THEME AGIR Sous-thème Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux Chapitre 3 : STRATEGIES EN SYNTHESE RGANIQUE NTINS ET CNTENUS CMPETENCES ATTENDUES Stratégie de la synthèse organique Protocole de synthèse organique : - identification des réactifs, du solvant, du catalyseur, des produits ; - détermination des quantités des espèces mises en jeu, du réactif limitant ; - choix des paramètres expérimentaux : température, solvant, durée de la réaction, ph ; - choix du montage, de la technique de purification, de l analyse du produit ; - calcul d un rendement ; - aspects liés à la sécurité ; - coûts. Sélectivité en chimie organique Composé polyfonctionnel : réactif chimiosélectif, protection de fonctions. - Effectuer une analyse critique de protocoles expérimentaux pour identifier les espèces mises en jeu, leurs quantités et les paramètres expérimentaux. - Justifier le choix des techniques de synthèse et d analyse utilisées. - Comparer les avantages et les inconvénients de deux protocoles. - Extraire et exploiter des informations: * sur l utilisation de réactifs chimiosélectifs, * sur la protection d une fonction dans le cas de la synthèse peptidique, pour mettre en évidence le caractère sélectif ou non d une réaction. Pratiquer une démarche expérimentale pour synthétiser une molécule organique d intérêt biologique à partir d un protocole. Identifier des réactifs et des produits à l aide de spectres et de tables fournis. SMMAIRE I. Stratégie lors d une synthèse. 1. Etape préliminaire : Choix du protocole. 2. La réaction. 3. L extraction. 4. La purification. 5. L identification. 6. Le rendement. II. Sélectivité d une réaction. 1. Les composés polyfonctionnels. 2. Les réactifs chimiosélectifs. 3. La protection de fonctions. Activité documentaire : Activité expérimentale : ACTIVITE La synthèse peptidique Synthèse du paracétamol EXERCICES 9 ; 20 p 493-497 + (10) ; 11 ; 16 p 510-513 MTS CLES Chauffage à reflux, extraction, filtration sur Büchner, décantation, purification, recristallisation, identification, rendement, composé polyfonctionnel, réaction sélective, réactif chimiosélectif, protection et déprotection de fonction. M.Meyniel 1/7
STRATEGIES EN SYNTHESE RGANIQUE Jusqu à présent, nous avons étudié les espèces chimiques dans leur globalité tant au niveau macroscopique qu au niveau microscopique avec les fonctions présentes et les répartitions spatiale des atomes. Nous sommes attardés aussi sur les paramètres pouvant influencer une vitesse de réaction entre ces espèces chimiques, la ralentir, l accélérer, la favoriser dans un sens ou un autre. Nous avons aussi vu comment vérifier la qualité des produits obtenus par méthodes spectrales, comparatives, titrantes. Au final, toutes ces connaissances permettent au chimiste de synthétiser des espèces chimiques. Le but avoué d une synthèse chimique est : - soit de recopier la nature en fabriquant des espèces chimiques identiques à celle de la nature dans le cas d un appauvrissement du pool environnemental ou bien parce que la synthèse coûte moins chère que l extraction, - soit de produire des espèces artificielles, c est-à-dire qui n'existent pas dans la nature à l instar de médicaments ou de textiles synthétiques afin d obtenir des espèces présentant des propriétés plus intéressantes ou plus prononcées que les molécules naturelles (cas de la vanilline et l éthylvanilline, du glucose et de l aspartame, ) De quelles techniques expérimentales disposent les chimistes pour mener à bien leurs synthèses et contrôler le produit obtenu? Sur quels paramètres peuvent-ils jouer pour optimiser leur synthèse et quelles contraintes doivent-ils prendre en compte? C est tout l objet de ce cours au travers duquel nous allons essayer, dans un premier temps, de balayer toutes les techniques entrevues et pratiquées au lycée et que l on retrouve dans le domaine de la chimie de synthèse. Avant de voir dans un second temps, la spécificité que peuvent avoir certaines réactions chimiques dans un cadre plus théorique. I. Stratégie lors d une synthèse. 1. Etape préliminaire : Choix du protocole Cf tous les TP de chimie! Avant de lancer une réaction, le chimiste faut établir un protocole en choisissant : les réactifs appropriés et leur quantité à introduire : - soit on introduit les réactifs dans les proportions stœchiométriques pour s affranchir de tout excès, - soit un réactif est en excès, en général le moins cher ; un solvant permettant de solubiliser les réactifs dans la gamme de température souhaitée ; (si possible) un catalyseur afin d accélérer la réaction ; le réglage des paramètres expérimentaux : pression, température, durée de réaction, ph, ; le montage adapté. 2. La réaction. En général, pour accélérer la réaction, on a tendance à chauffer le milieu. n utilise alors un montage de chauffage à reflux : - chauffer permet d accélérer la réaction, - le réfrigérant permet de recondenser les vapeurs (= reflux) pour éviter toute perte de matière. Rq : * La réaction peut se dérouler à froid : - pour éviter de casser des liaisons, - si la réaction dégage déjà trop de chaleur (réaction dite exothermique). * Le chauffage favorise aussi la dissolution des espèces solides car la solubilité augmente avec la température. * Des grains de pierre ponce permettent de favoriser la formation initiale de bulles puis de réguler l ébullition. * L agitation permet d homogénéiser la température et la répartition des réactifs et produits. M.Meyniel 2/7
3. L extraction. Une fois la synthèse terminée, il faut isoler le produit désiré du reste du milieu (réactif en excès, catalyseur, solvant, sous-produits). Si le produit est solide, on a recours à une filtration sur Büchner. La pression réduite dans la fiole à vide assure une filtration rapide et un essorage efficace. Si le produit est en solution, on réalise une extraction liquide-liquide : Pour extraire un produit organique d une phase aqueuse, il faut choisir un solvant non miscible avec l eau et dans lequel le produit est la seule espèce soluble. Ainsi, lors du mélange des deux phases, les impuretés restent dans la phase aqueuse et le produit passe dans la phase organique. n sépare les deux phases à l aide d une ampoule à décanter. Rq : * Pour éliminer les dernières traces d eau dans la phase organique, on utilise un solide anhydre (e.g sulfate de magnésium anhydre) qui capte les molécules d eau. Dès pulvérulence du solide, la phase est dite séchée. * n utilise aussi l ampoule à décanter pour laver une phase organique : l ajout d eau va permettre de solubiliser les impuretés présentes dans la phase organique. Puis, on sépare la phase organique contenant le produit de la phase aqueuse contenant les impuretés avec l ampoule à décanter. * A la fin de la réaction, il faut toujours éliminer le solvant. Il peut être évaporé sous pression réduite. 4. La purification. En général, le produit obtenu à la fin n est pas pur. Si le produit est solide, des impuretés sont souvent emprisonnées dans les cristaux. n procède à une recristallisation pour purifier le produit. n choisit un solvant dans lequel le solide est insoluble à froid mais soluble à chaud et dans lequel les impuretés sont toujours solubles. En chauffant, on dissout le solide et les impuretés puis en refroidissant, le produit précipite sous forme de cristaux de nouveau alors que les impuretés restent dissoutes dans le solvant. n utilise un minimum de solvant afin de minimiser la perte de produit qui n aurait pas recristallisé. Si le produit est liquide, on utilise la distillation. Cette méthode est basée sur les différences de températures d ébullition du produit et des impuretés. En chauffant le milieu, des vapeurs se forment et montent le long de la colonne verticale. r, la température diminue au fur et à mesure de l ascension des vapeurs. Par conséquent, les espèces les moins volatiles (qui ont une température d ébullition plus élevée) se recondensent à l état liquide et retombent dans le ballon. L espèce la moins volatile continue son ascension sous forme de vapeurs. En parvenant en tête de colonne, elle sera recondensée par le tube réfrigérant et formera alors un distillat pur. Rq : * Il existe d autres techniques de purification comme la chromatographie sur colonne. M.Meyniel 3/7
5. L identification. A la fin de la synthèse, il faut vérifier que le produit obtenu est bien le bon et qu il est pur. Pour identifier un produit, il faut vérifier ses caractéristiques physiques ou chimiques. n détermine alors : - la température de fusion pour les solides (utilisation d un banc Köfler), - la température d ébullition pour les liquides, - l indice de réfraction pour les liquides, - les spectres UV-visible, IR et RMN, - la chromatographie (chromatographie sur couche mince CCM), - 6. Le rendement. Le rendement d une transformation chimique correspond au rapport de la quantité de matière de produit obtenue par la quantité de matière maximale attendue : rdt = n exp produit n max produit Rq : * Une synthèse doit répondre à une logique économique donc être la plus efficace possible : - le rendement doit s approcher de 100 % (ou 1) sachant que, s il y a en plusieurs étapes, alors le rendement total est égal au produit des rendements de chaque étape ; - il faut considérer les aspects liés à la sécurité (protection des individus [blouse, gants, lunettes, sans courir], pictogramme et consignes relatifs aux espèces manipulées [hotte, anhydre, ]) ; - la rapidité doit être optimale et le coût de revient minimal (prix des réactifs, des solvants, énergie nécessaire au chauffage) comme l impact environnemental (traitement des déchets, revalorisation des sous-produits, ). M.Meyniel 4/7
II. Sélectivité d une réaction. Cf TP 25 Au cours d une synthèse, l utilisation de molécules présentant plusieurs fonctions nécessite de nombreuses précautions si l on veut faire réagir qu un seul groupe d atomes sous peine de voir le rendement diminué! 1. Les composés polyfonctionnels. Les molécules polyfonctionnelles possédant plusieurs groupes caractéristiques, plusieurs fonctions. Ex : Le para-aminophénol, réactif utilisé dans la synthèse du paracétamol est un exemple de composé polyfonctionnel car il possède deux groupes caractéristiques : groupe amine groupe hydroxyle 2. Les réactifs chimiosélectifs. En synthèse, les réactifs sont souvent polyfonctionnels. Plusieurs fonctions sont alors susceptibles de réagir dans les conditions de l expérience. Dans la molécule ci-dessous de para-aminophénol, l atome d azote N du groupe amine et l atome d oxygène du groupe hydroxyle sont des sites donneurs de doublets d électrons. Lors de la synthèse du paracétamol, (presque) seul le groupe amine attaque le site accepteur de l anhydride d acide. H ' NH 2 + H NH H + La réaction est dite sélective : parmi plusieurs fonctions d une même molécule, une d entre-elles réagit préférentiellement avec l autre réactif. Ce dernier (l anhydride ici) réactif est dit chimiosélectif (il choisit la fonction avec laquelle il réagit). Ex : (1) Seule la fonction carboxylique de l aspirine réagit avec la soude à température ambiante alors qu à chaud et en présence d un excès de soude, toutes les fonctions de l aspirine réagissent. 25 C Seule une fonction réagit, la réaction est sélective 2 100 C H + CH 3 -C - Toutes les fonctions réagissent, la réaction est non sélective Rq : * La sélectivité dépend des réactifs mais aussi des conditions expérimentales. M.Meyniel 5/7
(2) Réaction d hydrogénation Sn(HCl) : réactif chimiosélectif Sn (HCl) LiAlH 4 LiAlH 4 : réactif non chimiosélectif NaBH 4 NaBH 4 : réactif chimiosélectif 3. La protection de fonctions. Lorsqu il n est pas possible de choisir des conditions pour orienter une réaction, c est-à-dire la rendre sélective, il convient de protéger les autres fonctions pour ne faire réagir que celle qui nous intéresse. Un groupe protecteur est un groupe qui réagit avec une fonction de la molécule. Cette fonction est temporairement transformée en une autre fonction qui ne sera pas modifiée lors des prochaines étapes de la transformation. A la fin, on retire le groupe protecteur pour retrouver la fonction initiale intacte. Conditions : Un groupe protecteur doit : - réagir de manière sélective avec la fonction à protéger ; - être stables lors des réactions suivantes ; - pouvoir être enlevé trivialement et de manière sélective une fois la réaction effectuée. Rq : * L utilisation d un groupe protecteur impose au moins 2 étapes en supplémentaires dans une synthèse (étape de protection + étape de déprotection) ; le rendement s en trouve forcément affecté. De plus, le nombre d atomes utilisés augmente considérablement ce qui est contraire à la chimie durable Ex : (1) Protection d une fonction amine : Fmoc milieu basique pipéridine Le groupe Fmoc est un groupe protecteur. En s associant au groupe amine, il l empêche de réagir par la suite notamment au niveau de l avant-dernière étape avec l aldéhyde. La réaction devient ainsi sélective car un seul groupe amine ne peut réagir et le rendement s en retrouve améliorer. n retrouve l amine de départ via une dernière étape de déprotection. (2) La synthèse peptidique : Exercice objectif bac p 513 M.Meyniel 6/7
Correction : 1. Analyser les documents 2. Interpréter À partir d un mélange d acide aspartique et de phénylalanine, on peut obtenir 4??? dipeptides différents. 3. Émettre des hypothèses a. Lors de la synthèse de l aspartame, le groupe carboxyle de la phénylalanine a été protégé. b. Lors de cette synthèse, il faut protéger le groupe amino de l acide aspartique et l un de ses groupes carboxyles. c. Pour obtenir l aspartame, il faut : - protéger le groupe amino de l acide aspartique ; - protéger le gp carboxyle le + éloigné du groupe amino de l acide aspartique ; - protéger le groupe carboxyle de la phénylalanine ; - activer le groupe carboxyle non protégé de l acide aspartique ; - faire réagir les espèces ainsi obtenues ; - déprotéger les groupes qui doivent l être. Compétences - Effectuer une analyse critique de protocoles expérimentaux pour identifier les espèces mises en jeu, leurs quantités et les paramètres expérimentaux. - Justifier le choix des techniques de synthèse et d analyse utilisées. - Comparer les avantages et les inconvénients de deux protocoles. - Extraire et exploiter des informations: * sur l utilisation de réactifs chimiosélectifs, * sur la protection d une fonction dans le cas de la synthèse peptidique, pour mettre en évidence le caractère sélectif ou non d une réaction. Pratiquer une démarche expérimentale pour synthétiser une molécule organique d intérêt biologique à partir d un protocole. Identifier des réactifs et des produits à l aide de spectres et de tables fournis. M.Meyniel 7/7