Stratégie de synthèse et sélectivité en chimie organique.

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1 FICHE 14 Stratégie de synthèse et sélectivité en chimie organique. I. Stratégie à employer lors d une synthèse On veut synthétiser un composé au laboratoire. On doit donc imaginer les différentes étapes permettant d effectuer cette synthèse. 1. Avant l expérience Synthétiser une espèce chimique signifie la produire à partir de réactifs. Pour cela il faut : - choisir les réactifs ainsi que leur quantité de matière - choisir un solvant dans lequel les réactifs ont une bonne solubilité. - choisir un catalyseur pour accélérer la réaction chimique - choisir la température, la pression, l éclairement, le réacteur, de manière à obtenir un bon rendement au cours de la synthèse. - évaluer les risques humains et environnementaux liés à la production Il faut ensuite évaluer le coût de la masse d espèce produite. 2. Etape 1 : choix du montage Certaines réactions se font à froid, à pression atmosphérique, il suffit de mélanger les réactifs dans le réacteur et d utiliser le bon catalyseur. Lorsque la réaction nécessite un apport de chaleur (l élévation de température catalyse la réaction) on peut utiliser un montage à reflux (cas de la fabrication de l arôme de banane). Montage à reflux : Page 1

2 Au cours de l expérience utilisant un montage à reflux, les vapeurs de réactifs et produits montent dans le condenseur et repasse sous forme liquide. Les vapeurs se condensent et refluent dans le ballon. Intérêt : aucune perte de produits ou réactifs, le rendement de la synthèse est amélioré. De plus les espèces chimiques qui s échappent peuvent être nocives à l environnement. 3. Etape 2 : séparation des réactifs et produits (isolement) Lors de la réaction A + B - C, il peut rester dans le réacteur une certaine quantité de réactifs A et B qu'il faut séparer puis éliminer. Il existe alors deux méthodes : a. La filtration sous vide La filtration d'un mélange liquide-solide s'effectue sous vide partielle. Une fiole à vide munie d'un entonnoir Büchner permet d'effectuer la filtration. Le solide (ou le liquide suivant l'espèce chimique produite) est ensuite récupéré. b. L'extraction liquide-liquide Considérons un mélange de 2 liquides A et B dans un solvant C. On veut récupérer A et éliminer B. On ajoute au mélange un autre solvant D dans lequel A est plus soluble que B. A va se solubiliser préférentiellement dans D. Il suffira alors d'éliminer après décantation dans l'ampoule à décanter, le solvant C contenant l'impureté B. Page 2

3 4. Etape 3: la purification L'opération de purification consiste à éliminer les impuretés dans un produit. Il existe 2 méthodes: a. La recristallisation La technique de purification par recristallisation est utilisée pour les solides. Le produit à obtenir A est mélangé avec une impureté B. On dissout l'ensemble dans un solvant à chaud. Le produit A est moins soluble que les impuretés. Lorsque le mélange refroidit A se recristallise et les impuretés B restent en solution. Il suffit d'éliminer le solvant par filtration et ne garder que les cristaux A. Page 3

4 b. La distillation La distillation est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d'un mélange homogène. Sous l'effet de la chaleur, les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est liquéfiée pour donner le distillat. Par exemple, le produit brut est constitué du produit A et d'impuretés B. La température d'ébullition de A est T = 60 C, celle de B est de 80 C. Le produit A se volatilise en premier lorsque la température du mélange est de 60 C. Les vapeurs de A se condensent et sont récupérées dans l'erlenmeyer. Les impuretés restent dans le ballon et sont ainsi séparées du produit A Page 4

5 5. Etape 4 : les analyses Une fois le produit A séparé puis purifié, il faut contrôler sa pureté et l'identifier. Il existe plusieurs méthodes : - Chaque espèce chimique A pure à une température de fusion précise Tf(A). Pour les solides, on mesure la température de fusion du produit obtenu sur un banc Köfler. S'il fond à une température égale à T f (A), le produit obtenu est pur. - pour les liquides, on mesure leur indice de réfraction n avec un réfractomètre, leur température d ébullition, ou on effectue une chromatographie. Son principe de fonctionnement (réfractomètre) repose sur la détermination de l indice de réfraction de la lumière qui traverse le liquide posé sur son prisme. Cet indice dépend directement de la quantité de sel présente dans la solution. - pour les solides et les liquides on effectue une spectroscopie IR ou une RMN (voir fiche 12). 6. Etape 5: le calcul de rendement On appelle rendement r d une synthèse, le rapport entre la quantité de matière n exp de produit formé expérimentalement sur la quantité de matière n totale obtenue si la réaction était totale. Page 5

6 De plus le rendement est égal à la masse m exp de produit obtenue expérimentalement sur la masse m totale de produit obtenue si la réaction était totale : n r n exp totale m exp M m totale M m m exp totale Bien entendu le rendement doit être le plus grand possible! II. Sélectivité d une réaction en chimie organique 1. Réactifs chimiosélectifs Certaines molécules organiques, dites polyfonctionnelles, présentent plusieurs groupes caractéristiques. Ces groupes sont susceptibles d'être transformés au cours d une même réaction Exemple : Soit la molécule de 3-hydroxybutanal Cette molécule polyfonctionnelle possède une fonction aldéhyde et une fonction alcool. L oxydation de cette molécule (par un oxydant comme MnO 4 ) peut conduire à une molécule où les deux groupe son oxydés : acide 3-oxobutanoïque Un réactif chimiosélectif (comme les ions Ag+) permet, quand il existe, d'oxyder le groupe CHO sans transformer le OH. Le produit est alors obtenu est alors l acide 3-hydroxybutanoïque : Un réactif est chimiosélectif si, réagissant sur un composé polyfonctionnel, il ne provoque la transformation que de certains groupes caractéristiques. Page 6

7 2. Protection de fonctions Si aucun réactif chimiosélectif n'est disponible, il faut mettre en place une stratégie de protection de fonction. Exemple (voir ci-contre) Pour oxyder le groupe CHO du 3-hydroxybutanal sans modifier son groupe OH, il faut: Transformer le groupe OH de A en un groupe OCOCH 3, appelé groupement protecteur. Oxyder le groupe CHO en COOH. Déprotéger pour retrouver le groupe OH. Remarque : ici, la fonction alcool est protégée sous forme d'ester, mais il existe une très grande palette de groupements protecteurs adaptés à chaque fonction à protéger. 3. Application de la protection à la synthèse peptidique Dans le cas de la synthèse peptidique, les composés polyfonctionnels sont les acides α -aminés qui possèdent des groupes amino NH 2 et carboxyle COOH. Exemple : L alanine et l isoleucine peuvent réagir ensemble de deux façons différentes : ou Page 7

8 Pour former le dipeptide alanine-isoleucine, les groupes d'atomes qui doivent réagir sont en bleu et ceux qu'il faut donc protéger sont en rouge. Les étapes sont les suivantes : Protection du groupe NH2 de l alanine par une groupe GP1 (groupe de protection n 1) Protection du groupe COOH de l isoleucine par un groupe GP2. Réaction et formation de la liaison peptidique Page 8

9 Réaction de déprotection Page 9

10 Exercice 1 Synthèse de la molécule A : 1. Analyse du protocole. Introduction des réactifs et chauffage : Introduire dans un ballon 20,0 ml de 3-méthylbutan-1-ol, puis 30,0 ml d'acide éthanoïque pur et environ 1 ml d'acide sulfurique concentré. Ajouter trois grains de pierre ponce. Adapter le réfrigérant à boules et chauffer à reflux pendant 30 minutes. Extraction de la molécule A : Après refroidissement, verser dans le ballon environ 50 ml d'une solution froide et saturée de chlorure de sodium et transvaser le mélange dans une ampoule à décanter. Agiter, décanter, éliminer la phase aqueuse. Ajouter environ 50 ml d'une solution à 5 % d'hydrogénocarbonate de sodium (Na + (aq) + HCO 3 (aq) ). Agiter l'ampoule jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'effervescence. Décanter. Éliminer alors la phase aqueuse. Recueillir la phase organique dans un erlenmeyer, y ajouter une spatule de sulfate de magnésium anhydre. Agiter puis filtrer sur éprouvette graduée. On obtient un volume V = 18,1 ml de la molécule A Donner le nom et la formule du produit manquant dans l'équation donnée au début Pour que la réaction se déroule en un temps relativement court, la présence de l'acide sulfurique est impérative. Sachant que l'acide sulfurique n'intervient pas dans le bilan réactionnel, déduire son rôle En utilisant les données, expliquer pourquoi on ajoute de l'eau salée (et non de l'eau) et pourquoi l'eau salée doit être froide Lors de la première décantation, dans quelle phase (organique ou aqueuse) se trouvent essentiellement la molécule A, l'eau, les ions, le 3-méthylbutan-1-ol (qui n'a pas réagi) et l'acide éthanoïque (en excès)? Quelle est la phase située au-dessus? Justifier Préciser la nature de l'effervescence observée lors de l'ajout de l'hydrogénocarbonate de sodium (Na + ( aq) + HCO 3 (aq) ). Écrire l'équation de la réaction acido-basique mise en jeu. 2. Calcul du rendement 2.1. Calculer les quantités de matière de 3-méthylbutan-1-ol et d'acide éthanoïque introduites dans le Page 10

11 ballon En déduire le rendement r de la synthèse, défini comme le rapport entre la quantité de matière de produit A obtenu et la quantité de matière de réactif limitant. Exercice 2 La synthèse du paracétamol peut être réalisée au laboratoire à partir du para-aminophénol et de l anhydride éthanoïque. L équation de la réaction de la synthèse est la suivante : Les différentes phases d un protocole de synthèse sont décrites ci-après : Phase n 1 : Dans un erlenmeyer de 150 ml, introduire 2,7 g de para-aminophénol, 25 ml d eau distillée, 2 ml d acide éthanoïque pur prélevés à la pipette graduée, et un barreau aimanté. Adapter sur l erlenmeyer un réfrigérant à air et plonger pendant 10 minutes dans un bain-marie à 80 C placé sur un agitateur magnétique chauffant. Phase n 2 : Ramener la solution à température ambiante puis, sous la hotte, enlever le réfrigérant à air et ajouter lentement 3,5 ml d anhydride éthanoïque au mélange précédent. L addition terminée, adapter le réfrigérant à air et placer à nouveau le mélange au bain-marie à 80 C pendant 10 minutes. Phase n 3 : Refroidir le mélange réactionnel dans un bain d eau glacée et attendre la cristallisation complète. Amorcer le cas échéant, la formation du paracétamol solide à l aide d un agitateur en verre. Filtrer les cristaux sur Büchner (sous pression réduite). Rincer le solide avec un minimum d eau glacée, puis le récupérer dans un erlenmeyer. Phase n 4 : Dans l erlenmeyer contenant le solide, introduire au maximum 20 ml d eau distillée et chauffer le mélange placé sur un agitateur magnétique chauffant jusqu à dissolution complète du solide. Laisser refroidir lentement jusqu à l amorce de la cristallisation, puis la terminer dans un mélange eauglace. Filtrer sous pression réduite les cristaux obtenus et les récupérer dans une coupelle. Sécher les cristaux dans une étuve à 80 C, puis peser le solide obtenu. Phase n 5 : Éluant : mélange CHCI 3 (chloroforme) et CH 3 OH (méthanol) ; 60/40 en volume. Échantillons : 1 ml d éluant + une pointe de spatule de 4-aminophénol. 1 ml d éluant + une pointe de spatule de paracétamol synthétisé et purifié. 1 ml d éluant + une pointe de spatule de paracétamol du commerce. Page 11

12 Révélation sous UV ( = 254 nm) Données physico-chimiques Composé Aspect à 25 C et sous 10 5 Pa Risques Solubilité dans l eau Temp. de fusion en C Temp. d ébullition en C Masse molaire en g.mol 1 Paraaminophénol Solide blanc 8 g.l 1 à 20 C 33 g.l 1 à 60 C 85 g.l 1 à100 C Solubilité accrue en solution aqueuse d acide éthanoïque Anhydride éthanoïque Liquide incolore de densité 1,08 Réagit avec l eau en donnant l acide dont il est issu Paracétamol Acide éthanoïque Solide blanc Liquide incolore de densité 1,05 10 g.l 1 à 20 C 250 g.l 1 à100 C Très grande solubilité de 0 C à C Questions : 1. Donner un nom à chacune des cinq phases du protocole expérimental de synthèse mis en œuvre au laboratoire. 2. À l aide de vos connaissances et des documents fournis, justifier le choix des techniques utilisées dans les phases 3 et 4 du protocole expérimental, en rédigeant un texte précis et concis. 3. Déterminer la masse maximale de paracétamol qui peut être obtenue à partir du protocole expérimental mis en œuvre. Expliciter votre démarche pour la déterminer. Page 12