Fiche méthode synthèse organique

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1 synthèse organique Lors d une synthèse organique, de nombreux paramètres sont à prendre en compte, que ce soit du point de vue chimique (réalisabilité du protocole) ou du point de vue financier (coût de la synthèse). Ces paramètres sont à prendre en compte à chacune des étapes de l expérience. Il faudra chaque fois se poser la question de la technique et du montage adapté à la situation. Etape 1 : avant l expérience Evaluation du coût des espèces chimiques employées (réactifs, solvants, catalyseurs, etc ) et du coût énergétique (en cas de chauffage fort et prolongé). Choix des quantités de matière introduites : on peut choisir d introduire les réactifs dans les proportions stœchiométriques, mais dans le cas d une réaction équilibrée, il peut être intéressant de déplacer l équilibre dans le sens direct (formation des produits) pour obtenir un plus grand rendement. On s arrange alors pour verser en excès le réactif le moins cher. Evaluation des conditions de sécurité (blouse, gants, lunettes, hotte aspirante, etc ) en fonction de la dangerosité des produits (pictogrammes). Etape 2 : réalisation de la réaction 1 / Choix des paramètres expérimentaux : Température : on chauffe si cela ne présente aucun danger. Choix du solvant : assure la solubilisation des réactifs. Choix du ph : joue sur la solubilité, empêche des réactions parasites Ajout d un catalyseur Durée de la réaction : pour une réaction lente, la quantité de produit augmente avec le temps. Mais le temps c est de l argent 2 / Choix du montage : Agitation de la solution pour l homogénéiser (agitateur magnétique et barreau aimanté) Réaction à froid dans un erlenmeyer (pour éviter les éclaboussures) Réaction à chaud à l aide d un montage à reflux : Dans le cas où un des réactifs doit être rajouté progressivement, on rajoute une ampoule de coulée. Montage à reflux : 1

2 Etape 3 : Isolement du produit désiré Il s agit de séparer le produit désiré, des autres produits, des réactifs restants, ou des produits de réactions parasites. Pour séparer solide et liquide, on peut réaliser une filtration sous pression réduite. Pour extraire l espèce désirée de son solvant, on effectue une extraction liquide-liquide dans une ampoule à décanter : il s agir de faire passer certaines espèces dans un 2ème solvant non miscible au 1er, en jouant sur la différence de solubilité des espèces dans les 2 solvants (l espèce doit être plus soluble dans le solvant extracteur) Dans le cas où le produit désiré est très soluble dans un solvant organique et peu soluble dans l eau : Si on cherche à extraire le produit désiré d une phase aqueuse vers la phase organique On commence par saturer la phase aqueuse en sel (la solubilité diminue dans l eau salée) : c est un relargage. On rajoute le 2ème solvant (solvant organique) et on agite pour faire passer le produit désiré dans la phase organique. On laisse décanter pour séparer les 2 phases. On fait couler séparément les 2 phases pour récupérer la phase organique (qui nous intéresse). Si on cherche à évacuer les espèces non désirées de la phase organique vers la phase aqueuse (où elles sont plus solubles) : On rajoute de l eau et on agite pour faire passer les espèces solubles en phase aqueuse. On dit qu on effectue un lavage de la phase organique. On laisse décanter pour séparer les 2 phases. On fait couler séparément les 2 phases pour récupérer la phase organique (qui nous intéresse). Pour éliminer l eau restant dans une phase organique, on la sèche avec un desséchant chimique solide qui absorbe l eau comme du sulfate de cuivre anhydre, le sulfate de sodium ou de magnésium. On peut évacuer le solvant organique dans un évaporateur rotatif. Etape 4 : Purification du produit obtenu Les produits obtenus sont rarement pur. Leur obtention nécessite encore une étape. Dans le cas d un produit solide, on peut procéder à une recristallisation : celle-ci joue sur les différences de solubilité du produit et des impuretés dans un solvant, en fonction de la température : o On chauffe le produit dans un minimum de solvant. La solubilité augmentant avec la température, il se dissout peu à peu, ainsi que les impuretés qu il emprisonnait. On laisse alors redescendre la température pour reformer le solide mais les impuretés plus solubles ne précipitent pas. o On filtre pour récupérer le solide. Dans le cas d un mélange de liquides, on peut effectuer une distillation pour séparer les espèces de températures d ébullition différentes. 2

3 Etape 5 : analyse du produit Pour caractériser un produit et contrôler sa pureté on peut utiliser différentes techniques : La chromatographie sur couche mince (CCM) ou sur colonne. La température de fusion à l aide d un banc Köfler (pour les solides). Mesure de l indice de réfraction à l aide d un réfractomètre. L analyse spectrale (UV-visible, IR, RMN) Etape 6 : calcul du rendement Dans l industrie, il est essentiel d adopter le protocole qui fournira le meilleur rendement. Il doit donc être le plus proche possible de 1. Définition du rendement : C est le rapport de la quantité de matière effectivement formée d un produit sur la quantité de matière maximale attendue (si la réaction était totale) de ce produit : Remarque : Dans le cas où la synthèse fait intervenir plusieurs étapes, le rendement total de la synthèse est égal au produit des rendements de chacune des étapes : Exercice 1 : synthèse de l acétate d éthyle = = L'acétate d'éthyle est un liquide utilisé comme solvant pour les vernis à ongles et certaines colles, en raison de sa faible nocivité et de sa volatilité importante, il est aussi utilisé dans l'industrie agroalimentaire dans certains arômes fruités. La synthèse de l'acétate d'éthyle est facilement réalisable au laboratoire. Un exemple de protocole expérimental est décrit ci-dessous : Étape 1. Dans un ballon de 100 ml, introduire un mélange équimolaire de 0,10 mol d'acide acétique et 0,10 mol d'éthanol. Y ajouter 0,5 ml d'acide sulfurique concentré (H 2SO 4(l)) et quelques grains de pierre ponce. Porter le mélange à ébullition dans un dispositif de chauffage à reflux pendant 30 minutes. Étape 2. Laisser refroidir le mélange réactionnel à l'air ambiant puis dans un bain d'eau froide. Verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter contenant environ 50 ml d'eau salée. Agiter prudemment quelques instants en dégazant régulièrement, puis éliminer la phase aqueuse. Étape 3. Ajouter alors à la phase organique 60 ml d'une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium (Na + (aq) + HCO 3 (aq)) de concentration molaire 1 mol.l 1. Laisser dégazer et décanter puis éliminer la phase aqueuse. Recueillir la phase organique dans un bécher. Sécher cette phase avec du chlorure de calcium anhydre puis filtrer. Recueillir le filtrat dans un erlenmeyer propre et sec. Une synthèse réalisée au laboratoire en suivant ce protocole a permis d'obtenir un volume de filtrat égal à 5,9 ml. Données : Couple acide/base: H 2O,CO 2(aq) / HCO 3 (aq) 3

4 Acide acétique Éthanol Acétate d'éthyle Masse molaire (g.mol 1 ) 60,0 46,1 88,1 Masse volumique (g.ml 1 ) 1,05 0,789 0,925 Température d'ébullition ( C) ,4 77,1 Température de fusion ( C) 16, ,6 Solubilité dans l'eau Très grande Très grande 87 g.l 1 à 20 C Solubilité dans l'eau salée Très grande Très grande Presque nulle 1. Réaction de synthèse La synthèse de l'acétate d'éthyle est modélisée par la réaction d'équation : Identifier, en justifiant votre réponse, les fonctions chimiques des molécules organiques intervenant dans la réaction de synthèse Quel est le nom de l'acétate d'éthyle en nomenclature officielle? 2. Protocole expérimental 2.1. Parmi les montages suivants, justifier celui qu'il convient de choisir pour l'étape 1. Pourquoi les deux autres montages ne conviennent-ils pas? 2.2. Proposer un titre pour nommer chacune des trois étapes du protocole Justifier, en argumentant avec une équation de réaction si cela est nécessaire, le choix dans ce protocole des conditions opératoires suivantes : ajout d'acide sulfurique concentré, chauffage à reflux, mélange avec de l'eau salée, ajout d'une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium. 3. Rendement 3.1. Déterminer la valeur du rendement de la synthèse en expliquant la méthode mise en œuvre Est-il exact de dire que ce rendement est égal à la proportion d'éthanol consommé au cours de la transformation? Commenter. 4

5 Exercice 2 : l anis étoilé L huile essentielle d anis étoilé contient 80 à 90% en masse d anéthol, l espèce chimique responsable de l odeur et du goût de l anis. Document 1 : Données Document 2 : Protocole expérimental 50,0g d anis étoilé sont écrasés à l aide d un pilon dans un mortier. Sous la hotte, mettre le solide obtenu dans un erlenmeyer et ajouter 200 ml de dichlorométhane. Boucher et agit pendant 30 minutes. Filtrer puis rincer le filtre à avec un peu de dichlorométhane. Transvaser le filtrat dans une ampoule à décanter contenant 200 ml d eau distillée. Agiter et laisser décanter. Récupérer la phase comportant l anéthol dans un erlenmeyer. Ajouter 2 à 3 pointes de spatule de sulfate de sodium anhydre. Filtrer et évaporer le solvant sous pression réduite. Peser. 1 / Schématiser l ampoule à décanter et identifier les différentes phases en précisant les espèces chimiques présentes. 2 / Quelles précautions doit-on prendre pendant cette expérience? Expliquer 3 / Sur quels critères est choisi le solvant d extraction? 4 / Quel est le rôle de l ajout de sulfate de sodium anhydre? 5 / On dispose au laboratoire d un échantillon d anéthol pur. Proposer une technique d analyse pour s assurer de la présence d anéthol dans le filtrat et indiques les résultats attendus si l anéthol est bien présent dans le filtrat. 5

6 Exercice 3 : Autour de l odeur du rhum Le rhum est une boisson alcoolisée utilisée dans la conception de pâtisseries ou de cocktails et fabriquée à partir de canne à sucre. Ses particularités gustatives sont diverses et dépendent des variétés et du lieu de culture de la matière première employée. L industrie alimentaire met sur le marché de nombreux produits à odeur de rhum mais, pour des raisons économiques, beaucoup ne contiennent pas de rhum. L odeur de rhum donnée à ces produits provient alors de l emploi d un arôme artificiel constitué de méthanoate d éthyle. L objectif de cet exercice est d étudier et comparer différentes méthodes d obtention du méthanoate d éthyle pour choisir la meilleure stratégie de synthèse. Analyse et synthèse de documents À partir de vos connaissances et des documents fournis, rédiger un paragraphe argumenté permettant de répondre à la problématique suivante (20 lignes environ) : Quel protocole de synthèse le plus judicieux doit-on mettre en œuvre pour obtenir le méthanoate d éthyle? Remarque : L ensemble de l argumentation et les calculs doivent apparaitre de manière détaillée. 6

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