Stratégie de synthèse et sélectivité en chimie organique

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1 Activité expérimentale Chimie AE_paracetamol Terminale S 2012 Stratégie de synthèse et sélectivité en chimie organique Objectifs : - identifier les espèces mises en jeu, leurs quantités et les paramètres expérimentaux. - stratégie de synthèse organique : o identification des réactifs, du solvant o détermination des quantités des espèces mises en jeu, du réactif limitant. o choix des paramètres expérimentaux : température, solvant. o choix du montage, de la technique de purification, de l analyse du produit. - calcul de rendement - aspects liés à la sécurité. - coût Le paracétamol ou N-(4-hydroxyphényl)éthanamide est un analgésique (éliminer la douleur) et un antipyrétique (combattre la fièvre) présent dans une cinquantaine de médicaments. I. SELECTIVITE DE LA REACTION : En cas de douleurs, l aspirine ou le paracétamol est prescrit. Pourtant, il ne s agit pas des mêmes molécules. L aspirine a, entre autres, un effet anticoagulant que n a pas le paracétamol. On donne ci-dessous les équations relatives aux synthèses de l aspirine et du paracétamol. acide anhydride ASPIRINE acide acétique salicylique acétique para-aminophénol anhydride PARACETAMOL acide acétique acétique 1. Entourer les groupes caractéristiques présents dans les réactifs intervenant dans ces synthèses, les nommer et la fonction correspondante. ldentifier ceux qui réagissent. Quelles sont les fonctions créées? 2. Lors de la réaction entre le para-aminophénol et l'anhydride acétique, le paracétamol se forme majoritairement, mais une autre espèce chimique peut aussi se former minoritairement. En s'inspirant de la réaction de synthèse de l aspirine, donner la formule topologique de cette espèce. On dit que le paracétamol est obtenu via une réaction sélective. L anhydride acétique est un réactif chimiosélectif. A l aide de cet exemple, définir ce qu'est une réaction sélective. AE_paracetamol 1/6 CERISIER/VINCENT

2 II. DONNEES On donne également pour les calculs la masse volumique de l anhydride acétique : 1,08 g.ml -1. Ci-dessous CCM obtenue après synthèse : voir questions IV 4. Front du solvant Dépôt n 1 : 4-aminophénol de référence Dépôt n 2 : paracétamol de référence Dépôt n 3 : produit brut Dépôt n 4 : produit recristallisé Ligne de dépôts Ci-dessous le spectre RMN du paracétamol : voir question V 6. De droite à gauche : singulet / doublet / doublet / singulet / singulet Pour les déplacements chimiques voir le livre page 595

3 III. Mode opératoire Certains réactifs utilisés étant toxiques et irritants, il est nécessaire de travailler avec des gants et des lunettes, et si possible sous la hotte. 1. Etape de synthèse Préparer un bain-marie à environ 70 C surveillé par un thermomètre. Placer une pissette d eau distillée dans un bain de glace afin d avoir de l eau glacée en temps voulu. Dans un ballon bicol de 250 ml, muni d une agitation magnétique, d un réfrigérant à reflux, d une ampoule de coulée, introduire 2,5 g de 4-aminophénol pesé à la balance avec sabot. Ajouter 5,0 ml d acide acétique pur (but : favoriser la dissolution du 4-aminophénol). Introduire dans le ballon un turbulent magnétique puis enfin 30 ml d eau utilisés, entre autre, pour rincer le sabot de pesée. Introduire dans l ampoule de coulée 7,0 ml d anhydride acétique avec un pipeteur automatique sous hôte. Se munir lors de votre déplacement d un bécher à placer sous le robinet de l ampoule pour se prémunir de possibles fuites (à verser de nouveau dans l ampoule si fuites). NE PAS VERSER CE VOLUME de 7,0 ml TOUT DE SUITE DANS LE BALLON!! Fixer le ballon sur la colonne à reflux. Adapter l ampoule fermée sur le deuxième col du ballon. Mettre en route la circulation d eau en ouvrant très prudemment le robinet! Remonter le support boy pour que le ballon trempe dans le bain marie. Agiter vivement puis éteindre le système de chauffage dès lors que le solide est dissout. Baisser le système de chauffage en s assurant que le dispositif est bien retenu par la potence! Refroidir le ballon dans un bain d eau froide (dans la seconde bassine) en agitant pendant quelques minutes. Ne pas couper la circulation d eau car présence de vapeurs. Ajouter alors progressivement (quasiment goutte à goutte) l anhydride acétique tout en agitant. Retirer délicatement l ampoule de coulée et les déposer dans le bac à côté du montage. Couper la circulation d eau en tournant le robinet dans le sens des aiguilles d une montre. Retirer délicatement le ballon du montage. Refroidir ce ballon dans un bain d eau glacée et laisser cristalliser : gratter les parois du ballon à l aide d une baguette en verre pour favoriser la cristallisation ; on doit entendre le crissement désagréable de la baguette sur les parois et le fond du ballon! 2. Etape de séparation : isolement du produit brut du milieu réactionnel Mettre à chauffer environ 100 ml d eau distillée dans un erlenmeyer en prévision de l étape 3! Filtrer sur Büchner (sous pression réduite) dont le filtre est préalablement humidifié à l eau glacée (pissette d eau distillée citée au début). Faire couler le contenu du ballon si possible le long d une baguette de verre dont l extrémité est placée au centre du filtre (prendre garde de ne pas le déchirer). Ne pas oublier de rincer le ballon avec un minimum d eau glacée. Gratter délicatement le filtre sur des grands morceaux de papier filtre. Sécher le solide obtenu en utilisant ce même grand papier filtre en le repliant sur lui-même. Prélever une petite quantité de produit (environ 0.5 g mesurée par différence avec la tare du récipient) et le placer à l étuve à 100 C. Peser et noter la masse m 1 de produit brut sec ainsi obtenu après séchage à l étuve (séance n 2). 3. Etape de purification Placer le reste du produit obtenu dans un gros bécher de 250 ml. Re-dissoudre le produit obtenu dans le minimum nécessaire d eau distillée frémissante (prudence!). Laisser refroidir lentement le mélange en agitant manuellement. Recommencer l étape réalisée avec le ballon : plonger dans la bassine de glace puis gratter avec la baguette de verre le fond du bécher. Si le produit cristallise sur les parois, gratter avec une spatule. Filtrer (sur filtre neuf!) sur Büchner le produit cristallisé et rincer le bécher avec un peu d eau glacée. Sécher sur papier filtre puis à l étuve. Peser et noter la masse m 2 de produit purifié (séance n 2). 4. Etape d analyses : contrôles de pureté (séance n 2) Réaliser une C.C.M. sur gel de silice en déposant sur la plaque : dépôt n 1 : 1 pointe de spatule de 4-aminophénol dans 2 ml d acétate de butyle. dépôt n 2 : 1 pointe de Doliprane en poudre dans 2 ml d acétate de butyle. dépôt n 3 : 1 pointe de produit brut dans 2 ml d acétate de butyle. dépôt n 4 : 1 pointe de produit recristallisé dans 2 ml d acétate de butyle.

4 - éluer avec un mélange acétate de butyle / cyclohexane / acide formique / acétone - révéler sous la lampe UV. Déterminer la température de fusion du produit brut et du produit recristallisé sur banc köfler. IV. Questions sur le mode opératoire (séance n 2). 1. Synthèse : a. Légender le montage. Vocabulaire : agitateur magnétique chauffant, ampoule de coulée, bain-marie, ballon Bicol, barreau aimanté, support élévateur, réfrigérant à boules. b. Quel est le rôle de l'agitation? c. Justifier les étapes de chauffage, puis de refroidissement du mélange. d. Quel est le rôle de l'ampoule de coulée? Pourquoi introduit-on l'anhydride acétique progressivement? 2. Séparation a. Quel est l'avantage d'une filtration sur Büchner par rapport à une simple filtration? b. Pourquoi rince-t-on le solide? Pourquoi utilise-t-on de l'eau glacée? 3. Purification a. Lors de la recristallisation : pourquoi chauffe-t-on? pourquoi met-on le minimum de solvant de recristallisation? b. Estimer le volume minimum d'eau nécessaire pour recristalliser le produit brut. c. Pourquoi laisse-t-on refroidir à température ambiante avant de refroidir dans un bain de glace? d. Comment choisit-on le solvant de recristallisation? 4. Analyses a. Quelle est la température de fusion du produit synthétisé? La comparer à la valeur théorique. Conclure sur la pureté du produit obtenu. b. Dans l'hypothèse où le temps a manqué pour réaliser la CCM, analyser le chromatogramme en page 2. Citer les précautions expérimentales à prendre lorsqu'on réalise une CCM.

5 5. Spectroscopie infrarouge : table livre page 594 Les spectres IR du 4-aminophénol et du paracétamol sont fournis ainsi qu une table nécessaire à l interprétation des spectres (cf. Annexe). a. Identifier les bandes d absorption situées entre 3200 cm -1 et 3600 cm -1 pour les 2 spectres. b. Sur le spectre IR du paracétamol, identifier la bande d absorption située entre 1640 cm -1 et 1680 cm -1. SPECTRES IR Spectre du 4-aminophénol Spectre du paracétamol 6. Spectroscopie RMN : Analyser le spectre RMN du paracétamol page Rendement a. Déterminer les quantités de matières de tous les réactifs introduits. b. Désigner le réactif limitant. c. En déduire la masse théorique m t de paracétamol, sachant que la transformation est totale. d. Calculer le rendement de la synthèse.

6 ANNEXE Tableau des bandes caractéristiques en spectroscopie infrarouge