1 Synthétiser des molécules Cours 22 : Stratégie de synthèse organique I. Enjeux et principes. L objectif de la synthèse organique est de produire de nouvelles molécules ayant un intérêt biologique. Afin d obtenir une molécule organique particulière, il faut mettre en œuvre une stratégie de synthèse qui consistera à choisir judicieusement : - Les réactifs, - le solvant, - les quantités des espèces chimiques mises enjeu, - la température et la pression, - la durée de réaction, - le ph - le montage expérimental. II. Influence des différents paramètres dans une stratégie de synthèse. 1. Les réactifs. Le choix des réactifs initiaux va influer directement sur la nature de la transformation chimique à suivre. Le chimiste veille à commencer sa synthèse à partir d une molécule ayant une structure carbonée proche du produit à synthétiser. Exemple n 1 : Préparation de l aspirine (acide acétylsalicylique). On choisira l acide salicylique : pour synthétiser l aspirine : Exemple n 2 : Préparation du paracétamol : On choisira le para-aminophénol Pour synthétiser le paracétamol :
2 2. Le solvant. Le choix du solvant est lié à son aptitude à solubiliser tous les réactifs et produits intervenant dans la synthèse. Exemples de solvants classiques en Chimie organique : - L acétone, pyridine (solvate bien les cations, ne forme pas de liaison hydrogène) - Eau, éthanol (solvate bien les anions, forme des liaisons hydrogène) - Cyclohexane, dichlorométhane (solubilise bien les espèces chimiques organique sans réagir avec eux). CH3CH2OH CH2Cl2 CH3-CO-CH3 Ethanol Dichlorométhane Acétone Cyclohexane Pyridine Application : Synthèse du diphényl-2,3 benzodiazine-1,4 à partir de la diphényl-1,2 éthanedione-1,2 et du diamino-1,2- benzène. 2.1. Identifier les fonctions présentes dans les réactifs et le produit à partir du nom de chaque molécule. 2.2. Quel solvant choisira-t-on pour cette synthèse? Justifier. + + H2O Réponses : Fonction cétone (groupement carbonyle) diphényl-1,2 éthanedione-1,2 Groupement amine Fonction amine I aire diamino-1,2- benzène.
3 Fonction amine II aire Groupement amine diphényl-2,3 benzodiazine-1,4 (Groupement diazine) 2.2. On choisira l éthanol car il s agit d une molécule organique pouvant former des laisons hydrogènes avec les atomes d azote et d oxygène présents dans les réactifs. 3. Les quantités de matière mises en jeu. Le choix des quantités de matières mises en jeu permettra de définir quel sera le réactif limitant de la transformation chimique. (Voir les tableaux d évolution des systèmes chimiques). On souhaite synthétiser 0,134 mol d éthanoate d éthyle à partir éthanol et acide éthanoïque. x Le taux d avancement final f = 0,67 x max Quel protocole permettra d obtenir cette quantité de matière dans les conditions cinétiques optimales? Protocole 1 : 0,100 mol éthanol et 0,200 mol d acide éthanoïque. Protocole 2 : 0,200 mol d éthanol et 0,200 mol d acide éthanoïque. Protocole 3 : 0,200 mol d éthanol et 0,300 mol d acide éthanoïque. Réponse : Protocole 3 : 0,200 mol d éthanol et 0,300 mol d acide éthanoïque. On obtiendra bien un avancement final xf = 0,67 0,200 = 0,134 mol. De plus prendre un excès d acide éthanoïque permet d accélérer la réaction car la concentration est un facteur cinétique. 4. La température et la pression. 4.1. La température est un facteur cinétique, c'est-à-dire qu elle influe sur la cinétique de la transformation. Quand on augmente la température du mélange réactionnel, la vitesse de réaction augmente. 4.2. La pression peut influer sur la transformation chimique. Il existe par exemple des techniques «hyperbars» qui permettent de synthétiser des molécules organiques volumineuses sans trop chauffer (ce qui évite la détérioration de la molécule) et sans utiliser trop de solvant. On peut également séparer les produits d une transformation chimique par distillation fractionnée sous pression réduite. Le point d ébullition d un produit dépend de la pression, c est pourquoi la distillation à pression réduite est nécessaire lorsque le point d ébullition est trop haut. Il est alors abaissé en réduisant la pression.
4 5. La durée de réaction. Si la transformation est lente, la durée du chauffage devra être suffisante pour obtenir le produit de synthèse souhaité avec un rendement suffisant. Un suivi de l évolution de l apparition du produit synthétisé et de la disparition du ou des réactifs peut être réalisé par chromatographie C.C.M. La benzocaine peut être préparée au laboratoire à partir d acide 4-aminobenzoique et d éthanol, selon la réaction, d équation : Des C.C.M. ont été réalisées à différents moments de la transformation. Replacer dans l ordre chronologique de formation de la benzocaïne les résultats expérimentaux suivants : 1 : Acide 4-aminobezoïque 2 : Benzocaïne pure. 3 : Produit de synthèse. CCM A CCM B CCM C Réponses : B, A et C Dans la CCM B, il n y a que l acide 4-aminobezoïque. Il n y a pas encore de benzocaïne synthétisée. Il s agit du début de la réaction. Dans la CCM A, il y apparition de benzocaïne et il reste encore de l acide 4-aminobezoïque. Nous sommes en cours de réaction. Dans la CCM C, il ne reste plus d acide 4-aminobezoïque et toute la benzocaïne a été formée. 6. Le ph. Influer sur le ph du milieu réactionnel revient essentiellement à modifier la solubilité des espèces chimiques mises en jeu. Exemple : Synthèse du paracétamol. A ph neutre (ph = 7), le para-aminophénol n est pratiquement pas soluble dans l eau. Par contre, en milieu acide (ajout d acide éthanoïque), il passe sous forme ionique qui elle, est soluble dans l eau.
5 Ecrire la forme ionique du para-aminophénol Réponse : CH 3COOH para-aminophénol (forme basique insoluble dans l eau) (forme acide soluble dans l eau) 7. Le montage expérimental. Les montages de synthèse organique sont conçus pour accélérer la transformation chimique par chauffage. Toutefois, on peut distinguer différents dispositifs : Les montages de synthèse organique sont conçus pour accélérer la transformation chimique par chauffage. Toutefois, on peut distinguer différents dispositifs : Chauffage à reflux Montage de distillation simple Attribuer à chaque montage des propriétés suivantes : Chauffage à reflux Accélère la réaction chimique. Evite les pertes de matière. Permet la séparation des produits formés. Permet de purifier un produit. Source : Académie Montpellier Montage de distillation simple Accélère la réaction chimique. Evite les pertes de matière. Permet la séparation des produits formés. Permet de purifier un produit.
6 8. Détermination du rendement d une transformation chimique. Comment déterminer le rendement de la transformation suivante? On dispose de 9,2 g d acide et de 11,5 g d alcool. On obtient à la fin de 6,95 g d ester. Le rendement est le quotient de la quantité de matière du produit P obtenu expérimentalement sur la quantité de matière attendu théoriquement. = n exp n Théor Le rendement peut être calculée à partir des masses à la condition d avoir obtenue ces masses à partir des quantités de matières.ρ = m exp m Theor Dans tous les cas, il faut faire un bilan de matière avec ou sans tableau d avancement. Etape 1 : Détermination des quantités de matière. Quantité de matière d acide méthanoïque introduit Quantité de matière d éthanol introduit Quantité de matière de méthanoate d éthyle obtenue na = m A = 9,2 = 0,20 mol M A 46,0 nal = m Al = 11,5 = 0,25 mol M Al 46,0 ne = m e = 6,95 = 0,0939 mol M e 74,0 Etape 2 : Identification du réactif limitant. Le réactif limitant est l acide méthanoïque car il est ici en plus faible quantité à coefficients stœchiométriques équivalents. xmax = 0,20 mol. Etape 3 : Calcul du rendement. = n exp 100 = 0,0939 100 = 47 %. n theor 0,20 Etape 4 : Discussion sur le résultat. On peut supposer que la durée de réaction n a pas été suffisante.