CHAPITRE 14 Chimie organique pour les médicaments : techniques d identification, extraction, séparation et synthèse. Le chimiste cherche à produire des espèces chimiques utilisables en tant que médicaments. Il peut utiliser diverses techniques pour extraire ces substances à partir de plantes mais il peut également les synthétiser à partir d autres espèces chimiques présentes au laboratoire. Il lui faut aussi séparer et identifier les espèces chimiques recherchées. I Comment caractériser et identifier une espèce chimique? I.1 Caractéristiques physiques d une espèce Pour identifier une espèce chimique, on peut se fier à son aspect, son état physique, sa couleur, mais également à bien d autres caractéristiques physiques. Exemple : L acétone, de formule brute C 3 H 6 O, est un solvant organique incolore, liquide à température ambiante et d odeur caractéristique. Rappel : On parle de composé organique lorsque l un des éléments constitutifs est le carbone. Températures de changement d état La mesure de la température de fusion T fus (changement d état solide liquide) ou d ébullition T éb (changement d état liquide gaz) d une espèce chimique permet de l identifier par comparaison avec les valeurs répertoriées dans les tables de données. On utilise un banc Kofler pour déterminer T fus d un échantillon : c est une plaque chauffante qui présente un gradient de température sur lequel on déplace l échantillon jusqu à trouver son point de fusion. Exemple : T fus (Acétone) = 94, 6 C, T éb (Acétone) = 56, 1 C.
I. COMMENT CARACTÉRISER ET IDENTIFIER UNE ESPÈCE CHIMIQUE? Masse volumique et densité La masse volumique ρ d une espèce chimique est définie par le rapport : ρ = m V, où m (en kg) est la masse d un échantillon et V (en m 3 ) est le volume de cet échantillon. Il faut connaître sa valeur pour l eau : ρ eau = 1, 0 10 3 kg.m 3 = 1, 0 kg.l 1. Pour cela, on retiendra que la masse d une bouteille de 1L d eau est de 1 kg. La densité d d une espèce chimique solide ou liquide est définie par le rapport : d = ρ ρ eau, où ρ et ρ eau, exprimées dans la même unité, sont les masses volumiques de l espèce considérée et de l eau. d est un nombre sans unité. Exemple : d (Acétone) = 0, 783 à 20 C. Comme d (Acétone) < 1, l acétone est moins dense que l eau! Indice de réfraction L indice de réfraction n caractérise un milieu transparent. Il est mesuré avec un réfractomètre et permet d identifier un liquide transparent. Exemple : n (Acétone) = 1, 3560. Solubilité et miscibilité La solubilité d une espèce chimique caractérise son aptitude à se dissoudre dans un solvant. Elle est très variable selon le solvant. Une espèce passe spontanéement d un solvant où elle est peu soluble à un solvant où elle est plus soluble. C est sur cette dernière propriété que s appuie la technique d extraction d une espèce par un solvant. La miscibilité désigne usuellement la capacité de divers liquides à se mélanger. Exemple : L acétone est miscible avec l eau mais aussi la plupart des huiles. I.2 La chromatographie sur couche mince (CCM) Principe La chromatographie sur couche mince permet de séparer et d identifier les différentes espèces chimiques présentes dans un mélange, en utilisant la différence de solubilité de ces espèces dans un solvant appelé éluant. G. GREDAT Page 2 Cours de seconde
II. COMMENT EXTRAIRE UNE ESPÈCE CHIMIQUE? Lors de la CCM, les constituants du mélange cheminent sur un support solide, appelé phase fixe, car ils sont entraînés par l ascension capillaire d une phase mobile liquide : l éluant. Obtention et exploitation du chromatogramme Étape 1 : on trace une ligne de dépôt sur la couche mince à environ 2 cm du bord bas. On dépose sur cette ligne le mélange à étudier et des composés de référence à l aide d un tube capillaire. Exemple : on souhaite analyser des essences de clous de girofle, aux vertus antiseptiques, obtenues à l issue d une hydrodistillation. H Le mélange étudié est noté M, une solution d eugénol E est utilisée comme référence ainsi qu une solution A d acétate d eugényle. h Étape 2 : la plaque est placée verticalement dans une cuve contenant l éluant. La ligne de dépôt doit se situer au dessus du niveau de l éluant. E A M Front de l éluant Ligne de dépôt Étape 3 : lorsque l éluant est arrivé à environ 2 cm du bord haut, on relève la plaque et on trace le front de l éluant. À la fin, les espèces du mélange et des composés de référence sont localisées à différentes hauteurs sur la plaque. Si ces espèces sont incolores, il faut procéder à une révélation pour les rendre visibles (sous UV ou par révélation chimique). Pour chaque tache révélée, on définit un rapport frontal : R f = h H. Il apparaît autant de taches que l échantillon contient d espèces chimiques différentes. Deux corps présentant le même rapport frontal R f sur la même plaque sont identiques. En comparant les rapports frontaux des taches laissées par l échantillon étudié aux rapports frontaux des taches laissées par les corps de référence (authentiques), il est possible de déterminer la composition de l échantillon. Si le corps étudié ne présente qu une tache après révélation on peut affirmer qu il est pur. Dans l exemple, on peut assurer que l essence de girofle n est pas pur et contient à la fois de l eugénol et l acétate d eugényle. Animation sur ostralo.net : Couleurs des gélules et comprimés par chromatographie. II Comment extraire une espèce chimique? Depuis toujours, l Homme a utilisé les matières premières de son environnement, telles que les fleurs, les fruits, les feuilles ou les écorces pour en extraire des colorants, des principes actifs, des espèces odorantes, etc. Quelles techniques a-t-il élaborées? II.1 Extraction par solvant Extraction solide liquide On immerge le produit naturel solide (feuilles, racines, fleurs, fruits...) dans un solvant de manière à laisser les espèces chimiques y migrer : Si le solvant est froid, le technique se nomme macération. Si le solvant est chaud, on parle d infusion. Si le solvant initialement froid est porté à ébullition, il s agit d une décoction. G. GREDAT Page 3 Cours de seconde
II. COMMENT EXTRAIRE UNE ESPÈCE CHIMIQUE? Extraction liquide liquide Lorsqu une espèce chimique est en solution dans l eau, on utilise un solvant organique pour l extraire. Pour que l extraction d une espèce chimique dans l eau soit efficace, deux conditions doivent être remplies : il faut que cette espèce soit plus soluble dans le solvant extracteur que dans l eau ; le solvant extracteur ne doit pas être miscible avec l eau, c est à dire qu il ne doit pas pouvoir se mélanger à l eau. À l issue de l extraction, l espèce chimique est dissoute dans le solvant organique constituant la phase organique, l autre phase est la phase aqueuse (eau). La verrerie que l on utilise est l ampoule à décanter. On ajoute le solvant organique, on agite et dégaze fréquemment puis on laisse décanter. La phase la plus dense est située en dessous de la phase la moins dense. Avant l extraction Après l extraction phase organique : cyclohexane d = 0, 779 < 1 phase organique rose foncée contenant le diiode (d < 1) phase aqueuse : solution brune de diiode phase aqueuse incolore II.2 Hydrodistillation C est une technique très ancienne permettant d extraire des espèces chimiques volatiles, très peu solubles dans l eau, présentes dans les fleurs, les écorces, les fruits etc et d obtenir des huiles essentielles. On fait bouillir dans un ballon le produit naturel avec l eau. La vapeur entraîne les espèces chimiques. La condensation de ces vapeurs à l aide d un réfrigérant fournit un distillat constitué d une phase aqueuse (hydrolat) et d une phase organique (l huile essentielle) qui surnage du fait de sa densité inférieure. Un support élévateur est toujours utilisé avec un chauffe-ballon pour pouvoir l éloigner rapidement du ballon en cas de problème. thermomètre entrée eau froide Réfrigérant à eau Sortie eau froide Ballon eau + produit naturel Chauffe-ballon support élévateur Phase organique (huile essentielle) Phase aqueuse (hydrolat) G. GREDAT Page 4 Cours de seconde
III. COMMENT SYNTHÉTISER DES ESPÈCES CHIMIQUES? III Comment synthétiser des espèces chimiques? Nous avons vu qu il était possible d extraire des éléments chimiques utiles dans le domaine de la santé à partir de produits naturels. Cependant les procédés techniques sont coûteux, les rendements faibles et ces molécules sont disponibles en trop petite quantité pour faire face à la demande mondiale. Il n y a alors d autre choix que de les fabriquer artificiellement. On parle alors de synthèse. Celles-ci permettent non seulement de reproduire les molécules naturelles, mais aussi d en fabriquer de nouvelles aux propriétés améliorées. III.1 Nécessité de la chimie de synthèse sur un exemple L aspirine est un antalgique et un antipyrétique connu depuis très longtemps. Son principe actif, l acide acétylsalicylique, peut être obtenu naturellement à partir de l écorce de saule (on parle d hémisynthèse). Aujourd hui, c est l un des médicaments les plus consommés au monde 40 000 tonnes/an. Combien faut-il de saules pour répondre à cette demande? On peut estimer qu un saule occupe 20 m 2 de terrain et est capable de produire 3 kg du principe actif par an. Pour palier à la consommation mondiale, il faut donc planter : 40 000 10 3 kg/an 20 m 2 3 10 8 m 2 3 kg/an 30 000 ha de saules 3 fois la surface de Paris. On comprend donc l intérêt de procéder à une synthèse à partir de molécules disponibles au laboratoire pour concevoir une stratégie de commercialisation d un médicament. III.2 Quelques techniques expérimentales Chauffage à reflux Le chauffage à reflux permet d élever la température du milieu réactionnel pendant une longue durée sans perte de matière par évaporation. En effet les gaz se condensent dans le réfrigérant vertical et retombent à l état liquide dans le ballon! Chauffage à reflux Sortie eau froide Réfrigérant à eau Entrée eau froide Ballon Mélange réactionnel Chauffe-ballon support élévateur filtration Ensuite, pour séparer une phase solide d une phase liquide obtenue après reflux, il faut filtrer. Deux méthodes sont possibles : Filtration simple Filtration sous pression réduite papier filtre phase liquide phase solide entonnoir filtrat büchner papier filtre joint Aspiration fiole à vide filtrat phase liquide phase solide G. GREDAT Page 5 Cours de seconde
III. COMMENT SYNTHÉTISER DES ESPÈCES CHIMIQUES? thermomètre distillation La distillation est un procédé très ancien. On trouve les premières traces de cette technique en Irak en 3500 avant J.C. Pour distiller, on utilisait des alambics. Ceci a permis de fabriquer d abord des parfums, de l essence ou des médicaments, puis de produire des eaux-de-vie à partir de jus de fruits fermentés. La distillation consiste à chauffer un mélange de liquides : le plus volatile s évapore en premier, les vapeurs montent dans la colonne de distillation (ou colonne de vigreux) qui permet d en condenser une partie qui retombe dans le ballon et de laisser passer l autre partie formée essentiellement du liquide dont la température d ébullition est la plus faible. Le tube réfrigérant permet ensuite de condenser ces vapeurs et de recueillir, à la sortie, un distillat très pur. entrée eau froide colonne de Vigreux Ballon distillat produit à distiller Chauffe-ballon Réfrigérant à eau Sortie eau froide support élévateur Exercices Exercice 1 : Identification des principes actifs d un médicament par CCM Le pharmacien a retrouvé dans le fond d un tiroir plusieurs cachets d un médicament. Pour retrouver de quelle boîte ils proviennent, il a effectué la chromatographie suivante : A B C D Données : Front de l éluant Ligne de dépôt principe actif Sur la CCM, il a fait 4 dépôts : A : Médicament à analyser ; B : acide acétylsalicylique ; C : paracétamol ; D : caféine. Interpréter le résultat obtenu à l aide des données et trouver de quel médicament il s agit. médicament paracétamol acide acétylsalicylique caféine Doliprane aspirine du Rhône R claradol Actron R Exercice 2 : Élaborer un protocole d extraction pour l estragol L huile essentielle d estragon, contenant l espèce chimique nommée estragol, aurait des vertus antiallergiques. Après hydrodistillation des feuilles d estragon, on procède à une extraction de l huile essentielle par solvant de manière à séparer les deux phases du distillat. Quel solvant utiliser pour extraire l estragol? Eau Éthanol Dichlorométhane cyclohexane Densité 1 0,80 1,48 0,78 Solubilité de l estragol peu soluble très soluble très soluble très soluble Miscibilité à l eau oui non non Pictogramme G. GREDAT Page 6 Cours de seconde