâce à l évaporateur rotatif Après cette séparation, une purification supplémentaire peut être nécessaire. Si P est un liquide, on peut procéder à une distillation ; si c est un solide, à une recristallisation 3) L analyse L analyse a pour but de répondre à deux questions : Quoi? Combien? Quoi? Il faut s assurer que le produit que l on obtient est bien le produit attendu et qu il est pur. Pour vérifier la pureté d un produit, on peut mesurer son point de fusion si c est un solide, son indice de réfraction si c est un liquide, et comparer les résultats aux données de la littérature. Par ailleurs, l analyse spectroscopique (UV-Visible, IR, RMN ) est un outil puissant pour établir la structure d un produit. Combien? En utilisant une balance de précision, on détermine la quantité de produit isolé. On peut alors calculer le rendement de la synthèse. 4

5 II. Le calcul d un rendement On appelle rendement de la synthèse le rapport entre la quantité de P effectivement obtenue n P et la quantité maximale théorique n MAX : N.B. 0 ρ 1, mais on le multiplie en général par 100 pour donner le résultat sous forme d un pourcentage. III. Quelques techniques de base Les techniques mis en œuvre dépendent principalement des caractéristiques physico-chimiques des espèces chimiques présentes. 1. Le dispositif de chauffage à reflux Il permet d éviter les pertes de matière par évaporation, les vapeurs se condensent dans le réfrigérant Eau froide Ballon et chauffe-ballon Agitateur magnétique chauffant Montage à reflux avec réfrigérant à eau Montage à reflux avec réfrigérant à air 5

6 2. Les extractions Isoler du mélange réactionnel le produit brut. Extraction liquide-liquide : on utilise une ampoule à décanter, extraire une espèce dissoute dans un mélange à l aide d un solvant extracteur. La cristallisation : extraire une espèce solide dissoute dans un mélange. Par modification du ph ou de la température, on diminue la solubilité de l espèce qui précipite. Sa récupération se fait à l aide du filtre Büchner. 3. La purification Eliminer les impuretés contenues dans le produit brut afin d obtenir le produit de synthèse à l état pur. Distillation : extraire le produit d un mélange homogène Recristallisation : purifier le produit solide en le dissolvant dans un solvant, en refroidissant, le produit pur cristallise, les impuretés restent sous forme liquide dans le solvant. thermomètre réfrigérant à eau ballon feuilles de menthe, eau et pierre ponce chauffe-ballon 1 2 erlenmeyer distillat Distillation fractionnée (colonne de Vigreux) Distillations simple 6

7 4. Les méthodes d analyse Identifier l espèce synthétisée et déterminer son degré de pureté. Front de l'éluant Ligne de dépôt B A x A x B X Température de fusion au banc Köfler Identification par chromatographie sur couche mince CCM Analyse spectroscopique UV C5H13N Analyse spectroscopique IR Analyse spectroscopique RMN 7

8 IV. Sélectivité en chimie organique 1. Un réactif est chimiosélectif s il ne réagit qu avec un groupe d atomes caractéristique (ou fonction organique) 2. Protection de fonction Cette autre possibilité d orienter une réaction consiste à protéger les groupes d atomes caractéristiques que l on ne veut pas faire réagir. Une fois la réaction terminée, une déprotection des groupes est effectuée. 8

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16 LA CHROMATOGRAPHIE I. Son rôle : - vérifier qu'une substance est pure. - analyser un mélange. - reconnaître les substances constituant un mélange par comparaison. II. Principe de la méthode La chromatographie est une méthode physique de séparation basée sur la différence d'affinité d'un corps pur vis à vis de deux phases, l'une de ces phases étant stationnaire, l'autre mobile. Les phénomènes mis en jeu différent selon les phases utilisées. On distingue ainsi différents types de chromatographie. III. La chromatographie de partage C est le cas de la chromatographie sur papier. La chromatographie de partage est basée, comme l extraction liquide-liquide, sur la différence de solubilité des espèces entre deux phases : la phase stationnaire formée par l eau liée aux molécules de cellulose du papier ; la phase mobile constituée d un mélange liquide de solvants qui migrent par capillarité dans le papier, entraînant les espèces déposées sur celui-ci. Les espèces les plus solubles dans la phase mobile se déplacent plus que les autres ; les plus solubles dans la phase stationnaire y sont davantage retenues et migrent moins. IV. La chromatographie d adsorption L adsorption consiste en la formation de liaisons entre les molécules de l espèce chimique étudiée et la phase stationnaire (l adsorbant). On utilise deux techniques : IV.1. la chromatographie sur couche mince (C.C.M.) l adsorbant est un solide (silice SiO 2 ou alumine Al 2 O 3 ) étalé en couche mince sur une plaque en matière plastique ou en aluminium ; l éluant est un liquide qui monte par capillarité, entraînant les espèces déposées au bas de la plaque. La séparation est basée sur la différence de vitesse de déplacement des espèces. Cette vitesse dépend de la capacité d adsorption de l espèce par la phase fixe et de la force d entraînement de cette espèce par l éluant. La C.C.M. est rapide et permet de tester des éluants pour réaliser une chromatographie sur colonne. IV.2. la chromatographie sur colonne Elle permet de séparer et de recueillir les constituants d'un mélange. La phase stationnaire est un solide (silice ou alumine) remplissant une colonne. L échantillon est déposé en haut de la colonne. La séparation des espèces est obtenue par l écoulement continu de l éluant à travers la colonne sous l effet de la gravité. La séparation est basée sur des différences de vitesse d entraînement, vers le bas de la colonne, des espèces contenues dans l échantillon. Ces vitesses dépendent des mêmes facteurs que dans le cas précédent. La chromatographie sur colonne est utilisée pour sa capacité à séparer les espèces. V. Révélation Les taches incolores du chromatogramme peuvent être révélées grâce à différentes méthodes dépendant de la nature des espèces : révélation aux ultraviolets ; révélation à l aide de réactifs adaptés permettant d obtenir des taches colorées. 16

17 VI. Identification d une espèce chimique 6.1. Le rapport frontal R f R f = distance parcourue par l'espèce chimique distance parcourue par le front de l'éluant Front de l'éluant B A x B X xa R f ( A) = X Ligne de dépôt x A R f dépend de l éluant utilisé et de la phase fixe. R f est caractéristique d'une substance pour un éluant déterminé sur une phase fixe donnée. R f est le même, que la substance soit pure ou en mélange avec d'autres substances. R f ne dépend pas de la concentration du constituant dans le mélange Analyse d un chromatogramme si le dépôt est un produit pur, le chromatogramme ne comporte qu une seule tâche. si le dépôt est un mélange, le chromatogramme comporte différentes tâches les unes sur les autres. 17