Stratégie de synthèse en chimie organique

Stratégie de synthèse en chimie organique
1. Les questions qu'il faut se poser avant de choisir un protocole:
Il est souvent possible d'obtenir un produit donné à partir de réactifs différents.
* Quel est ici le produit que l'on souhaite synthétiser ?
a.
R−
−C
OH
b.
* Identifier les groupes caractéristiques dans les
molécules ci-contre:
O
O
+ H−−O−−R’
R−
−C
O−R’
+ H−−O−−H
O
R−
−C
R−
−C
O
−O−
−R’
O + H−
R−
−C
+ R−−C
O−R’
O−
−H
O
O
c.
O
O
* La réaction a. est lente et réversible, catalysée par
R−
−C
+ H−−O−−R’
l'acide sulfurique.
Cl
Pour un mélange équimolaire des réactifs, son rendement
ne dépasse pas 0,67. Il augmente si un des réactifs est introduit en excès.
R−
−C
O−R’
+ H−−Cl
La réaction b. est totale et assez rapide à chaud, tandis que la c. est totale, rapide et exothermique et peut
même devenir très violente si la température s'élève.
L'anhydride et surtout le chlorure d'acyle sont toxiques, irritants et lacrymogènes: les vapeurs réagissent
avec de l'eau sur la surface de l'œil ou dans les poumons, produisant les acides chlorhydriques et
organiques irritants. Ils doivent être manipulés avec précaution sous la hotte aspirante.
* Le chlorure d'acyle est beaucoup plus cher à l'achat que l'anhydride, lui-même plus cher que l'acide.
* Le chlorure d'hydrogène est un gaz très toxique et très soluble dans l'eau qui conduit à la formation de
pluies acides qui détruisent la végétation.
Quels réactifs choisir ?
L'industriel doit essayer d'obtenir le maximum de produit en un minimum de temps, mais il doit aussi
prendre en compte les aspects liés à la sécurité, le coût de la synthèse et l'impact sur l'environnement.
Quels réactifs choisiriez-vous pour effectuer la synthèse d'un ester ?
Justifiez votre choix en précisant les conditions expérimentales (température, catalyseur, proportions des
réactifs...) et les précautions qui s'imposent.
Compléter le montage de chauffage à reflux ci-dessous en précisant son intérêt.
potence
sortie de l’eau
réfrigérant
arrivée eau froide
pierre ponce
ballon
chauffe-ballon
support élévateur
1
2. Les étapes de la synthèse:
La réaction chimique:
Le chauffage du milieu réactionnel est souvent nécessaire:
* pour accélérer la réaction (la température est un facteur cinétique),
* ou pour dissoudre les réactifs solides (la solubilité augmente avec la température),
* ou pour augmenter le rendement d'une réaction limitée (le chauffage favorise la réaction directe si elle
est endothermique, au détriment de la réaction inverse qui est alors exothermique).
Certaines réactions trop exothermiques doivent se dérouler au contraire à froid (bain de glace) pour éviter
qu'elles ne s'emballent et deviennent explosives ou incontrôlables.
Le choix d'un solvant autre que l'eau permet de dissoudre les réactifs, ce qui favorise leur rencontre.
Remarque: on refroidit parfois le milieu réactionnel en fin de réaction, avant d'enlever le chauffage à
reflux, pour condenser les vapeurs des espèces volatiles, souvent toxiques.
Si le produit obtenu est peu soluble, le refroidissement est aussi utilisé pour diminuer sa solubilité et le
faire précipiter, dans le but de le récupérer par filtration.
L'isolement:
Cette étape consiste à séparer au mieux le produit espéré du milieu réactionnel qui contient les réactifs
qui n'ont pas réagi, le solvant, le catalyseur et des sous-produits de la réaction.
Différentes techniques peuvent être utilisées:
• Filtration sous pression réduite à l'aide d'une fiole à vide
munie d'un entonnoir Büchner (si le produit est solide).
Robinet d’eau
Le ballon doit être rincé pour ne pas perdre de produit, et
le solide doit être lavé avec un solvant dans lequel les
impuretés sont solubles, mais pas le produit de la réaction.
Les cristaux doivent ensuite être séchés à l’étuve.
•
Extraction liquide-liquide si les espèces à
éliminer sont plus solubles dans l'eau que
dans le solvant organique S.
On peut saturer la solution aqueuse en sel (ions
Na+ et Cl–) pour limiter la solubilité du produit
organique E dans l'eau.
On utilise une ampoule à décanter.
Le produit organique E quitte la phase aqueuse lors de l'agitation pour passer dans le solvant S.
La purification:
Cette étape consiste à éliminer les faibles quantités d'impuretés contenues encore dans le produit brut.
•
Recristallisation (pour les solides)
Cette technique permet de purifier un solide contenant l’espèce E qui nous intéresse et des
impuretés F,G,H ...
Il faut trouver un solvant S dans lequel l’espèce E est peu soluble,
contrairement aux impuretés.
On dissout l’échantillon solide dans un minimum de solvant chaud,
car la solubilité augmente avec la température.
On refroidit la solution obtenue dans un bain de glace : l’espèce E
précipite contrairement aux impuretés (plus solubles)
On sépare l’espèce E de la solution par filtration sur Büchner.
•
Distillation fractionnée (pour les liquides)
Ce montage permet de séparer les différents constituants d’un
mélange en fonction de leur température d’ébullition.
2
Les méthodes d'analyse:
Elles permettent d'identifier l'espèce chimique synthétisée
et d'en déterminer le degré de pureté.
•
•
•
Spectroscopie I.R. ou R.M.N.
cuve à chromatographie
avec son couvercle
crochet
plaque à
chromatographie
chromatogramme
Chromatographie sur couche mince (CCM) ou sur colonne
La CCM permet de séparer et d’identifier les constituants d’un mélange. ligne de dépot
Cette technique est basée sur la différence des vitesses de déplacement de éluant
ces constituants lorsqu’ils sont entraînés par une phase mobile (l’éluant)
mais retenus par la phase stationnaire (une couche de silice ou d’alumine
déposée sur une plaque en aluminium).
Les constituants sont rarement colorés et il s’avère nécessaire de les « révéler »
c’est à dire de les rendre visibles en les observant avec une lampe émettant des
ultra-violets (U.V.) ou en vaporisant la plaque avec un réactif approprié.
On définit pour chaque constituant le rapport frontal Rf = y/yE qui ne varie pas
pour une espèce chimique donnée, que celle-ci soit seule ou dans un mélange.
Méthodes physiques:
* mesure de la température de fusion à l'aide d'un banc de Köfler pour un solide.
* mesure de l'indice de réfraction ou de la température d'ébullition pour un liquide.
Calcul du rendement ρ de la synthèse: ρ =
quantité de produit obtenue
quantité théorique maximale
3. La synthèse du paracétamol:
En cas de douleurs, l'aspirine ou le paracétamol peut être prescrit par le médecin.
Mais il ne s'agit pas de la même molécule: l'aspirine a en plus un effet anticoagulant.
On donne ci-dessous les équations relatives aux synthèses de ces deux molécules:
Nommer les groupes caractéristiques présents dans les réactifs intervenant dans ces synthèses.
Identifier ceux qui réagissent. Quelles sont les fonctions créées ?
Lors de la réaction 2, le paracétamol se forme majoritairement, mais un autre produit se forme en petite
quantité. Donnez la formule topologique de ce produit en vous inspirant de la réaction 1.
Quel est le type de réaction réalisée ici ? (addition, substitution, élimination) justifier.
Identifier les sites électrophiles ou nucléophiles pour les réactifs de la réaction 2 et proposer un
mécanisme réactionnel pour cette réaction.
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