Lycée Paul CEZANNE Aix-en-Provence Terminale S Réforme 2012

Transcription

1 Avant d effectuer la réaction à proprement parler, il faut réfléchir aux différentes conditions permettant sa mise en œuvre optimale : - Choix des bons réactifs et de leurs quantités ; - Choix du solvant ; - Choix du catalyseur ; - Choix du montage et des paramètres expérimentaux (température, durée, etc.) ; - Aspects environnementaux et sécurité (impact sur la santé) ; - Et enfin le coût. La plupart des réactions ont besoin d être effectuées avec chauffage pour en augmenter la vitesse. n utilise alors un montage de chauffage à reflux, qui permet de chauffer tout en évitant les pertes par évaporation (des produits et des réactifs). Ampoule de coulée contenant le réactif n 2 Sortie d eau Réfrigérant à boule Ballon bicol contenant le réactif n 1 et la pierre ponce Entrée d eau Chauffe-ballon Support élévateur Document 1 : montage de synthèse organique (chauffage à reflux) - L ampoule de coulée permet d introduire le deuxième réactif progressivement ; - La pierre ponce favorise une ébullition douce ; - Le réfrigérant (à air, de Liebig ou à boules) permet de liquéfier les vapeurs des réactifs et des produits ; ces dernières retombent alors dans le milieu réactionnel. Il est nécessaire d isoler le produit que l on cherche à synthétiser du reste du milieu réactionnel (réactifs en excès, solvant, sous-produits de réactions parasites). En effet, ces espèces chimiques sont au minimum indésirables, elles peuvent au pire des cas être toxiques. n dit qu on obtient alors un produit brut. Deux cas de figure se présentent : le produit de réaction que l on veut récupérer est soit solide, soit liquide.

2 a. Cas d un solide Pour récupérer le produit brut solide, on utilise la filtration sous vide à l aide d une fiole à vide munie d un entonnoir Büchner. Entonnoir Büchner Papier filtre Aspiration forcée du solvant par le vide partiel dans la fiole Fiole à vide Document 2 : principe de la filtration Büchner Il est souvent nécessaire de rincer le solide avec de l eau (glacée), pour éliminer les traces d espèces solubles dans l eau. b. Cas d un liquide L extraction liquide-liquide permet de transférer sélectivement des espèces présentes dans le milieu réactionnel vers un autre solvant. L espèce que l on veut extraire doit être plus soluble dans le solvant d extraction, et celui-ci doit être non-miscible avec le solvant du milieu réactionnel. Phase la moins dense (le plus souvent organique, mais pas toujours!) Ampoule à décanter Phase la plus dense (le plus souvent aqueuse, mais pas toujours!) Document 3 : décantation Pour améliorer la séparation, on peut procéder à un relargage : on sature la phase aqueuse en sels (chlorure de sodium par exemple), ce qui diminue la solubilité du produit organique dans la phase aqueuse et favorise son passage dans la phase organique. Il faut, comme pour les espèces solides, rincer la phase organique avec de l eau pour retirer les espèces qui sont solubles dans l eau. Enfin, pour séparer le produit de la phase organique, on peut procéder à une évaporation du solvant à l aide d un évaporateur rotatif. c. Purification Pour les solides, on procède à une recristallisation : l opération consiste à dissoudre le produit brut dans un solvant à chaud (les impuretés doivent être plus solubles que le produit dans le solvant). Pour les liquides, on procède à une distillation fractionnée lorsque les températures d ébullition du produit et des impuretés sont différentes.

3 n calcule le rendement de la synthèse, il s agit de la quantité de matière de produit récupéré à la fin de la synthèse divisée par la quantité de matière attendue pour ce produit : n peut analyser un produit par chromatographie sur couche mince (CCM) : Plaque à CCM η n n exp max Front de l éluant Cuve à CCM Éluant V J B V J B Document : chromatographie sur couche mince (CCM) Si c est un solide, on peut mesurer sa température de fusion à l aide d un banc Köfler : si le produit n est pas pur, sa température de fusion sera différente de celle indiquée dans les tables. Document 5 : détermination de la température de fusion sur banc Köfler Si c est un liquide, on peut mesurer son indice de réfraction à l aide d un réfractomètre. Il est aussi possible, lorsque le matériel est disponible, de réaliser le spectre IR et RMN du produit. L analyse du produit permet de contrôler sa pureté et de le caractériser. Il existe des composés organiques, appelés composés polyfonctionnels, qui possèdent plusieurs groupes caractéristiques. r il est souvent souhaitable de n en faire réagir qu un pour arriver au produit désiré. Une réaction est chimiosélective lorsque parmi plusieurs fonctions d une même molécule, l une d elle réagit préférentiellement avec le réactif considéré : ce réactif est dit alors chimiosélectif. La sélectivité (ou non-sélectivité) d une réaction dépend bien sûr des réactifs, mais pas seulement : les conditions expérimentales entrent aussi en jeu (solvant, catalyseur, ).

4 H NH 2 H NH H H 2 Document 6 : sélectivité dans la synthèse du paracétamol H 25 C H 2 H 2 H 100 C H 2 H H Document 7 : réactions possibles de l ion hydroxyle avec l aspirine selon la température du milieu Remarque : il a été vu dans le chapitre 12 des réactions sélectives, en fonction du mécanisme mis en jeu. n souhaite partir de la molécule A pour obtenir la molécule B (représentées ci-dessous) : H Document 8 : molécule de départ (A) et molécule souhaitée (B) A B Rappel : l oxydation d un alcool primaire conduit à l aldéhyde puis à l acide carboxylique (qui peut ensuite être estérifié), l oxydation d un alcool secondaire conduit à une cétone. La stratégie qui s offre alors, c est d utiliser un réducteur très puissant comme NaBH (borohydrure de sodium) ou LiAlH (tétrahydruroaluminate de lithium) : ces deux composés, en générant des ions hydrure, permettent de réaliser les réactions inverses des oxydations d alcools.

5 Le problème est que NaBH réduit très bien les aldéhydes et les cétones mais est incapable de réduire les esters, alors que LiAlH est tellement puissant qu il réduit indifféremment les aldéhydes, les cétones et même les esters. H H LiAlH NaBH H Document 9 : réductions du composé A par LiAlH et NaBH n ne souhaite pas réduire la fonction carbonyle de la molécule A, par contre on veut réduire sa fonction ester : il faut donc protéger la fonction carbonyle afin que seule la fonction ester réagisse avec LiAlH (ici le borohydrure de sodium ne sert à rien car il est incapable de réduire la fonction ester). Pour protéger cette fonction carbonyle : Étape 1 : on fait réagir la molécule A avec l éthane-1,2-diol ; Étape 2 : la fonction acétal créée à la place du carbonyle est insensible à LiAlH, on peut donc réduire le groupe ester uniquement ; Étape 3 : on rétablit la fonction carbonyle. H H LiAlH H 2 H H Document 10 : protection du groupe carbonyle pour la synthèse de B H H Un groupe protecteur est un groupe caractéristique volontairement créé dans la molécule d un composé polyfonctionnel afin de bloquer la réactivité de l une de ses fonctions. Cette fonction est temporairement transformée en une autre fonction. Voir activité documentaire 6 page 96.

6 a. Qu est-ce que le développement durable? Le développement durable est une synthèse entre l économie («produire»), le social («répartir») et l environnement («préserver») SCIAL équitable vivable DURABLE viable Document 11 : le développement durable b. Quelle chimie pour un développement durable? La chimie durable s inscrit dans la logique du développement durable. Sa mise en œuvre industrielle veille à l équilibre social, environnemental et économique : - Elle permet d économiser et partager les ressources de manière équitable ; - Elle utilise des technologies qui polluent moins et consomment moins d énergie ; - Elle développe des procédés suffisamment efficaces et rentables. La chimie verte a pour but de limiter l impact négatif de la chimie sur l environnement et l homme. Réduire les risques d accident Limiter la pollution à la source Économiser les atomes Analyser en temps réel pour prévenir la pollution Travailler dans des conditions opératoires sûres Concevoir des produits dégradables CHIMIE VERTE Concevoir des produits plus sûrs Préférer les réactions catalysées Rechercher des solvants alternatifs Réduire les déchets Privilégier les ressources renouvelables Économiser l énergie Document 12 : les 12 principes de la chimie verte définis en 1998 par Paul ANASTASS et John WARNER