TP de Chimie Organique - ENSCMu
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TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 Brahim ZARDOUA Du 12 janvier au 03 mars 2010 Travaux Pratiques de Chimie Organique et Bioorganique Synthèse multi étapes N°62 (3R,4aR,10aR)-3,7,7,10-pentméthyl-5-oxo6,8,9-trioxa-1,2,3,4,4a,5,6,7,8,9,10,10adodécahydrophénanthrène Encadrants : D. JOSIEN H. CHAUMEIL P. LLOPIZ 1 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 SOMMAIRE I- PARTIE THEORIQUE .................................................................................................... 3 II- PARTIE EXPERIMENTALE ........................................................................................ 4 1- Préparation du diacétate d’éthylènediammonium A ................................................................ 4 2- Préparation de dichromate de pyridinium B ............................................................................ 5 3- Préparation de l’acide de Meldrum C ...................................................................................... 7 4- Préparation du citronellal D ..................................................................................................... 9 5- Préparation du produit E ........................................................................................................ 11 III- CONCLUSION GENERALE ....................................................................................... 14 IV- REFERENCES BIBILOGRAPHIQUES ................................................................ .14 Phrase de Risques et de Sécurité Annexes (spectres RMN 1H) 2 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 I- PARTIE THEORIQUE But Le but de ce TP est de synthétiser un composé (nom trop compliqué !) en plusieurs étapes. A chaque étape, la pureté du produit obtenu est vérifiée soit par mesure de son point de fusion ou par son indice de réfraction avant de l’utiliser dans l’étape suivante. A chaque étape, on va décrire d’éventuelles observations durant l’expérimentation, établir les mécanismes réactionnels correspondant à la réaction mise en jeu ainsi que les résultats obtenus (points de fusion, indice de réfraction, rendements). Le schéma global de la synthèse est le suivant : NH2 H2N + CH3COOH glacial Cr3O + H2O 1) C5H5N OH (C5H5NH)+2 , Cr2O2-7 B dichromate de pyridinium + Et2O O 2) acétone pdt 20h, TA NH3+ NH3+ 2 CH3COO- + N2 A diacétate d'éthylènediammonium D (R)-citronellal (R)-citronellol + O H O O O O O O H 1) MeOH sec à 10 °C O 2) O O pdt 30' O retour à TA O C Acide de Meldrum n produit désiré E C16H24O4 MM = 280 g.mol-1 2) Acétone dist 1) H+ O O O OH + O O anhydride acétique acide malonique à 0 °C Schéma 1 : synthèse du produit E La description du mécanisme de chaque étape sera faite par la suite. 3 TP de Chimie Organique - ENSCMu II- 2010 PARTIE EXPERIMENTALE Tous les solvants qui ont été utilisés dans cette synthèse ont été préalablement purifiés par séchage puis distillés avec des fils de sodium et de benzophénone sous atmosphère inerte. Le principe de cette purification a été décrit dans les deux rapports précédents (synthèses monoétapes). Préparation du diacétate d’éthylènediammonium A Propriétés physicochimiques et quantités mises en jeu Les quantités mises en jeu, ainsi que les propriétés physicochimiques relatives aux divers composés sont présentées dans le tableau ci-après : Acide acétique glacial Ether Ethylènediamine C2H4O2 C4H10O C2H8N2 Diacétate d’éthylènedimmonium C2H10N2,C4H6O4 4g 60,052 3,33 mL 74,1216 2g 60,103 5,3 g 180 1,342 117,87 0,7134 35 0,899 116 - Formule chimique Quantité Masse Molaire (g.mol-1) Densité d204 Eb 760 (°C) Mécanisme réactionnel Il s’agit d’une simple réaction acido-basique : O 2 + OH H2N NH2 Et2O NH3+ Réaction aicde-base NH3+ , 2CH3COO- diacétate d'éthylènediammonium A Résultats et discussion Aspect et masse Le produit est sous forme de cristaux incolores de masse : m=5,3 g Soit un nombre de moles : nexp = m/M = 5,3/180= 0,0294 mol Température de fusion Température de fusion relevée : Tfusion=110-112 °C Rendement Calculons le rendement : - Masse théorique du produit Le réactif limitant est l’éthylènediamine de masse m = 2 g et M = 60 g.mol-1 Nombre de moles n = 0,0333 mol, donc le nmax = 0,0333 mol La masse théorique du diacétate d’éthylènediammonium est donc : m = n(diacétate d’éthylènediammonium) x M(diacétate d’éthylènediammonium)=0,0333 x 180 m=5,994 g Rendement = mexp/mth = 5,3/5,994 = 88,4 % 4 TP de Chimie Organique - ENSCMu Expérimental Théorique1 Rendement 88,4 % 75 % 2010 T fusion 110-112 °C 114 °C Le rendement de cette réaction est bon et le point de fusion témoigne de la pureté de ce produit. Fiche de données de sécurité DL50 Acide acétique glacial Ether diéthylique Ethylènediamine 331 mg·kg-1 (rat, oral) 525 mg·kg-1 (souris) 1215 mg.kg-1 (rat, oral) 637-1850 mg.kg-1 (rat) 560 mg.kg-1 (lapin) Diacétate d’éthylènedimmonium - Type de danger Danger C : Corrosif F+ : Facilement inflammable Xn : nocif C : corrosif Danger Danger Phrases de Risque R Phrase de Sécurité S N° CAS 10,35 12,19,22,66,67 10,21/22,34,42/43 - ½,23,26,45 (2),9,16,29,33 ½,23,26,36/37/39,45 - 64-19-7 60-29-7 107-15-3 - Préparation de dichromate de pyridinium B Propriétés physicochimiques et quantités mises en jeu Les quantités mises en jeu, ainsi que les propriétés physicochimiques relatives aux divers composés sont présentées dans le tableau ci-après : 5 TP de Chimie Organique - ENSCMu Formule chimique Quantité Masse Molaire (g.mol-1) Densité d204 Eb 760 (°C) 2010 pyridine C4H5N Oxyde de chrome CrO3 acétone C3H6O Dichromate de pyridinium (C5H5NH)+2 , Cr2O2-7 15,8 g 79.0999 20 g 99,9943 80 mL 58,0791 30,4 376,21 0,9819 115,35 2,70 < 250 0,79 56,05 - Mécanisme réactionnel - O 2 Cr O O prototropie 2 O Cr O H2O O O N O O H OH N O Cr O OH OH + HO Cr O Cr O Acide dichromique + OH prototropie HO Cr O Cr OH O O Cr O + OH2 O OH OH O H +N + O - O- O H +N O Cr O Cr O O O dichromate de pyridinium B Réactif de Sarret Schéma 2 : mécanisme réactionnel de formation de dichromate de pyridinium B Résultats et discussion Aspect et masse Le produit obtenu est sous forme de cristaux oranges de masse : m=30,4 g Soit un nombre de moles : nexp = m/M = 30,4/376= 0,0808 mol Température de fusion Température de fusion relevée : Tfusion=143-149 °C Rendement Calculons le rendement : - Masse théorique du produit Le réactif limitant est la pyridine de masse m = 15,8 g et M = 79 g.mol-1 Nombre de moles n = 0,2 mol, donc le nmax = 0,2 mol Rendement : = nexp/nth = 0,0808/0,2 = 40,4 % Expérimental Théorique Rendement 40,4 % ? T fusion 143-149 °C 149 °C 6 TP de Chimie Organique - ENSCMu DL50 2010 Fiche de données de sécurité Pyridine Oxyde de chrome Acétone 891 mg·kg-1 (rat, oral) - >5000 mg.kg-1 (oral) >20 g.kg-1 (lapin,cutané) T+ : très O : comburant toxique F : facilement inflammable Dichromate de pyridinium - Type de danger Danger Xn : nocif F : inflammable N : nocif pour l’environnement O : comburant T : toxique Xi : irritant Danger N : nocif pour l’environnement Danger Danger Phrases de Risque R 11,20/21/22 9,24/25,26,35,42/43, 45,46,48/23 11, 36, 66, 67 Phrase de Sécurité S N° CAS (2),26,28 45, 53, 60, 61 2, 9, 16, 26, 46 49,8,43,50/53 61,60,46,45,20 /21/22,40,36/ 37/38 - 110-86-1 1333-82-0 67-64-1 20039-37-6 Préparation de l’acide de Meldrum C Propriétés physicochimiques et quantités mises en jeu Les quantités mises en jeu, ainsi que les propriétés physicochimiques relatives aux divers composés sont présentées dans le tableau ci-après : 7 TP de Chimie Organique - ENSCMu Formule chimique Quantité Masse Molaire (g.mol-1) Densité d204 Eb 760 (°C) 2010 Acide malonique C3H4O4 Anhydride acétique C4H6O3 Acide sulfurique H2SO4 Acide de Meldrum 10 g 104,06 12,48 102,0886 0,3 mL 98,078 30,4 144,1253 1,67 - 1,082 139 1,8305 340 94-95 C6H8O4 Mécanisme réactionnel H O O + OH OH OH + O OH O O O OH Déshydratation O Prototropie OH OH O O O + O + H2O + OH HO Addition nucléophile Cyclisation O O + OH O O O - H+ O O Acide de Meldrum C Schéma 3 : mécanisme de formation de l’acide de Meldrum C Résultats et discussion Aspect et masse Le produit obtenu est sous forme de cristaux blancs (acide de Meldrum) de masse : m=6,7 g Soit un nombre de moles : nexp = m/M = 6,7/144= 0,0465 mol Température de fusion Température de fusion relevée : Tfusion=93 °C Rendement Calculons le rendement : 8 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 - Masse théorique du produit Le réactif limitant est l’acide malonique de masse m = 10 g et M = 104 g.mol-1 Nombre de moles n = 0,0961 mol, donc le nmax = 0,0961 mol Rendement : = nexp/nth = 0,0465/0,0961 = 48,4 % Rendement T fusion 48,4 % 93 °C Expérimental ? 96 °C Théorique Le rendement est moyen, on n’a pas pu trouver une référence pour comparer. Fiche de données de sécurité Acide malonique 1310 mg·kg-1 (rat) DL50 Anhydride acétique 1 780 mg·kg-1 (rat, oral) Acide sulfurique Acide de Meldrun 2140 mg.kg-1 (rat) - Type de danger Danger C : corrosif Xi : irritant Danger Danger Phrases de Risque R Phrase de Sécurité S N° CAS Xn : nocif 20,21,22 26,36,37,39 141-82-2 T : toxique C : corrosif 10,20/22,34 (1/2),26, 36/37/39,45 108-24-7 Danger 35 36/37/38,45 (1/2),26,30,45 37/39,24/25,53,45,36,26 7664-93-9 2033-24-1 Préparation du (R)-citronellal D Propriétés physicochimiques et quantités mises en jeu Les quantités mises en jeu, ainsi que les propriétés physicochimiques relatives aux divers composés sont présentées dans le tableau ci-après : 9 TP de Chimie Organique - ENSCMu Formule chimique Quantité Masse Molaire (g.mol-1) Densité d204 Eb 760 (°C) (R)citronellol C10H20O dichlorométhane 8,3 g 156,2652 Dichromate de pyridinium (C5H5NH)+2 , Cr2O2-7 30,4 g 376,21 0,855 225 - 2010 (R)-citronellal CH2Cl2 Acide chlorhydrique 1M HCl 75 mL 84,933 Un peu 36,461 5,5 g 154,25 1,328 40 1,16 48 0,855 201-207 C10H18O Mécanisme réactionnel H O OH + O O HO Cr O Cr OH O H O OH Cr O O OH + O Cr O OH OH (R)-citronellol O Cr O Réactif de Sarret + O OH OH Cr OH O O + (R)-citronellal D Schéma 4 : mécanisme de formation du citronellal D Remarque : La manipulation est effectuée sous atmosphère d’azote afin d’éviter l’oxydation de l’aldéhyde formé en acide carboxylique. En effet, l’oxygène de l’air est capable de transformer une fonction aldéhyde en une fonction acide carboxylique. Résultats et discussion Aspect et masse Le produit obtenu est sous forme de liquide jaune de masse : m=5,5 g Soit un nombre de moles : nexp = m/M = 5,5/154= 0,0357 mol Indice de réfraction Nous avons ensuite déterminé l’indice de réfraction de ce produit à 17,6°C : Expérimental : n17,6d=1,4535 Théorique : n20d=1,4511 L’indice de réfraction augmente lorsque la température diminue. Par conséquent : Expérimentalement : n20d=1,4535 - T x 0,00045=1,4535 - x 0,00045=1,4524 avec une erreur de 1,32 x 10-3 < 2,5 x 10-3 Rendement Calculons le rendement : - Masse théorique du produit Le réactif limitant est le citronellol de masse m = 8,3 g et M = 156 g.mol-1 Nombre de moles n = 0,0532 mol, donc le nmax = 0,0532 mol 10 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 Rendement : = nexp/nth = 0,0357/0,0532 = 67,1 % Expérimental Théorique DL50 Type de danger Phrases de Risque R Phrase de Sécurité S N° CAS Rendement 67,1 % ? T ébullition inconnu 206-208 °C Fiche de données de sécurité (R)-citronellol Acide chlorhydrique 1M 3450 mg/kg (rat, oral) 900 mg·kg-1 (lapin, oral) Indice de réfraction 1,4524 1,4511 dichlorométhane 1600 mg.kg-1 (rat, oral) (R)-citronellal - Xi : irritant C : corrosif Xn : nocif Xi : irritant Danger Danger Attention Danger 36/37/38 34,37 40 36/37/38 26,36,24/25 26,36,45 2,23,24/25,36/37 26,37/39 106-22-9 7647-01-0 75-09-2 106-23-0 Préparation de l’acide du produit final E Propriétés physicochimiques et quantités mises en jeu Les quantités mises en jeu, ainsi que les propriétés physicochimiques relatives aux divers composés sont présentées dans le tableau ci-après : Formule chimique Quantité Masse Molaire (g.mol-1) Densité d204 Eb 760 (°C) (R)citronellal C10H18O 5,5 g 154,25 Acide de Meldrum C6H8O4 5,12 g 144,1253 Ethylènedimmonium Produit final E C2H10N2,C4H6O4 0,25 g 180 C16H24O4 0,855 201-207 94-95 - - 280 11 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 Mécanisme réactionnel H O OH + O H O O HO Cr O Cr OH O OH Cr O OH + O O Cr O OH OH (R)-citronellol O Cr O Réactif de Sarret + OH OH O Cr O O + OH (R)-citronellal D H NH3+ , 2CH3COO- NH3+ H O O O O O O OH O O O O O O Elimination O O O O O O Diels-Alder intramoléculaire O O O Produit E Schéma 5 : mécanisme de formation du produit final E Résultats et discussion Analyse RMN 1H Hd Hd' He He' Hf CH3(3) Hc' HcO Ha Hb CH3(2) O CH3(1) O CH3(2) O CH3(1) RMN 1H ( ? MHz, CDCl3) δ (ppm) : 0,6 (q, 1H, Ha), 0,9 (d, 3H, CH3(3)), 1,2-1,4 (2s, 6H, 2 CH3(2)), 1,7 (2s, 6H, 2 CH3(1)), 2,1 (q, 1H, Hb), 1,5-1,6 (m, 1H, Hf), 1,3-1,4 (td, 2H, Hc et Hc’). Pour les 2H (e et e’) et les 2H (d et d’) ; le spectre est trop compliqué! s : singulet, d : doublet, q : quadruplet, m : multiplet, td : triplet du doublet, 12 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 Le spectre RMN du proton est joint en annexe (1) (PS : Je n’ai pas eu les informations nécessaires pour le calcul des constantes de couplage) Aspect et masse Le produit obtenu est sous forme de cristaux jaunes de masse : m=1,7 g Soit un nombre de moles : nexp = m/M = 1,7/280= 0,00607 mol Température de fusion Température de fusion relevée : Tfusion=83 °C Rendement Calculons le rendement : - Masse théorique du produit Le réactif limitant est l’acide de Meldrum de masse m = 5,12 g et M = 144 g.mol-1 Nombre de moles n = 0,0355 mol, donc le nmax = 0,0355 mol Rendement : = nexp/nth = 0,00607/0,0355 = 17,1 % Rendement 17,1 % ? Expérimental Théorique Fiche de données de sécurité (R)-citronellal Acide de Meldrum DL50 - - Type de danger T fusion 83 °C 86 °C Diacétate Hydrogénocarbonate d’éthylènedimmonium de sodium > 4000 mg.kg-1 (rat, oral) - Xi : irritant T : toxique Xi : irritant Xi : irritant Danger Phrases de Risque R Phrase de Sécurité S N° CAS Danger 36/37/38 36/37/38,45 - Danger - 26,37/39 37/39,24/25,53,45,36,26 - 24/25 106-23-0 2033-24-1 - 144-55-8 13 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 Rendement global de cette synthèse : Le rendement global d’une synthèse multi-étape se calcule en multipliant les rendements de toutes les étapes entre eux : Rdt1 x Rdt1 x Rdt3 x Rdt4 x Rdt5 =0,884 x 0,404 x 0,484 x 0,671 x 0,17 =2% C’est un rendement très faible. Ce qui est dû logiquement à la perte des produits intermédiaires préparés durant les 5 étapes, notamment, lors de la dernière étape où je n’ai pas eu le temps suffisant pour retraiter les eaux mères de recristallisation du produit E. En effet, en vérifiant par chromatographie, j’ai constaté encore la présence du produit E. III- CONCLUSION GENERALE Ce TP nous a permis de synthétiser un tricycle via plusieurs étapes. Le rendement de chaque étape était plutôt moyen hormis la dernière étape (raisons expliquées plus haut). Ce qui a provoqué une diminution très significatif du rendement global. Ces séances de TP nous ont permis d’approfondir nos connaissances théoriques et pratiques en chimie organique, à manipuler divers produits tout en respectant les règles de sécurité. Nous avons à la fois travaillé de façon individuelle et collective puisque nous avons comparé chaque fois qu’une synthèse finie nos résultats : travail en groupe. IV- REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Ces travaux (synthèse, points de fusions, indices de réfractions) émanent de trois références qui sont présentées ci-après : L.F. Tietze, G.V. Kiedrowski. Tetrahedron Lett. 1981, 219 E.J. Corey, G, Schmidt, Tetrahedron Lett. 1979, 399 H. Mc Nab, Chem. Soc. Rev. 1978, 345 Pour les fiches de sécurité : INRS (www.inrs.fr) Chemical Book Sigma Aldrich 14 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 Phrases de Risques (R) 10 : inflammable 11 : facilement inflammable 12 : extrêmement inflammable 19 : peut former des peroxydes explosifs 20 : nocif par inhalation 21 : nocif par contact avec la peau 22 : nocif en cas d'ingestion 23 : toxique par inhalation 24 : toxique par contact avec la peau 25 : toxique en cas d'ingestion 26 : Très toxique par inhalation 34 : provoque des brûlures 35 : provoque de graves brûlures 36 : irritant pour les yeux 37 : irritant pour les voies respiratoires 38 : irritant pour la peau 40 : effet cancérigène suspecté : preuves insuffisantes 42 : peut entraîner une sensibilisation par inhalation 43 : peut entraîner une sensibilisation par contact avec la peau 45 : peut provoquer le cancer 46 : peut provoquer des altérations génétiques héréditaires 48 : risque d'effets graves pour la santé en cas d'exposition prolongée 49 : peut provoquer le cancer par inhalation 50 : très toxique pour les organismes aquatiques 53 : peut entraîner des effets néfastes à long terme pour l'environnement aquatique 60 : peut altérer la fertilité 61 : risque pendant la grossesse d’effets néfastes pour l’enfant 65 : nocif : peut provoquer une atteinte des poumons en cas d'ingestion 66 : l’exposition répétée peut provoquer dessèchement ou gerçures de la peau 67 : l’inhalation de vapeurs peut provoquer somnolence et vertiges Phrases de Sécurité (S) 1 : conserver sous clé 2 : conserver hors de la portée des enfants 9 : conserver le récipient dans un endroit bien ventilé 16 : conserver à l’écart de toute flamme ou source d’étincelles. Ne pas fumer 22 : ne pas respirer les poussières 23 : Ne pas respirer les gaz/fumées/vapeurs/aérosols 24 : éviter le contact avec la peau 26 : en cas de contact avec les yeux, rincer abondamment à l’eau et consulter un spécialiste 28 : après contact avec la peau, se laver immédiatement et abondamment avec… (Produits appropriés à indiquer par le fabricant) 29 : ne pas jeter les résidus à l’égout 30 : ne jamais verser de l’eau dans ce produit 15 TP de Chimie Organique - ENSCMu 2010 33 : éviter l’accumulation de charges électrostatiques 36 : porter un vêtement de protection approprié 37 : porter des gants appropriés 39 : porter un appareil de protection des yeux/du visage approprié 45 : en cas d’accident ou de malaise consulter immédiatement un médecin et lui montrer l’emballage ou l’étiquette 46 : en cas d’ingestion consulter immédiatement un médecin et lui montrer l’emballage ou l’étiquette 53 : éviter l’exposition et se procurer des instructions spéciales avant l’utilisation 16
