SYNTHÈSE DE LA MOLÉULE D IBUPROFÈNE (60 MINUTES) LA ALULATRIE EST AUTORISÉE L ibuprofène est une molécule de formule brute 13 H 18 O 2. Son nom en nomenclature officielle est acide 2-4-isobutylphénylpropanoïque. De par ses propriétés anti-inflammatoire, antalgique et antipyrétique, elle constitue le principe actif de divers médicaments. H H 3 H H 2 H H 3 et exercice comporte deux parties indépendantes conduisant à étudier la structure de la molécule d ibuprofène dans un premier temps, puis sa synthèse dans le cadre de la chimie verte. H H H O Les 2 parties de cet exercice sont indépendantes H 3 OH PARTIE 1 : LA MOLÉULE D IBUPROFÈNE Formule semi-développée de l ibuprofène 1. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène de la figure 1 de l annexe à rendre avec la copie, entourer et nommer le groupe caractéristique présent dans la molécule. Préciser la fonction qu il confère à la molécule. 2. La molécule d ibuprofène est une molécule chirale. 2.1. Définir ce qu est une molécule chirale. 2.2. Expliquer la cause de cette chiralité en la nommant et en la repérant sur la figure 1 de l annexe. 2.3. ombien de stéréoisomères de configuration entraîne cette chiralité de la molécule d ibuprofène 2.4. Donner la représentation de ram des stéréoisomères de configuration de l ibuprofène, autour du carbone identifié à la question 2.2. Préciser la relation de stéréoisomérie qui existe entre eux. 3. Diverses techniques d analyse ont permis de connaître la structure de la molécule d ibuprofène. Les spectroscopies IR (infrarouge) et de RMN (résonance magnétique nucléaire) en sont deux exemples. Document n 1 : Spectre IR de la molécule d ibuprofène Page 1 sur 8
Document n 2 : Bandes d absorption IR et quelques types de liaisons chimiques Document n 3 : Spectre RMN de l ibuprofène Le saut de la courbe d intégration est six fois plus grand pour le doublet (a) que pour le singulet (g) Document n 4 : Déplacement chimiques en ppm Page 2 sur 8
3.1. Donner l origine des bandes d absorption 1 et 2 du spectre infrarouge IR (document 1) en exploitant les données du document 2. 3.2. Déterminer la longueur d onde de l onde électromagnétique absorbée sur la bande 1 et justifier qu elle appartient bien au domaine des infrarouges. 3.3. Pour la bande 1, déterminer l énergie absorbée par la molécule et préciser l effet de cette absorption sur la molécule. 3.4. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène de la figure 2 de l annexe, entourer le ou les atomes d hydrogène associés au signal (g) du spectre RMN. Justifier votre réponse à l aide du document 4. 3.5. Le signal (e) est un signal quadruplet. Sur la formule semi-développée de la figure 2 de l annexe, entourer le ou les atomes d hydrogène associés au signal (e). Justifier. 3.6. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène de la figure 2 de l annexe, entourer le ou les atomes d hydrogène associés au signal (a) du spectre RMN. Justifier votre réponse. PARTIE 2 : SYNTHÈSE DE L IBUPROFÈNE Dans les années 1960, les laboratoires Boots développent la synthèse de l ibuprofène et proposent une voie de synthèse en six étapes. Dans les années 1990, la société BH met au point un procédé reposant sur les principes de la chimie verte, une chimie qui réduit la pollution à la source et qui est plus respectueuse de l environnement. La nouvelle voie de synthèse, ne met en jeu que trois étapes. Le but de cette partie est de comparer ces deux techniques dans le cadre de la chimie verte. 1. Nommer le montage généralement utilisé pour une synthèse organique. Préciser l intérêt d un tel montage. 2. L étape n 5 du procédé Boots, est donnée ci-dessous et est reproduit en Annexe (figure 3). Pour simplifier l écriture le réactif : est noté : Etape n 5 du procédé Boots : 2.1. Sur la figure n 3 de l annexe, identifier sur les deux réactifs les sites donneurs et accepteurs de doublets d électrons. 2.2. Sur la figure n 3 de l annexe, schématiser ensuite les flèches courbes qui traduisent les ruptures et les formations de liaisons. 2.3. Préciser à quelle catégorie de réaction appartient cette étape. Document n 5 : La chimie verte La chimie verte s inscrit dans une logique de développement durable et de recherche permanente de sécurité optimale. Pour cela les processus mis en jeu doivent éliminer ou au moins réduire l utilisation de substances nocives pour l homme et l environnement. Les synthèses chimiques Page 3 sur 8
doivent privilégier des méthodes produisant le minimum de substances dérivées inutiles, surtout si elles sont polluantes. lassiquement, pour évaluer l efficacité d une synthèse chimique, on détermine son rendement sans se préoccuper des quantités de sous-produits formés. Dans le cadre de la chimie verte, pour prendre en compte la minimisation des quantités de déchets, on définit un indicateur appelé «utilisation atomique» (UA). L utilisation atomique UA est définie comme le rapport de la masse molaire du produit souhaité, sur la somme des masses molaires de tous les produits : M(produit souhaité) UA = M (produit) La conservation de la masse conduit à une deuxième expression de cet indicateur : å Plus cet indicateur UA est proche de 1, plus le procédé est économe en termes d utilisation des atomes et moins la synthèse génère de déchets. i M(produit souhaité) UA = M (réactif) å j i j Exemple : on synthétise le produit P par réaction entre R et S. Au cours de la transformation, il se forme aussi les espèces Y et Z selon l équation de la réaction : rr + s S P + yy + zz où r, s, y et z sont les nombres stœchiométriques. L utilisation atomique s exprime : UA M(P) = rm(r) + sm(s) 3. Le procédé BH, dont l utilisation atomique est de 77 %, met en jeu trois étapes faisant appel à des transformations catalysées : Etape n 1 : Etape n 2 : Etape n 3 : Page 4 sur 8
3.1. Qu appelle-t-on un «catalyseur»? 3.2. Déterminer la formule brute de la molécule 1. 3.3. alculer la valeur de l utilisation atomique du procédé Boots mettant en jeu six étapes dont le bilan global est traduit par l équation de réaction suivante : 10 H 14 + 4 H 6 O 3 + 2 H 5 ONa + 4 H 7 lo 2 + H 3 O + + NH 2 OH + 2H 2 O 13 H 18 O 2 + sous-produits Données : Masses molaires M Espèces H 2 O H 3 O + NH 2 OH 2 H 5 ONa M (g mol 1 ) 18,0 19,0 33,0 68,0 Espèces 4 H 6 O 3 4 H 7 lo 2 10 H 14 13 H 18 O 2 M (g mol 1 ) 102,0 122,5 134,0 206,0 3.4. Indiquer, en justifiant votre réponse, quel est le procédé de synthèse de l ibuprofène répondant le mieux à la minimisation des déchets recherchée en chimie verte. LE DOSAGE DE L IBUPROFÈNE DANS UN OMPRIMÉ (50 MINUTES) L étiquette d un médicament classé dans la catégorie pharmaco-thérapeutique «antiinflammatoire non stéroïdien» fournit les informations suivantes : omposition : Ibuprofène.400 mg Excipients : amidon de maïs, silice colloïdale anhydre, amidon prégélatinisé, acide stéarique. Forme pharmaceutique omprimé enrobé (boîte de 30) Pour vérifier, la quantité d ibuprofène contenu dans un comprimé, on procède à un titrage acido-basique selon le protocole suivant : Etape n 1 : On broie le comprimé contenant l ibuprofène dans un peu d éthanol. On filtre le mélange obtenu. Le filtrat est ensuite dilué dans de l eau afin d obtenir 40 ml de solution S. On admettra que cette solution S d ibuprofène a le même comportement qu une solution aqueuse. Etape n 2 : On réalise un titrage ph-métrique. Le titrage est effectué à l aide d une solution aqueuse d hydroxyde de sodium (Na + (aq) + HO (aq)) de concentration molaire apportée b = 0,20 mol.l -1 (les courbes obtenues sont tracées dans le document donné en annexe à rendre avec la copie). Données : - Masse molaire de l ibuprofène : M(Ibu) = 206 g.mol -1 - Produit ionique de l eau : à 25 K e = 1,0.10-14 Indicateur coloré ouleur acide Zone de virage ouleur basique Vert de bromocrésol jaune 3,8 5,4 bleu Phénolphtaléine incolore 8,2 10 rose Jaune d alizarine jaune 10,1 12,0 rouge-orangé Page 5 sur 8
- Propriétés des différentes espèces chimiques : Substance Solubilité dans l eau Solubilité dans l éthanol ibuprofène noté ROOH très faible importante base conjuguée notée ROO importante excipients pratiquement nulle pratiquement nulle éthanol forte 1. Justifier l utilisation de l éthanol dans l étape n 1 du protocole. 2. Définir l équivalence d un titrage. 3. On rentre dans un tableur-grapheur les différentes valeurs du ph mesurées en fonction du volume V b de solution d hydroxyde de sodium ajoutée. On utilise les fonctionnalités du tableurgrapheur pour dériver le ph par rapport à V b, la grandeur obtenue est notée dph dv b. Les courbes tracées suite au titrage ph-métrique sont ph = f(v b ) et dph dv b = g(v b ) (document 1). 3.1. Parmi les courbes 1 et 2, quelle est celle qui représente ph = f(v b ) et celle qui représente dph dv b = g(v b )? Justifier. 3.2. Déterminer la valeur du volume équivalent V E par une méthode de votre choix (on fera apparaitre les tracés). On note, à présent, l ibuprofène R OOH. 4. Écrire l équation de la réaction support de titrage. 5. Quelles caractéristiques doit posséder une réaction pour être utilisée lors d un titrage? Le pk A du couple auquel appartient l ibuprofène est, à 25, pk A = 4,5. 6. Placer sur un diagramme de prédominance des espèces du couple R OOH/R OO. En utilisant la courbe de titrage en Annexe, déterminer quelle espèce prédomine en début de titrage. La solution d hydroxyde de sodium (de concentration b) est initialement placée dans la burette. 7. alculer le ph de cette solution aqueuse dans l hypothèse d une solution diluée. 8. À l aide des questions 3.2. et 4., déterminer la quantité de matière d ions hydroxyde n E (HO ) versée à l équivalence et en déduire la quantité de matière n i (ibu) d ibuprofène titré. 9. Déduire des résultats précédents la masse m d ibuprofène titré et comparer cette dernière à la valeur attendue. On souhaite évaluer l incertitude U(m) sur la masse m liée aux différentes sources d erreurs avec un niveau de confiance de 95%. Dans ces conditions : - l incertitude sur la mesure du volume versé par cette burette est U vol = 0,16 ml ; - l incertitude sur la concentration en hydroxyde de sodium est U b = 0,010 mol.l -1. L incertitude U(m) sur la masse est alors telle que : Um ( ) æu ö æ vol U ö b = ç +ç m è VE ø è b ø 10. Présenter le résultat de la valeur de la masse m sous la forme m = m calculée ± U(m). 11. Parmi les indicateurs colorés acido-basiques proposés dans le tableau des données, quel est l indicateur le mieux adapté au titrage précédent. (Justifier la réponse). 2 2 Page 6 sur 8
NOM :. ANNEXES À RENDRE AVE LA OPIE PARTIE 1 : LA MOLÉULE D IBUPROFÈNE Questions 1. et 2.2. Questions 3.4. et 3.6. Figure 1 Figure 2 H 3 H H 3 H H 2 H 3 H 2 H 3 H H H 3 H H H OH O Formule semi-développée de l ibuprofène H H H 3 H H H OH O Formule semi-développée de l ibuprofène PARTIE 2 : FIGURE N 3 Étape n 5 du procédé Boots : Page 7 sur 8
NOM :. ourbe de titrage ph-métrique de la solution d ibuprofène par une solution d hydroxyde de sodium Page 8 sur 8