S6 Synthèse chimique
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BTS Métiers de la chimie Repères pour la formation S6 Synthèse chimique Extrait du référentiel du BTS : préambule du module Synthèse chimique Un technicien supérieur se confronte au réel dans l’exercice de son métier en laboratoire où il va mettre en œuvre des démarches scientifiques à fortes composantes expérimentales. Le module synthèse permet aux étudiants d’acquérir des compétences, en lien étroit avec le Référentiel des Activités Professionnelles. Les expérimentations, observations, questionnements, investigations, les prises d’initiative favorisent la compréhension de notions plus théoriques et plus abstraites, tout en formant le futur technicien supérieur à une pratique soignée et experte des activités et techniques de laboratoire. La sécurité au laboratoire est primordiale et prioritaire. Les étudiants doivent maîtriser les règles de sécurité (QHSSE) afin d’adopter une attitude responsable et adaptée au travail individuel en laboratoire ou en équipe. L’enseignement du module synthèse vise également à développer l’autonomie, l’adaptabilité et la capacité de travailler en équipe. Pour cela, les activités proposées au laboratoire ou en classe doivent favoriser la démarche active de l’étudiant en interaction avec ses pairs. A l’issue des deux années, l’étudiant est capable de mener des recherches bibliographiques sur une espèce chimique, sur une réaction chimique ou sur un procédé industriel ; il est sensibilisé à la nécessité de participer à la veille technologique et scientifique ; il apprend à optimiser les conditions opératoires - choix des réactifs, du solvant et du catalyseur éventuel - afin d’augmenter le rendement et la cinétique d’une synthèse. Il dispose des connaissances et attitudes pour réaliser des économies d’atomes et d’énergie, pour utiliser des matières premières de substitution issues des agroressources, pour explorer des voies de synthèses sans solvant (ou avec des solvants moins nocifs) ; le recyclage, la valorisation des déchets et la diminution des rejets dangereux pour l’environnement sont des aspects essentiels présents dans les cahiers des charges. L’optimisation d’un protocole opératoire peut nécessiter la réalisation d’un plan d'expériences ainsi que l’exploitation des résultats expérimentaux qui en découlent. Durant les deux années de formation, l’étudiant aura pu mettre en œuvre quelques techniques de synthèse qui ne se font pas par voie thermique : électrosynthèse, photochimie, sonochimie, par rayonnement micro-onde, par exemple. Une partie de l’enseignement du module vise à repérer les différences entre une synthèse menée au laboratoire et sa réalisation dans un pilote. Ce changement d’échelle permet également de comprendre les étapes d’optimisation d’un procédé industriel. Les étudiants sont autonomes sur le choix et la mise en œuvre de techniques physico-chimiques d’analyse afin de réaliser le suivi d’une synthèse ou d’une extraction, de caractériser un composé et de contrôler sa pureté. Les résultats expérimentaux sont exprimés avec une incertitude associée à un niveau de confiance lorsque cela est possible. Enfin, l’aptitude à tenir un cahier de laboratoire et à rédiger un compte rendu constitue un enjeu essentiel de ce module. Le technicien supérieur doit pouvoir communiquer à l’écrit et à l’oral, en français et en anglais, afin de valoriser son travail et de réussir une bonne intégration au sein de son entreprise. 1 TABLEAU SYNOPTIQUE DES DOCUMENTS-RESSOURCES Ces documents proposent quelques exemples d’activités à mettre en œuvre avec les étudiants et des supports destinés aux enseignants pour préparer des séquences. Ces ressources n’ont pas vocation à viser l’exhaustivité et elles n’ont aucune valeur prescriptive. Le référentiel du BTS métiers de la chimie a été rédigé afin que chaque professeur puisse adopter la stratégie la mieux adaptée à ses étudiants pour leur faire acquérir les capacités exigibles. Il est toutefois recommandé un travail en équipe pour élaborer la progression sur les deux années de formation, en lien avec celles des modules analyse chimique et formulation. Le portail national physique-chimie1 comporte désormais une partie dédiée au BTS Métier de la chimie qui va comporter les documents-ressources produits par le groupe d’élaboration du programme et les ressources par les enseignants, en charge des enseignements dans cette filière. Les collègues acceptant de voir leurs ressources diffusées peuvent les envoyer à [email protected]. Intitulé A. De la pratique de laboratoire aux concepts théoriques Descriptif et mots clés Approche expérimentale du concept de nucléophilie et de chimiosélectivité Protocoles opératoires en anglais et en français Changement d’échelle B. Familles de réactions et mécanismes Classement des réactions les plus classiques par familles Mécanismes réactionnels associés 1 Notions et contenus SYNTHESE Protocoles expérimental au laboratoire Matériel, montage expérimentaux Condition opératoires Facteurs cinétiques Sites électrophiles et nucléophiles Chimiosélectivité Catalyse Solvant Purification par recristallisation Techniques d’analyses SYNTHESE Nature des réactions Sélectivité Catalyseur Mécanismes réactionnels Pages 4 47 http://eduscol.education.fr/physique-chimie/enseigner/ressources-par-niveau-et-programme/post-bac/sections-de-techniciens-superieurs-sts/bts-metiers-de-la-chimie.html 2 C. Techniques expérimentales à maîtriser en synthèse en fin de S2 Document listant de façon non exhaustive, la liste des techniques expérimentales à maîtriser en fin de S2 pour le module synthèse. SYNTHESE Matériel, montages expérimentaux Conditions opératoires Suivi de l’évolution d’une transformation Miscibilité, solubilité, cristallisation Précipitation, influence de différents facteurs Extraction liquide-liquide, relargage, lavage, séchage Extraction solide-liquide Distillations simple et fractionnée ; influence de la pression Recristallisation Techniques d’analyse 71 D. Analyse thermique Principe des mesures d'analyse thermique par ATD ou DSC avec exploitation des thermogrammes pour la détermination de grandeurs thermodynamiques. SYNTHÈSE LES POLYMÈRES 73 Propriétés thermomécaniques : température de transition vitreuse, température de fusion Analyse thermique (ATD/DSC) E. Aspects thermiques de la sécurité des réacteurs chimiques Analyse thermique, thermogramme, ATD, DSC, réacteur Document présentant les causes d'un emballement thermique d'un réacteur chimique ainsi que les grandeurs caractéristiques du processus Réacteur, emballement thermique, sécurité SYNTHÈSE 78 Analyse thermique (ATD/DSC) Changement d’échelle : choix du matériel et des paramètres à contrôler, conditions de sécurité Puissance thermique en régime permanent Réacteurs discontinu ou continu Enthalpie standard de réaction ; réactions athermique, endothermique, exothermique F. Bibliographie générale 83 3 A. De la pratique de laboratoire aux concepts théoriques PLAN DE LA RESSOURCE X. Protocoles de synthèses en français et en anglais 31 I. Introduction 5 II. Protocoles opératoires 6 III. Conditions opératoires 13 IV. Concepts cinétiques 15 V. Cristallisation 20 VI. Recristallisation 21 VII. Analyses 23 XI. Compléments pour le professeur 41 VIII. Communication 29 XII. Changement d’échelle 48 IX. Savoirs associés et compétences 30 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Synthèse du paracétamol Synthèse du propan-2-ol Synthèse de l’hydrobenzoïne Synthèse du benzamide Synthèse de l’aspirine 34 Synthèse du pentan-3-ol Synthèse de l’éthylisoeugénol Synthèse de l’acide benzylique Synthèse de l’alcool benzylique et de l’acide benzoïque 32 33 34 35 37 38 39 40 4 I. Introduction L’objectif est de faire acquérir aux étudiants des compétences et des concepts théoriques à partir des synthèses de deux principes actifs : le paracétamol et l’aspirine. Les protocoles opératoires de ces deux produits d’usage courant constituent un enjeu économique et stratégique dans l’industrie chimique. Qu’en est-il au laboratoire ? ▫ Synthèse de deux principes actifs pendant la même séance - Synthèse des produits bruts, puis purification (4h) - Analyses et contrôles de pureté (4h) ▫ Protocoles très succincts distribués aux étudiants tudiants ▫ Développer plus particulièrement èrement certaines compétences chez les étudiants - Analyser - Communiquer - Etre autonome, faire preuve d’initiative ▫ Fil conducteur : de la pratique au laboratoire vers les concepts théoriques 5 II. Protocoles opératoires 1. Synthèse de l’aspirine ▫ Equation de réaction O C OH O O O O COOH + CH3 COOH C H3C H2SO4 C O CH3 C + H3C OH ▫ Protocole Réaliser la synthèse de l’aspirine en chauffant pendant 20 min à une température comprise entre 55 et 65 °C un mélange d’acide salicylique, d’anhydride acétique et de quelques gouttes d’acide sulfurique. Choisir les quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. 6 ▫ Données physico-chimiques 7 2. Synthèse du paracétamol ▫ Equation de réaction O C NH 2 HN + OH H 3C O O C C O CH 3 O H 2O + CH 3 C H 3C OH OH ▫ Protocole Réaliser la synthèse du paracétamol en chauffant à reflux pendant 20 min un mélange de para-aminophénol, d’eau et d’anhydride acétique (ajouté lentement en dernier). Choisir des quantités de réactifs prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. 8 ▫ Données physico-chimiques 9 3. Quantités de réactifs et de produits « Choisir des quantités de réactifs prenant en compte des préoccupations liées au développement durable ». Travail en équipe pour les calculs des quantités de réactifs 10 ▫ Notes des élèves sur le cahier de laboratoire Synthèse de l’aspirine Synthèse du paracétamol Notes de Zoé (avec utilisation du tableau d’avancement) Notes de Doré 11 ▫ Prévisions pour l’aspirine O C OH O O O O COOH + CH3 COOH H3C H2SO4 C C O CH3 C + H3C OH ▫ Prévision : mthéorique = 5,0 g d’aspirine ▫ Calculs de quantités de matière, de masses et de volume - Réactif limitant : acide salicylique (40 € / kg) - Réactif en excès : anhydride acétique (25 € / kg) - S’hydrolyse facilement (humidité atmosphérique) - Déplacement d’équilibre (Loi de Le Chatelier) - Catalyseur 12 III. Conditions opératoires Aspirine Paracétamol Réaliser la synthèse de l’aspirine en chauffant pendant Réaliser la synthèse du paracétamol en chauffant à reflux 20 minutes à une température comprise entre 55 et 65 °C pendant 20 minutes un mélange de para-aminophénol, d’eau un mélange d’acide salicylique, d’anhydride acétique et de et d’anhydride acétique (ajouté lentement en dernier). quelques gouttes d’acide sulfurique. Chauffage au bain marie avec contrôle de la température à l’aide d’un thermomètre Chauffage au reflux 13 Paracétamol Aspirine Réaliser la synthèse de l’aspirine en chauffant pendant Réaliser la synthèse du paracétamol en chauffant à reflux 20 minutes à une température comprise entre 55 et 65 °C pendant 20 minutes un mélange de para-aminophénol, un mélange d’acide salicylique, d’anhydride acétique et de d’eau et d’anhydride acétique (ajouté lentement en dernier). quelques gouttes d’acide sulfurique. - Pas de solvant - Solvant : eau - Catalyseur : H2SO4 concentré - Chauffage au reflux - Contrôle de la température - Introduction de l’anhydride acétique lentement et en dernier -Introduction des deux réactifs en totalité au début. Pas d’ordre précis 14 IV. Concepts cinétiques O 1. Comparaison des conditions opératoires C OH O COOH + O O C C H3 C O CH3 O COOH H2SO4 + CH3 C H3 C OH O C NH2 HN + H3C O O C C O CH3 O H2O + CH3 OH C H3C OH OH ▫ Réactif commun aux deux synthèses : anhydride acétique ▫ Nécessité d’un catalyseur pour la synthèse de l’aspirine ▫ Utilisation d’eau (solvant) dans la synthèse du paracétamol 15 2. Sites nucléophiles et électrophiles 16 a. Synthèse de l’aspirine ▫ La nucléophilie est un concept cinétique qui traduit la vitesse à laquelle un site riche en électrons (nucléophile) réagit sur site déficient en électrons (électrophile). ▫ L’environnement électronique influe sur la nucléophilie d’un site : l’oxygène de la fonction phénol est plus réactif que celui de la fonction carboxyle. ▫ L’effet mésomère attracteur du cycle aromatique diminue la nucléophile de l’oxygène de la fonction phénol comparée à celle d’un alcool. Par conséquent, il est nécessaire d’utiliser un ccatalyseur (H2SO4) pour accélérer cette réaction d’acylation. 17 b. Synthèse du paracétamol ▫ On constate que N est moins électronégatif et plus polarisable que O, par conséquent N est plus nucléophile que O. ▫ Cette réaction est chimio-sélective (N-acétylation acétylation plutôt que O O-acétylation), acétylation), de plus la présence d’eau (solvant) ne conduit pas à l’hydrolyse de l’anhydride acétique. 18 3. Autre principe actif La synthèse de la Cétizirine (principe actif utilisé pour les symptômes nasaux et oculaires des rhinites allergiques) illustre illustr également la chimio-sélectivité d’un amino-alcool alcool vis d’un site électrophile : NH + Br Cl HO COOH Na aOH N N OH N N Cl N Cl V O Cétizirin ne 4. Analogies N/O et S/O ▫ Evolution des rayons des atomes dans la classification périodique : ▫ R(S) > R(O) : S est plus polarisable donc plus nucléophile que O. 19 V. Cristallisation Aspirine Paracétamol Aspirine peu soluble dans l’eau froide « 2,0 g / L (à 20 °C) » Paracétamol peu soluble dans l’eau froide « 10 g / L à 20°C » Cristallisation par ajout d’eau froide dans le milieu réactionnel (ballon dans un bain de glace) Cristallisation car présence d’eau (solvant) dans le milieu réactionnel (ballon plongé dans un bain de glace) Filtration sur Büchner : lavage à l’eau froide pour éliminer les impuretés solubles à froid dans l’eau (HSO4-, SO42- , H+, CH3COOH, CH3COO-) Filtration sur Büchner : lavage à l’eau froide pour éliminer les impuretés solubles à froid dans l’eau (H+, CH3COOH, CH3COO-) 20 VI. Recristallisation Aspirine Paracétamol Solvant de recristallisation : eau car l’l’aspirine est soluble à chaud et peu soluble à froid dans l’eau. Solvant de recristallisation : eau car paracétamol soluble à chaud et peu soluble à froid dans l’eau. Problème : l’acide salicylique est également soluble à chaud et peu soluble dans l’eau à froid Problème : le paraminophénol est également soluble dans l’eau à chaud et peu soluble dans l’eau froide Recherches bibliographiques Recristallisation de l’aspirine et du paracétamol dans un mélange eau-éthanol Notes d’Alexis pour l ’étape de recristallisation Ajout de l’eau via l’ampoule de coulée après dissolution de l’aspirine ou du paracétamol dans l’éthanol à chaud 21 Cas du paracétamol Le para-aminophénol aminophénol est plus soluble que le paracétamol dans l’éthanol car il forme davantage d’interactions intermoléculaires (Van der Waals et Liaisons Hydrogène). Para-aminophénol Paracétamol La recristallisation dans un mélange eau-éthanol éthanol est par conséquent plus efficace que dans l’eau. 22 VII. Analyses 1. Température de fusion La température de changement d’état d’un corps pur est d’autant plus élevée que les interactions inter-moléculaires inter sont fortes (énergie mise en jeu importante). L’aspirine est un benzène ortho-disubstitué disubstitué susceptible de former er des liaisons hydrogène intra-moléculaires, intra c’est l’une des raisons pour our lesquelles sa température de fusion est inférieure à celle du paracétamol, benzène para-disubstitué para capable de former des liaisons hydrogène inter-moléculaires. moléculaires. 23 2. Spectroscopie Infra-Rouge a. Spectre de l’aspirine 24 b. Comparaison des spectres de l’aspirine et du paracétamol 25 3. Chromatographie sur couche mince ▫ Choix de l’éluant ▫Bibliographie 26 ▫ Organisation du travail d’équipe ▫ Essai de différents éluants sur le paracétamol et sur l’aspirine Révélation des plaques CCΜ sous lampe UV et communication des résultats Analyse des résultats expérimentaux Μise en commun des plaques afin de choisir l’éluant le plus pertinent 27 ▫ Résultats pour le paracétamol ▫ Influence du solvant sur la migration des constituants 28 VIII. Communication ▫ Les deux synthèses menées en parallèles permettent de favoriser la communication orale entre les étudiants. ▫ De plus, la communication écrite est plus exigeante car les comptes-rendus des étudiants doivent faire apparaitre en peu de mots les similitudes et les es différences entre les deux protocoles opératoires. 29 IX. Savoirs associés et compétences Deux synthèses menées en parallèle avec des protocoles très succincts fournis aux étudiants permettent : ▫ de faire émerger davantage de concepts théoriques ▫ d’élargir la palette de compétences développées ▫ S’approprier - Rechercher, extraire et organiser l’information en lien avec une situation expérimentale - Enoncer une problématique d’approche expérimentale ▫ Analyser - Formuler et échanger des hypothèses - Proposer une stratégie pour répondre à la problématique - Choisir, concevoir ou justifier un protocole ou un dispositif expérimental ▫ Réaliser - Mettre en œuvre des règles de sécurité adéquates - Utiliser le matériel de manière adaptée en autonomie - Mettre en œuvre un protocole ▫ Valider - Exploiter des observations, des mesures en identifiant les sources d’erreurs et en estimant les incertitudes - Analyser les résultats de manière critique - Proposer des améliorations de la démarche ▫ Communiquer - A l’écrit comme à l’oral : présenter les étapes de son travail de manière synthétique, organisée, cohérente et compréhensible - Utiliser un vocabulaire scientifique adapté ; s’appuyer sur des schémas, faire preuve d’écoute, confronter son point de vue ▫ Etre autonome, faire preuve d’initiative - Travailler seul ou en équipe - S’impliquer, prendre des décisions, anticiper 30 X. Protocoles de synthèse en français et en anglais A. Extrait du référentiel S2 : Langue vivante étrangère I – Anglais 31 B. Enoncés 1. Synthèse du paracétamol a. Equation de réaction O C NH2 HN + OH H3C O O C C O CH3 O H2O C + CH3 H3C OH OH Paracétamol (Paraacétylaminophénol) b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse du paracétamol en chauffant à reflux pendant 20 min un mélange de para-aminophénol, d’eau et d’anhydride acétique (ajouté lentement en dernier). Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. La quantité d’eau vous sera fournie ensuite. Experiment To perform the synthesis of paracetamol, you use a reflux setup to heat a mixture of para-aminophenol, water, and dry acetic acid (which is added slowly and lastly) for 20 minutes. You will choose the quantities of reagents and to do so you will take into account environmental considerations. The quantity of water will be given to you later. 32 2. Synthèse du propan-2-ol a. Equations de réactions O C 4 H3C + NaBH4 NaB(O-CH(CH3)2)4 CH3 NaB(O-CH(CH3)2)4 OH + 4 H2O NaB(OH)4 + CH 4 H3C CH3 Remarque : la notation avec 1. NaBH4 et 2. H2O sur la même flèche ne permet pas aux étudiants de connaitre la stœchiométrie de la réaction ni d’envisager les calculs des quantités de matières des réactifs. b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse du propan-2-ol en ajoutant à faible reflux pendant 20 min de la propanone sur du tétrahydruroborate de sodium. Le mélange obtenu sera agité pendant 10 min puis refroidi. De l’eau sera ajoutée à température ambiante. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. La quantité d’eau vous sera fournie ensuite. Experiment To carry out the synthesis of 2-propanol, you add propanone on sodium borohydride for 20 minutes in a reflux setup in which the mixture boils slowly. You then stir the resulting mixture for 10 minutes and you cool it. Water at room temperature is added. You will choose the quantities of reagents and to do so you will take into account environmental protection/considerations. The quantity of water will be given to you later. 33 3. Synthèse de l’hydrobenzoïne a. Equation de réaction O OH C 2 CH C O + NaBH4 + 4 EtOH 2 CH + NaB(OEt)4 OH Hydrobenzoïne (1,2-diphényléthane-1,2-diol) b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse de l’hydrobenzoïne en faisant réagir pendant 30 min à température ambiante du tétrahydruroborate de sodium avec du benzile préalablement dissous dans l’éthanol. Ajouter de l’eau puis chauffer à reflux pendant 15 min. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. Les quantités d’éthanol et d’eau vous seront fournies ensuite. Experiment To achieve the synthesis of hydrobenzoin, create a reaction between sodium borohydride and benzyl, which has been dissolved in ethanol beforehand, for thirty minutes at room temperature. Add water and heat under reflux for fifteen minutes. You will have to take into account issues related to sustainable development when choosing the amounts of reagents. You will be given the amounts of ethanol and water afterwards. 34 4. Synthèse du benzamide a. Equation de réaction O N C C + 2 H2O2 HO NH2 + H2O + O2 b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse du benzamide en mélangeant du benzonitrile, de l’eau oxygénée à 10 % puis en ajoutant lentement de la soude à 10 % jusqu’à ce que le milieu soit basique. Le mélange obtenu sera agité pendant 40 min à 70°C. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. Experiment To perform the synthesis of benzamide, you mix benzonitrile and a 10% hydrogen peroxide solution and then you slowly add a 10% caustic soda solution until the mixture is alkaline. The resulting mixture is then stirred for 40 minutes at 70 Celsius. You will choose the quantities of reagents and to do so you will take into account environmental considerations. 35 5. Synthèse de l’aspirine a. Equation de réaction O C OH O O O O COOH + CH3 COOH C H3C H2SO4 C O C + CH3 H3C OH Aspirine (Acide acétylsalicylique) b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse de l’aspirine en chauffant pendant 20 min à une température comprise entre 55 et 65 °C un mélange d’acide salicylique, d’anhydride acétique et de quelques gouttes d’acide sulfurique. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. Experiment To achieve the synthesis of aspirin, heat a mixture of salicylic acid, acetic anhydride and a few drops of sulphuric acid for twenty minutes at a temperature between 55° and 65°. You will have to take into account issues related to sustainable development when choosing the amounts of reagents. 36 6. Synthèse du pentan-3-ol a. Equations de réactions O EtOH 4 C H3C H2C CH3 + NaBH4 NaB(O-CH(C2H5)2)4 CH2 OH NaB(O-CH(C2H5)2)4 + 4 H2O NaB(OH)4 + 4 H3C CH H2C CH3 CH2 b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse du pentan-3-ol en ajoutant pendant 15 min, à une température inférieure à 50°C, de la pentan-3-one sur du tétrahydruroborate de sodium dissous préalablement dans l’éthanol. Le mélange obtenu sera agité pendant 30 min puis refroidi. De l’eau sera ajoutée à température ambiante. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. La quantités d’éthanol et d’eau vous seront ensuite fournies. Experiment To carry out the synthesis of 3-pentanol, you add 3-pentanone, for 15 minutes, at a temperature that does not exceed 50 Celsius, on sodium borohydride that has been previously dissolved in ethanol. Then, you stir the mixture for 30 minutes and you cool it. Water at room temperature is added. You will choose the quantities of reagents and to do so you will take into account environmental considerations. The quantity of ethanol and water will be given to you later. 37 7. Synthèse de l’éthylisoeugénol a. Equation de réaction CH3 CH3 CH H3CO CH CH H3CO CH 1. KOH 2. EtOH HO C2H5O Ethylisoeugénol (1-éthoxy-2-méthoxy-4-prop-1-ènyle) b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse de l’éthylisoeugénol en ajoutant de l’isoeugénol sur une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium à 40 %. Chauffer jusqu’à dissolution, ajouter en 10 min du bromure d’éthyle puis chauffer à reflux pendant 40 min. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. Experiment To achieve the synthesis of ethylisoeugenol, add isoeugenol to an aqueous solution of 40% potassium hydroxide. Heat until it dissolves, add ethyl bromide within ten minutes, then heat under reflux for forty minutes. You will have to take into account issues related to sustainable development when choosing the amounts of reagents. 38 8. Synthèse de l’acide benzylique a. Equation de réaction O HO C C + HO EtOH H2O O C COO Ion 2-hydroxy-2,2-diphényléthanoate (Base conjuguée de l'acide benzylique) b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse de l’ion 2-hydroxy-2,2-diphényléthanoate en mélangeant à reflux pendant 10 min du benzile sur une solution d’hydroxyde de potassium à 20 % dans un mélange eau-éthanol. L’ion 2-hydroxy-2,2-dihényléthanoate sera ensuite transformé en acide benzylique. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. Les quantités d’eau et d’éthanol vous seront fournies ensuite. Experiment To achieve the synthesis of the 2-hydroxy-2,2-diphenylethanone ion, stir and reflux, for ten minutes, benzyl in a 20% potassium hydroxide solution in a water/ethanol mix. The 2-hydroxy-2,2-diphenylethanone ion will then be turned into benzilic acid. You will have to take into account issues related to sustainable development when choosing the amounts of reagents. You will be given the amounts of water and ethanol afterwards. 39 9. Synthèse de l’alcool benzylique et de l’acide benzoïque a. Equation de réaction O O C C H 2 OH + OH H2O CH2 O + b. Réalisation expérimentale Réaliser la synthèse de l’alcool benzylique et de l’ion benzoate en mélangeant à reflux pendant 1h du benzaldéhyde, de l’hydroxyde de potassium et de l’eau. L’ion benzoate sera ensuite transformé en acide benzoïque. Vous choisirez des quantités de réactifs en prenant en compte des préoccupations liées au développement durable. La quantité d’eau vous sera fournie ensuite. Experiment To achieve the synthesis of benzyl alcohol and benzoate ion, reflux while stirring benzaldehyde, potassium hydroxide and water for one hour. The benzoate ion will then be turned into benzoic acid. You will have to take into account issues related to sustainable development when choosing the amounts of reagents. You will be given the amount of water afterwards. 40 XI. Compléments pour les professeurs 1. Synthèse du paracétamol ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/bts_c/annales/1994/sujet31994.pdf ▫ Réactif limitant Paraaminophénol ▫ Isolement du produit brut Précipitation du paracétamol en abaissant la température du milieu réactionnel ▫ Purification Recristallisation dans un mélange eau / éthanol ▫ Caractérisations - Tfusion - IR - CCM - HPLC 2. Synthèse du propan-2-ol ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/clpi/annales/tp/orga/29-12.pdf ▫ Réactif limitant Propanone ▫ Traitement du produit brut Relargage puis séchage de la phase organique ▫ Purification Distillation fractionnée ▫ Caractérisations - Tébullition - IR - CCM - CPG 41 3. Synthèse de l’hydrobenzoïne 4. Synthèse du benzamide ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/clpi/annales/tp/orga/02-12.pdf ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/clpi/annales/tp/orga/36-12.pdf ▫ Réactif limitant Benzile ▫ Réactif limitant Benzonitrile ▫ Isolement du produit brut Précipitation de l’hydrobenzoïne dans l’eau froide ▫ Isolement du produit brut Précipitation du benzamide en abaissant la température du milieu réactionnel ▫ Purification Recristallisation dans un mélange eau / éthanol ▫ Caractérisations - Tfusion - IR - CCM - HPLC ▫ Purification Recristallisation dans l’eau ▫ Caractérisations - Tfusion - IR - CCM - HPLC 42 5. Synthèse de l’aspirine 6. Synthèse du pentan-3-ol ▫ Bibliographie http://ww3.ac-poitiers.fr/sc_phys/bde/exos/98LGB046/98LGB046.htm ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/clpi/annales/tp/orga/26-12.pdf ▫ Réactif limitant Acide salicylique ▫ Réactif limitant Pentan-3-one ▫ Isolement du produit brut Précipitation de l’aspirine par ajout d’eau froide ▫ Isolement du produit brut Extraction du pentan-3-ol avec de l’éther diéthylique. Relargage, séchage de la phase organique puis distillation simple de l’éther diéthylique. ▫ Purification Recristallisation dans un mélange eau / éthanol ▫ Caractérisations - Tfusion - IR - CCM - HPLC ▫ Purification Distillation fractionnée ▫ Caractérisations - Tébullition - IR - CCM - CPG 43 7. Synthèse de l’éthylisoeugénol ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/clpi/annales/tp/orga/40-12.pdf ▫ Réactif limitant Isoeugénol ▫ Isolement du produit brut Ajouter eau et cyclohexane Extraction de l’éthylisoeugénol avec cyclohexane puis distillation de la quasi-totalité du cyclohexane Précipitation de l’éthylisoeugénol dans l’eau froide ▫ Purification Recristallisation dans un mélange eau / éthanol ▫ Caractérisations - Tfusion - IR - CCM - HPLC 8. Synthèse de l’acide benzylique ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/clpi/annales/tp/orga/25-12.pdf http://eduscol.education.fr/rnchimie/conc_gen/annales/00_tp/cg_2000_tp.p df http://eduscol.education.fr/rnchimie/bts_c/annales/03/sujet2-03.pdf ▫ Réactif limitant Benzile ▫ Isolement du produit brut Eliminer l’éthanol par distillation Acidifier le milieu jusqu’à pH proche de 1 (car pKa RCOOH / RCOO- = 3) ▫ Purification Recristallisation dans le toluène ▫ Caractérisations - Tfusion - IR - CCM - HPLC 44 9. Synthèses de l’alcool benzylique et de l’acide benzoïque ▫ Bibliographie http://eduscol.education.fr/rnchimie/bts_c/annales/tp/1987/sujet1987.pdf ▫ Réactif limitant Benzaldéhyde ▫ Isolement des produits bruts Ajout d’eau et d’éther diéthylique. Relargage. Séparation des phases. Séchage de la phase organique puis distillation simple de l’éther diéthylique pour isoler l’alcool benzylique. Acidification de la phase aqueuse pour former l’acide benzoïque jusqu’à pH < pKa – 2. ▫ Purification Distillation fractionnée de l’alcool benzylique Recristallisation de l’acide benzoïque dans l’eau ▫ Caractérisations Alcool benzylique - Tébullition - IR - CCM - CPG Acide benzoïque - Tfusion - IR - CCM - HPLC 45 XII. Changement d’échelle Comme le stipule le référentiel (dans la compétence C2 : « identifier les points critiques pour le passage à l’échelle du pilote » et dans la compétence C4 : « Identifier les exigences liées au changement d’échelle et à l’industrialisation »), les étudiants doivent acquérir des connaissances relatives au changement d’échelle. Le changement d’échelle peut être envisagé en prolongement d’un des protocoles listés précédemment que les étudiants auraient mis en œuvre en activité expérimentale. Un exemple de problématique proposée pourrait être : « après avoir réalisé la synthèse au laboratoire du produit X, réfléchir à la réalisation de / à l’adaptation de / la synthèse de 1 kg de produit d’intérêt ». Un coût, un bilan environnemental ainsi qu’un critère de pureté pouvant aussi être imposés ». Les compétences relatives au changement d’échelles ne sont pas développées dans le but de rendre un étudiant autonome sur une installation de génie chimique, ni même qu’il soit capable de concevoir, seul, un protocole de changement d’échelle. 46 B. Familles de réactions et mécanismes PLAN DE LA RESSOURCE I. Classification périodique II. Réactions acido-basiques III. Notations R1, R2 IV. Réactions d’oxydo-réduction V. Réactions d’insertion VI. Réactions de transposition VII. Réactions d’addition A. Addition nucléophile 1. Sans activation du site électrophile 2. Avec activation du site électrophile B. Addition électrophile 1. Non stéréospécifique 2. Stéréospécifique C. Addition radicalaire D. Addition catalysée par des métaux E. Cycloaddition VIII. Réactions d’élimination A. Cinétique d’ordre 2 : E2 B. Cinétique d’ordre 1 : E1 C. Déshydrogénation avec des métaux ou des oxydes métalliques IX. Réactions de substitution A. Substitution nucléophile 1. Cinétique d’ordre 2 : SN2 2. Cinétique d’ordre 1 : SN1 B. Substitution électrophile aromatique C. Substitution radicalaire D. Substitution sur les acides et les dérivés d’acide 1. Sans activation du site électrophile 2. Avec activation du site électrophile X. Lexique 47 L’objectif de la partie "familles de réactions et mécanismes" est de proposer aux étudiants du BTS Métiers de la chimie un outil leur permettant de décrire la nature et les caractéristiques d’une réaction chimique puis d’une éventuelle suite réactionnelle. Dans l'esprit du référentiel, il ne s’agit plus de connaitre "par cœur" une liste de bilans de réactions par famille de fonctions, ni de mécanismes, mais de savoir les lire et les interpréter. Dans un premier temps, à l’échelle macroscopique, l’étudiant devra identifier : - le(s) réactif(s) et le(s) produit(s), - les éventuels catalyseurs, - let solvant, - la nature de la famille de réaction mise en jeu (acide-base, oxydo-réduction, addition, substitution, élimination, transposition, insertion), - la réactivité des espèces (acide / base ; électrophile / nucléophile ; oxydant / réducteur). Il pourra ensuite maitriser dans une approche microscopique et mécanistique : - les caractéristiques de la famille de réaction (ex : pour une addition, préciser si elle est nucléophile, électrophile ou radicalaire), - la lecture des flèches courbes entre les sites réactifs. La liste des réactions proposées dans chaque famille est n'est pas prescriptive, il s'agit d'un exemple. L’objectif est de comprendre le rôle joué par chaque espèce dans les différentes familles de réactions de ce document afin de transposer, par analogie, toutes ces connaissances sur une réaction nouvelle qui ne figure pas dans la réactiothèque. Les réactifs et les conditions opératoires évoluent sans cesse en chimie organique, par conséquent la capacité d’adaptation d’un étudiant devra prendre l’ascendant sur ses efforts de mémorisation. 48 I. Classification périodique Source : https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/Periodic_table_large.png?uselang=fr 49 II. Réactions acido-basiques 2. Μécanisme réactionnel 1. Equation de la réaction δ+ B Base + H A Acide B H + A B + H δ+ A B H + A 3. Table de pKa Couples Acide / Base CH3-CH2-CH2-CH3 / CH3-CH2-CH2CH2 NH3 / NH2 CH3-CO-CH3 / CH3-CO-CH2 C2H5-OH / C2H5-O H2O / OH CH3-SH / CH3-S C6H5-OH / C6H5-O NH4+ / NH3 CH3COOH / CH3COO H+ / H2O Valeurs des pKa à 298 K Force de la base 50 33 19 16 14 10,4 10 9,2 4,7 0 Force de l’acide Une réaction acido-basique entre une base B - et un acide A-H est thermodynamiquement favorisée lorsque pKa2 (BH/B-) est supérieur à pKa1 (AH/A-). La constante d’équilibre de cette réaction est : K = 10 (pKa2 – pKa1) Les réactions acido-basiques sont généralement cinétiquement rapides. 50 III. Notations R1, R2 Dans les synthèses multi-étapes, il est usuel qu’un seul groupe fonctionnel soit modifié à chaque étape. Par exemple, lors de l’étape 4 de la synthèse de la 7βhydroxy-épiandrostérone, il y a réduction d’une fonction cétone en alcool secondaire. On pourra par conséquent noter R1 et R2 (parfois notées R1 et R2 dans la littérature française) les deux parties de molécules situées de part et d’autre de la fonction cétone, car elles restent inchangées au cours de cette transformation. O O O O étape 1 O O O étape 2 Étape O O O E O F G O O O étape 5 O H H2, Pd/C, AcOEt, 1 h, TA 97 % 4 NaBH4, CeCl3, CH3OH, 2 h, 0 °C 89 % 5 APTS, H2O, (CH3)2CO, 12 h, TA 98 % 6 K2CO3, CH3OH, 1,5 h, TA 94 % 80 % 79 % O O O O étape 4 3 1 O étape 3 O Rendement 2 Conditions expérimentales HO-CH2-CH2-OH, APTS, toluène, 8 h, Dean-Stark CrO3, 3,5-DMP, CH2Cl2, 4 h, -20 °C OH O J H O OH O H I étape 6 HO H O H OH K 7β−OH-EpiA Schéma d’une voie de synthèse de la 7β-hydroxy-épiandrostérone 51 IV. Réactions d’oxydo-réduction ▫ Une réaction d’oxydo-réduction met en jeu un échange d’un ou plusieurs électrons entre un réducteur et un oxydant. En chimie organique, on s’intéressera en particulier aux variations du nombre d’oxydation de l’atome de carbone au cours d’une réaction. ▫ L’atome de carbone est tétravalent, par conséquent son nombre d’oxydation peut varier de -IV à +IV: - Lorsqu’un atome de carbone est relié à un atome moins électronégatif, on lui attribue le nombre d’oxydation -I (ex : CH4 : C (-IV)). - Lorsqu’un atome de carbone est relié à un atome plus électronégatif, on lui attribue le nombre d’oxydation +I (ex : CCl4 : C (+IV)). V. Réactions d’insertion Organomagnésien Organolithien + δ R X + δR O Mg Mg δ+ R X + X δ- O 2 Li R Li + Li+, X- ▫ Les organométalliques sont des bases fortes (pKa > 40) et de bons nucléophiles. + ▫ Suite à l’insertion d’un métal, l’atome de carbone déficient en électron (R-X) s’est enrichi en électron (R-Li ou R-ΜgX) : le carbone a donc subi une réduction par le métal Li ou Μg. Dans le même temps le métal a subi une oxydation. δ- δ δ- Remarque : la notation « δ +» est couramment utilisée dans la littérature, néanmoins l’écriture « + δ » est plus rigoureuse. VI. Réactions de transposition Une transposition (ou réarrangement) correspond à la modification de la structure d’une molécule ou d’un ion par déplacement interne, d’un site à un autre, d’un atome ou d’un groupe d’atomes. Transposition Transposition sur un intermédiaire de réaction H H OH OH H R1 C R2 C H R1 H R2 C C H H 52 VII. Addition A. Addition nucléophile 1. Sans activation du site électrophile a. Equation de la réaction O O Nu + Nu C δ+ R1 nucléophile δ- Famille ou nom du réactif contenant le site nucléophile - NaBH4 “ H “ Tétrahydruroborate de sodium H - LiAlH4 “ H “ Tétrahydruroaluminate d’aluminium O C Carbéniate CH2 C C* CH2 R H2C C* R1 R1 O OH C* Alcoolate R2 Oxydo – réduction Aspect stéréochimique R2 Alcool Réduction d’un groupe carbonyle en alcool Non stéréospécifique H O H2C C* R2 (l’hydrolyse se fait de manière concertée avec le solvant EtOH pour NaBH4) Réduction d’un groupe carbonyle en alcool Non stéréospécifique β-cétol ou β-aldol (si R = H) Réduction d’un groupe carbonyle en alcool Non stéréospécifique Alcool R1 C* R1 Ylure de phosphonium R2 R2 Famille du produit formé après hydrolyse acide Produit formé après hydrolyse acide Alcoolate R2 (stabilisé par mésomérie) (Ph)3P P(Ph)3 C* R1 R1 R Nu OH O R Famille du produit formé δ+ O Addition nucléophile C R1 Organolithien R-Li + Nu O R δ- R2 R1 Produit formé Organomagnésien R-ΜgX C* O R2 site électrophile Réactif contenant le site nucléophile b. Mécanisme réactionnel R2 β-cétolate ou β-aldolate (si R = H) O R C OH H2C C* R1 R2 O C* (stabilisé par mésomérie) R1 R2 Oxaphosphétane Intermédiaire instable qui subit une réaction d’élimination pour conduire à la formation d’un alcène et de l’oxyde de triphénylphosphine (Ph)3P O H2C C R2 R1 Remarque : cette écriture plane avec un C* permet en une seule représentation d’envisager les 2 stéréoisomères de configuration (en proportions égales). 53 2. Avec activation du site électrophile a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel O H C R1 NuH H H nucléophile δ+ * C Nu C R1 Activation catalytique OH O δ- + R2 R2 Addition nucléophile R2 Nu C + NuH R1 site électrophile H O O R1 δ+ R2 * R2 C H R1 Régénération du catalyseur H O Nu C* R2 + H R1 Nucléophile NuH Famille ou nom du nucléophile NuH Exemple de catalyseur Produit formé OH ROH Alcool H + RO C* Hémiacétal R2 Aspect stéréochimique Famille du produit formé (qui se transforme en acétal avec un 2ème équivalent d’alcool) OR RO C Non stéréospécifique R2 R1 R1 OH RNH2 Amine primaire H + RHN C* 4 < pH < 6 α-aminoalcool R2 intermédiaire instable qui suite à une déshydratation conduit à une imine Non stéréospécifique R2 RN C R1 R1 OH RR’NH Amine secondaire H+ R'RN C* 4 < pH < 6 R2 α-aminoalcool intermédiaire instable qui suite à une Non stéréospécifique élimination peut conduire à une énamine R1 54 3. Addition électrophile a. Non stéréospécifique a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel Nu R2 + E + C R1 R3 nucléophile R4 C* C* R1 δ R4 C R2 R2 E R3 R2 Nu R4 C site électrophile E R2 R4 C* C* R1 * E + E C E + Nu électrophile R3 Nu C R1 R3 R4 C* C* R1 R3 R2 R4 C* C* R1 R3 Nu Nu R4 R2 R2 R3 R1 Adition C R1 C R4 * C E R3 Nu E Remarque : cette écriture plane avec les C* permet en une seule représentation d’envisager l’ensemble des 4 stéréoisomères de configuration (en proportion égales) Réactif contenant le site électrophile Nom ou famille du réactif contenant le site électrophile Exemple de catalyseur Produit majoritaire formé δ+ H-X Halogénure d’hydrogène X X (Cl, Br, I) R2 R4 C* C* R1 R3 Famille du produit formé δ+ H-OH Eau H + HO R4 C* C* R1 R3 Aspect stéréochimique Régiosélectivité H Halogénoalcane Règle de Μarkovnikov (X se fixe sur le carbone issu du carbocation le plus stable) (R1 et R2 sont plus électrodonneurs que R3 et R4) R2 Régiosélectivité Non stéréospécifique Régiosélectivité H (R1 et R2 sont plus électrodonneurs que R3 et R4) Alcool Règle de Μarkovnikov (OH se fixe sur le carbone issu du carbocation le plus stable) Non stéréospécifique 55 b. Stéréospécifique a. Addition en anti b. Syn addition A * C R2 R2 R4 C R1 R4 R3 *C R1 Nucléophile R3 R2 Nom ou famille du réactif avec site électrophile δ+ R2 Dibrome (moment dipolaire induit Br C* R4 R3 50 % R2 δ+ Acide hypobromeux R1 RCO3H puis hydrolyse acide ou basique * C C* *C R4 R3 HO Br-OH puis hydrolyse acide R2 R1 R2 R1 OH *C C* Peracide HO Permanganate de potassium C* 50 % R4 R3 OH C* R1 Régiosélectivité Aspect stéréochimique α-dibromoalcane Anti Oxydation d’un alcène en dihalogénoalcane Non régiosélective Stéréospécifique α-bromoalcool Anti Oxydation d’un alcène en α-bromoalcool α-diol Anti Oxydation d’un alcène en α-diol Non régiosélective Stéréospécifique α-diol Syn Oxydation d’un alcène en α-diol Non régiosélective Stéréospécifique Régiosélective R4 50% R3 R4 HO C* Stéréospécifique R3 *C 50% (OH se fixe préférentiellement sur le carbone de l’alcène qui porte le plus de groupement donneur (R1 et R2 ici) OH 50 % R2 R1 *C R2 R1 R2 B Oxydo réduction R4 R3 *C R3 *C Mode d’addition Br HO C* Famille du produit formé R4 R3 *C R4 R2 produits majoritaires HO KΜnO4 dilué HO Br Réactif A Br 50 % R3 R4 R3 avec site électrophile R4 R3 R2 R1 Nucléophile R4 R3 *C C *C R1 R1 *C C* Br Br *C C* R1 B Produits formés après hydrolyse acide R1 R4 C avec site électrophile A Br-Br R2 R2 Réactif C B C* B R1 Réactif avec site électrophile A OH 56 B. Addition radicalaire a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel O Amorçage n H2C O O C CH Ph Ph Terminaison O 2 à chaud O . H2C Ph . O CH2 + Exemple de catalyseur Ethylène Peroxyde de benzoyle Propène Peroxyde de benzoyle R . C (n - 1) H2C + H Ph C O CH2 . CH CH2 n-1 R1 C R1 R CH2 n H2C C R1 Produit Macromolécule formée H2C O Nom du produit formé Polyéthylène (PE) CH n Polypropène (PP) CH3 H Styrène C CH2 H C R CH3 H2C H O R1 H C Nom du monomère H C C . R H2C . R1 R1 CH2 O O C O Ph H 2C C . + R1 Μonomère Ph H C n PhCOO-OCOPh C ou O ou H2C R1 C Propagation hν H Ph hν O Peroxyde de benzoyle H2C CH n C 6H 5 Polystyrène (PS) C6H5 H H2C Chlorure de vinyle C Cl Peroxyde de benzoyle H2C CH n Cl Polychlorure de vinyle (PVC) 57 C. Addition catalysée par des métaux de transition Hydrogénation d’un alcène Hydrogénation d’un dérivé carbonylé H H C* R2 R2 R4 C R1 C + H R3 R4 R2 C* H Nom du substrat R1 Réactif C Alcène C R2 H2(g) C O Cétone H2(g) R2 R1 C O Aldéhyde H2(g) Dihydrogène H H Catalyse ....................... hétérogène H R2 C* O R1 H Dihydrogène Dihydrogène H *C Ni(s), Pd(s), Pt(s) ou oxydes métalliques R1 + R1 Exemples de catalyseurs R3 O R3 Nom du réactif R4 R2 C R1 Substrat H R4 R3 R1 Catalyse ....................... hétérogène H *C Ni(s), Pd(s), Pt(s) ou oxydes métalliques Ni(s), Pd(s), Pt(s) ou oxydes métalliques Produit formé H C* R1 C R4 R1 * *C R2 50% R4 R2 H H R3 Μode d’addition Oxydo réduction Aspect stéréochimique Alcane Syn Réduction d’un alcène en alcane Stéréospécifique Syn Réduction d’une cétone en alcool IIaire Non stéréospécifique Syn Réduction d’un aldéhyde en alcool Iaire Non stéréospécifique R3 *C 50% Famille du produit formé H H Alcool IIaire H R2 C* O R1 H H R2 C Alcool Iaire O H C. Cycloaddition Cycloaddition [4 + 2] + Cycloaddition [2 + 2] + hν 58 VIII. Élimination A. Cinétique d’ordre 2 : E2 a. Equation de la réaction R1 B R2 GP C* + solvant polaire aprotique *C H R1 R3 R2 R4 C R4 base b. Mécanisme réactionnel R1 + C R2 B-H + GP C* GP R3 H R4 C R4 H sur le carbone en β du GP R3 + C R2 B-H + GP R3 B Groupe partant (nucléofuge) GP ou GP+ X : Cl, Br, I Famille ou nom du composé R-GP ou R-GP+ Halogénoalcane Classe du carbone relié au nucléofuge GP I aire ou II aire Nature de la base Famille du produit formé Base forte Alcène I aire ou II aire Base forte Alcène I aire ou II aire Base forte Alcène I aire ou II aire Base forte Alcène Tosylate d’alkyle O-Ts N(CH3)3 R1 *C (obtenu par tosylation d’un alcool avec Ts-Cl) + Sel d’ammonium quaternaire (obtenu par alkylation d’une amine avec CH3-I) Sel de sulfonium S(CH3)2 + (obtenu par alkylation d’un thiol avec CH3-I) Régiosélectivité Aspect stéréochimique Régiosélectivité de Zaïtsev (on forme majoritairement l’alcène Stéréospécifique le plus substitué par des groupements donneurs) Régiosélectivité de Zaïtsev Stéréospécifique Régiosélectivité d’Hofmann (on forme majoritairement l’alcène Stéréospécifique le moins substitué par des groupements donneurs) Régiosélectivité d’Hofmann Stéréospécifique 59 B. Cinétique d’ordre 1 : E1 a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel R1 R2 R1 R2 GP R1 BH *C * C + solvant polaire protique R4 *C C* R3 R1 R3 H sur le carbone en β du GP C R3 R1 R3 + GP C* C C C + BH2 R3 R4 H + BH2 + GP R2 R1 C R2 R4 R2 C R2 R3 H base C C H H R4 C* GP R4 R1 R2 C* R4 C R3 R4 R2 R3 R1 R4 H HB R2 R1 R2 C* C R4 R3 R4 C C R1 R3 H Groupe partant (nucléofuge) GP ou GP+ X : Cl, Br, I Famille ou nom du composé R-GP ou R-GP+ Halogénoalcane Classe du carbone relié au nucléofuge GP II aire II aire ou III aire ou III aire Nature ou nom de la base Exemple de catalyseur Régiosélectivité Aspect stéréochimique Base faible Alcène (si mélange Z + E alors % (E) > % (Z)) Régiosélectivité de Zaïtsev (on forme majoritairement l’alcène Non stéréospécifique H2O Alcène (si mélange Z + E alors % (E) > % (Z)) Régiosélectivité de Zaïtsev (on forme majoritairement l’alcène Sel d’oxonium OH2 (obtenu par protonation d’un alcool en milieu acide) H2SO4 Famille du produit formé le plus substitué par des groupements donneurs) le plus substitué par des groupements donneurs) Non stéréospécifique 60 C. Déshydrogénation avec métaux ou oxydes métalliques a. Déshydrogénation d’un alcane R1 R4 CH Réactif R1 CH R2 R3 Substrat R1 CH OH ou catalyseur H2C OH R1 R4 C R2 CH R3 Exemples de réactifs Alcool IIaire Réactif de Dess-Μartin Alcool Iaire R1 C Famille ou nom du substrat R2 R1 b. Déshydrogénation d’un alcool R2 Exemples de catalyseurs R1 OH R2 H2C OH O Oxydation d’un alcool secondaire en cétone C O Aldéhyde Oxydation d’un alcool Iaire en aldéhyde R4 C Alcène C R3 R1 C O Cétone Oxydation d’un alcool secondaire en cétone C O Aldéhyde Oxydation d’un alcool Iaire en aldéhyde R2 R1 R1 C Cétone H Ni(s), Pd(s), Pt(s) ou oxydes métalliques R2 O R2 Alcool IIaire ou catalyseur C R1 R3 R1 Oxydo-reduction R1 Réactif de Dess-Μartin Réactif Produit formé R2 Alcane CH R2 CH Famille du produit formé R1 R4 CH OH Alcool Iaire H 61 IX. Substitution A. Substitution nucléophile a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel R1 R1 solvant polaire * + Nu C δ+ R3 nucléophile GP Nu aprotique * C R1 + Nu R3 R2 site électrophile R1 C* + GP δ GP R2 R3 Nu *C R2 NuH * + nucléophile C solvant polaire GP δ+ R3 NuH R1 Nu aprotique *C + R1 * C δ+ R3 GP Nu *C GP + GPH R2 R3 R2 R2 + R3 H R2 GPH GP R2 R1 R1 + R3 R1 site électrophile Nu *C R3 R2 1. Cinétique d’ordre 2 : SN2 Groupe partant (nucléofuge) GP Famille ou nom du composé R-GP Classe du carbone relié au nucléofuge Nature du nucléophile Nu- ou NuH Famille du produit formé Approche du nucléophile Aspect stéréochimique Approche en anti Stéréospécifique R1 OH - ou H2O Alcool HO RO - ou ROH Ether-oxyde RO * C R3 R2 R1 * C R3 R2 R1 X : Cl, Br, I RCOO - ou RCOOH Halogénoalcane I OTs Tosylate d’alkyle aire ou II Ester RCOO * C R3 R2 aire R1 NH2- ou NH3 Amine I aire H2N * C R3 R2 (à l’opposé de la liaison C-GP) R1 RNH - ou RNH2 Amine II aire RHN * C R3 R2 R1 N≡C – Nitrile NC * C R3 R2 62 2. Cinétique d’ordre 1 : SN1 R1 etape C R3 * nucléophile + C R3 δ+ GP R2 R2 + R2 protique R3 R1 R2 solvant polaire NuH R3 * R2 Nu Famille ou nom du composé R-GP ou R-GP+ C Classe du carbone relié au nucléofuge R3 Nature du nucléophile Nu- ou NuH Nu R2 C R1 R1 R3 Nu OH HO Tosylate d’alkyle Amine I aire RNH2 Amine II aire RO R1 OOCR * RCOO C R3 R2 R2 R1 R1 * C NH2 H2N * C R3 R2 R2 R1 Non Stéréospécifique R1 * C NHR RHN * C R3 R2 R2 Nitrile R1 C* R3 Attaque équiprobable au dessus et en dessous du plan du carbocation C R1 N≡C – Aspect stéréochimique R3 R2 * R3 Approche du nucléophile * R2 C R3 Nu R1 OR R1 Sel d’oxonium C* R3 R2 * R3 II aire ou III aire NH3 OH2 + Ester H R1 *C R2 C R3 Halogénoalcane RCOO - ou RCOOH OTs Ether-oxyde + R2 R1 C* R3 R1 R2 H Famille du produit formé Alcool R3 R3 C* R1 X : Cl, Br, I C* R1 R1 ROH GP H R2 NuH H2O + C* R1 GPH C R1 Nu R1 R3 site électrophile Groupe partant (nucléofuge) GP ou GP+ C R2 lente NuH C* R3 R3 R2 Nu R1 GP R2 CN NC *C R3 R2 63 B. b. Mécanisme réactionnel a. Equation de la réaction E H + GP δ + E-GP + GP Catalyseur * E + Catalyseur + E H E + Catalyseur H E GP-H site électrophile E * E H nucléophile + H H GP Catalyseur GP H + Catalyseur Substitution électrophile aromatique E-GP Nom du réactif Nom de la réaction Exemples de catalyseur Activation de l’électrophile « E+ » Cl-Cl Dichlore Chloration AlCl3 Cl2 + AlCl3 → Cl+ + AlCl4 – Dibrome Bromation FeBr3 Br2 + FeBr3 → Br+ + FeBr4 – Réactif Cl2 + Aspect stéréochimique Produit formé X δ Br2 Br-Br + δ Non stéréospécifique X : Cl, Br (moment dipolaire instantané) NO2 HNO3 O2N-OH + δ H2SO4 HO3S-OH + δ Acide nitrique Nitration Acide sulfurique Sulfonation Halogénure d’alkyle Alkylation de Friedel et Crafts H2SO4 H2SO4 + Non stéréospécifique - HNO3 + H2SO4 → NO2 + HSO4 + H2O H2SO4 + H2SO4 → HO3S + + HSO4 - + H2O SO3H Non stéréospécifique R RCl R-Cl + δ R-Cl + AlCl3 → R AlCl3 + + AlCl4 O O O RCOCl C R δ+ Cl Chlorure d’acide Acylation de Friedel et Crafts O AlCl3 + AlCl3 C R → C Cl Non stéréospécifique – + AlCl4 – C R Non stéréospécifique R 64 C. Substitution radicalaire a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel hν Amorçage X ou X . 2 X à chaud H . + C R1 R2 Propagation X H X2 hν C* R1 R3 R3 + C R1 + H X R3 R2 C Terminaison R Produit formé . + X X R1 C* R1 + X . R3 R2 Nom de la réaction R1 X R2 Nom du réactif C . R1 Réactif X2 X R3 R2 HX + . R1 + R . R R Famille du produit formé Régiosélectivité Oxydo réduction Aspect stéréochimique Chloroalcane Cl2 est peu sélectif : Cl peut substituer des atomes d’hydrogène portés par des atomes de carbone Iaire, IIaire ou IIIaire Oxydation d’un alcane en chloroalcane Non stéréospécifique Bromoalcane Br2 est sélectif : Br ne peut substituer que des atomes d’hydrogène portés par des atomes de carbone reliés à des groupes donneurs Oxydation d’un alcane en bromoalcane Non stéréospécifique Cl Cl2 Dichlore Chloration R1 C R3 R2 Br Br2 Dibrome Bromation R1 C R2 R3 65 D. Substitution sur les acides et les dérivés d’acides 1. Sans activation du site électrophile a. Equation de la réaction O + Nu O C R nucléophile b. Mécanisme réactionnel δ+ + C Z R O O Z Nu Nu + Addition nucléophile Nu C R δ+ C* Z Famille du réactif avec site électrophile Z + C Nu Nucléophile Nu- ou NuH Nom ou famille du nucléophile Produit formé Famille du produit formé Aspect stéréochimique Carboxylate Non stéréospécifique Acide carboxylique Non stéréospécifique Ester Non stéréospécifique Amide Non stéréospécifique Carboxylate Non stéréospécifique Ester Non stéréospécifique Amide Non stéréospécifique O HO O δ+ - Ion hydroxyde C R O O Chlorure d'acyle C R H2O Cl Eau C R R’O O + δ R - Alcoolate ROH C O R’R’’N R Alcool - R’R’’NH OH O O Anhydride d’acide C Z R R site électrophile Réactif avec site électrophile O Elimination C R OR O Amidure C Amine R NRR' O HO- Ion hydroxyde C R O Ester C R δ+ O O R’O- Alcoolate C R OR2 OR' O R’R’’N- Amidure C R NR'R'' 66 2. Activation du site électrophile a. Equation de la réaction b. Mécanisme réactionnel O + C R Activation catalytique O O H H + NuH C R δ+ H Z + C Z R NuH C + nucléophile R δ O Prototropie HNu Elimination Nu R C C R Z ZH R ZH Z + C Nu Régénartion du catalyseur site électrophile + O O Addition nucléophile ZH Nu H H H O O + C R Réactif avec site électrophile Famille du réactif avec site électrophile Nucléophile Nu- ou NuH Nom ou Famille du nucléophile Exemple de catalyseur R’OH Alcool H+ Produit formé Famille du produit formé Aspect stéréochimique Ester Non stéréospécifique Amide Non stéréospécifique Acide carboxylique Non stéréospécifique Amide Non stéréospécifique Acide carboxylique Non stéréospécifique Ester Non stéréospécifique O O δ+ R R Acide carboxylique C OR' O R’R’’NH OH C Amine H+ C R NRR' O H2O O δ+ H+ C R Ester C R Eau OH O R’R’’NH OR2 Amine H+ C R H Nu NRR' O H2O O δ+ H+ NR1R2 C R Amide C R Eau OH O R’OH Alcool H+ C R OR' 67 X. Lexique ▫ Acide de Bronsted : espèce susceptible de céder un ou plusieurs ions hydrogène H+. L’acidité est un concept thermodynamique. ▫ Base de Bronsted : espèce susceptible de capter un ou plusieurs ions hydrogène H+. La basicité est un concept thermodynamique. ▫ Catalyseur : espèce chimique qui diminue le temps d'une réaction et qui n’intervient pas dans le bilan réactionnel. ▫ Electrophile : espèce qui présente un site déficitaire en électrons ou une charge partielle positive. L’électrophilie est un concept cinétique. ▫ Nucléophile : espèce qui présente un site avec un excédent d’électrons ou une charge partielle négative. La nucléophilie est un concept cinétique. ▫ Oxydant : espèce susceptible de capter un ou plusieurs électron(s). ▫ Oxydation : réaction qui conduit à l’augmentation du nombre d’oxydation de l’atome oxydé. ▫ Réducteur : espèce susceptible de céder un ou plusieurs électrons(s) ▫ Réduction : réaction qui conduit à la diminution du nombre d’oxydation de l’atome réduit. ▫ Réaction stéréosélective : réaction conduisant à un mélange de stéréoisomères dont l’un d’entre eux est majoritaire. ▫ Réaction stéréospécifique : réaction qui conduit à un ou plusieurs produits dont la stéréochimie est directement liée à celle du réactif. ▫ Réaction régiosélective : réaction conduisant à un mélange d’isomères de position dont l’un d’entre eux est majoritaire. ▫ Solvant protogène : solvant contenant un atome d’hydrogène relié à un atome d’oxygène ou d’azote (eau, alcools, acides carboxyliques, amines Iaires ou IIaires …) ▫ Solvant protophile : solvant capable d’accepter un ou plusieurs protons d’une espèce dissoute. ▫ Solvant polaire : solvant doté d’un moment dipolaire permanent (eau, alcools, acides carboxyliques, cétones, éther-oxydes …) ▫ Solvant apolaire : solvant dont le moment dipolaire est nul ou quasi-nul (hydrocarbures … ) 68 Il est possible d'envisager, lors de l'enseignement de la partie synthèse, de faire constituer une "réactiothèque" par les élèves. Construites par les étudiants au cours de la formation et mises à leur disposition durant certaines évaluations, les données figurant dans la réactiothèque (document personnel, comme le cahier de laboratoire) sont issues de l’exploitation de données expérimentales sur un choix ciblé de réactions étudiées, extraites elles-mêmes de publications ou des séances de synthèse organique effectuées au laboratoire. La réactiothèque est complétée au fur et à mesure de la formation, durant les deux ans. Elle constitue un support riche et complet de données exploitables, et dans une certaine mesure, transposables. 1. Exemple de structure des rubriques Exemple de la réactiothèque employée à l'ENCPB depuis plusieurs années. Elle est construite et complétée au fur et à mesure de la formation, par l'étudiant. Nom de la réaction Schéma de synthèse / Catégorie de réaction Conditions expérimentales équation de réaction Informations diverses / mécanistiques / stéréochimiques / sélectivité / contrôle 2. Exemples de contenus Schéma de synthèse / équation de réaction Nom de la réaction 2. Réaction de Diels-Alder R Catégorie de réaction R2 R R2 R3 R1 R3 [Cyclo]addition + R1 3. Nitration aromatique NO2 + H 2O + HNO3 5. R. de Grignard O (organomagnésien) OH 1) RMgX R R' R" 2) H2O, H+ Substitution "aromatique" R" R' Addition Conditions expérimentales - Réaction entre un diène et un diénophile - Chauffage - Milieu très acide : HNO3ou mélange HNO3/H2SO4) - Synthèse du RMgX in situ dans l’éther (RX + Mg RMgX) - Milieu sec - Sensibilité aux protons labiles, à H2O, CO2, O2. - Une étape d’hydrolyse est nécessaire Informations diverses / mécanistiques / stéréochimiques / sélectivité / contrôle - Vu en TPO18 - Illustrer par le mécanisme - Règle de l'endo - Approche orbitalaire - Souvent favorisée quand le diénophile est substitué par des groupes activants Vu en TPO13. Possibilité de réduction Intermédiaire de Wheland. Mécanisme se terminant par une réaromatisation. Vu en TPO10. Possibilité de double addition si présence d'un bon groupe partant (si R ou Ré n’est pas un groupe hydrogénocarboné). 69 7. Synthèse d’esters O O R cat. OH + R' OH R O X + R' OH 8. Oxydation en acide carboxylique ou en cétone R OH Voir TPO 12 Possibilité en micro-onde en phase sèche. + HX OH Oxydation OH R O [Ox] R' 9. R" R O [Ox] Oxydation en aldéhyde O R' O R - Oxydants forts, comme les ions dichromate, permanganate, eau de Javel Substitution R [Ox] Mécanisme par addition-élimination Rendement médiocre dans le cas des alcools : nécessité de mettre en place des déplacements d'équilibres. + H2O O O R R' - Milieu acide et chauffage R OH Oxydation douce R H Oxydant moins « forts », comme CrO3/pyridine/DCM (PDC) Dess-Martin (periodinane), Swern (DMSO ; chlorure d’oxalyle) Il peut être demandé aux étudiants de sous-classer dans un deuxième temps, sous forme de cahier, les différentes pages, avec un sommaire, comme celui-ci : 1. Aménagement de structure 1.1. Rupture de chaine 2.2. Ozonolyse ; Oxydation avec rupture de liaison ; ... 1.2. Transposition Isomérisation ; ... 1.3. Formations de cycles Diels-Alder ; ... 1.4. Augmentation de chaîne Aldolisation/cétolisation ; synthèse malonique ; réaction de Wittig ; métathèse ; ... 2. Aménagement de fonction 2.1. Aménagement avec invariance de l’insaturation 2.1.1. Réactions de substitutions Estérification ; SN ; SEAr ; réaction haloforme ; ... 2.1.2. Réactions A/B ... 2.1.3. Réactions d’insertion Formations d’organomagnésiens ; ... Augmentation de l’insaturation 2.2.1. Réactions d’éliminations Formation d’alcènes ; ... 2.2.2. Réactions d’oxydation a. Oxydation d’alcools Ménagées ; non ménagées ; ... b. Oxydation ménagée Alcool en aldéhyde ; ... 2.3. Diminution de l’insaturation 2.3.1. Réactions d’additions sur les espèces hydrogénocarbonées Dihydroxylation stéréosélectives ; hydratations régiosélectives ; hydrogénohalogénation régiosélectives ; dihalogénation ; dihydrogénation ; époxydation ; réduction par les ions hydrure ; autres réductions ; réaction de Grignard ; ... 2.4. Stratégie de synthèse : protection/déprotection De groupes hydroxyle ; de groupes amino ; de groupes carbonyle ; ... 70 C. Techniques expérimentales à maîtriser en synthèse en fin de S2 Un technicien supérieur, dans l’exercice de son métier en laboratoire, met en œuvre des démarches scientifiques à fortes composantes expérimentales. Il est autonome sur le choix et la mise en œuvre de techniques afin de préparer et de réaliser une synthèse, ainsi que de suivi d’une synthèse ou d’une extraction, de caractériser un composé et de contrôler sa pureté. Sur les deux années d’enseignement du module synthèse, l’objectif visé est également de développer l’adaptabilité et la capacité de travailler en équipe ; les activités proposées au laboratoire ou en classe doivent donc favoriser la démarche active de l’étudiant en interaction avec ses pairs. Il parait alors judicieux de former l’étudiant de manière progressive et que l’apprentissage des techniques expérimentales soit bien engagé tout au long de la première année. Extrait du référentiel du BTS S6 : Synthèse chimique L’étudiant doit être en mesure : - d’identifier ou adapter le matériel nécessaire à la transformation à réaliser. - de rechercher les consignes de sécurité et les données physicochimiques des différentes espèces chimiques mises en jeu. - de réaliser un protocole au laboratoire en respectant les règles de sécurité. - de mettre en œuvre des méthodes permettant de suivre qualitativement ou quantitativement l’avancement d’une réaction au cours d’une transformation. - de choisir des conditions expérimentales pour isoler une espèce chimique par précipitation. - de mettre en œuvre une extraction au laboratoire en respectant les règles de sécurité. - en respectant les règles de sécurité, de mettre en œuvre, à l’aide de données physicochimiques, un protocole de distillation à pression normale ou réduite, de recristallisation et de séparation par chromatographie sur colonne. - de mettre en œuvre une ou plusieurs technique(s) d’analyse pour suivre l’évolution d’une transformation, caractériser un produit formé et contrôler la pureté du produit synthétisé. 71 La liste non exhaustive proposée ci-après permettra au futur technicien supérieur de travailler dans un laboratoire. Elle rassemble, en outre, l’ensemble des techniques susceptibles d’être évaluées au cours du CCF 1 (module Synthèse). * Choix de verrerie * Prélèvement d’un solide en respectant les consignes de sécurité * Prélèvement d’un liquide en respectant les consignes de sécurité * Montage à reflux avec contrôle de température, addition contrôlée d’un réactif, piège à gaz * Suivi de l’avancement de la réaction par CCM, IR … * Montage d’hydro-distillation * Montage d’entrainement azéotropique * Extraction liquide-liquide à l’aide d’une ampoule à décanter - relargage * Lavages d’une phase liquide organique avec choix de la solution aqueuse à l’aide d’une ampoule à décanter – contrôle de la fin des lavages * Filtration et lavages d’un solide sur Buchner – contrôle de la fin des lavages * Filtration par gravité * Séchage d’un liquide * Séchage d’un solide * Evaporation d’un solvant à l’aide d’un évaporateur rotatif * Réalisation d’une purification par distillation * Réalisation d’une purification par recristallisation (choix du ou des solvant(s) de recristallisation) * Réalisation d’une CCM (choix des dépôts, de l’éluant et de la révélation) * Réalisation d’un spectre IR d’un solide et d’un liquide avec mise en route, maintenance légère, réglages, utilisation du spectromètre à des fins qualitatives et quantitatives * Etalonnage d’un réfractomètre et mesure d’un indice de réfraction * Mesure d’une température de fusion et d’ébullition * Analyse d’un produit en CPG avec mise en route, maintenance légère, réglages, et utilisation de l’appareil CPG à des fins qualitatives et quantitatives * Analyse d’un produit en CLHP avec mise en route, maintenance légère, réglages, et utilisation de l’appareil CLHP à des fins qualitatives et quantitatives * Gestion des risques, des manipulations et propreté de l’espace de travail * Gestion des déchets 72 D.Analyse thermique PLAN DE LA RESSOURCE 1. 2. 3. 4. 5. OBJECTIFS APPAREILLAGE APPLICATION AU CAS D’UN CHANGEMENT D’ETAT OU D’UN CHANGEMENT DE PHASE APPLICATION A LA SECURITE DES REACTEURS CHIMIQUES BIBLIOGRAPHIE-SITOGRAPHIE 1. OBJECTIFS Les domaines d'application de l'analyse thermique sont très nombreux. On peut mettre en évidence tous les phénomènes endothermiques ou exothermiques ainsi que déterminer les températures et enthalpies associées. On peut citer : - les températures de changement d'état : fusion, cristallisation - les températures de transition vitreuse des polymères et verres - les enthalpies associées aux changements d'état et aux phénomènes de transition - la détermination des paramètres (températures, enthalpies) intervenant pour la prévention des risques thermiques dans le cas des réacteurs chimiques Extrait du référentiel du BTS S6 : Synthèse chimique L’étudiant doit être en mesure : - d’exploiter des thermogrammes pour en déduire des températures et des enthalpies caractéristiques d’un processus. - d’analyser un thermogramme (DSC) pour déterminer une température de transition vitreuse. 73 2. APPAREILLAGE Le terme ATD (Analyse Thermique Différentielle) n'est pas suffisant car en fait on utilise en fait le plus souvent des courbes issues de DSC (Differential Scanning Calorimetry ou Calorimétrie Différentielle à Balayage). Les deux techniques ne sont pas très différentes dans leur principe. On peut considérer la DSC comme une évolution de l'ATD. Il existe d'ailleurs des versions proches de ces techniques, certaines simulant de manière plus proche encore un réacteur industriel (Differential Reaction Calorimeter). Dans les deux techniques, l’échantillon à étudier est placé dans une cellule fermée et un produit inerte est placé dans un dispositif identique comme référence. L’échantillon est de petite taille (quelques milligrammes à quelques dizaines de milligrammes de solide ou liquide). En ATD ou certaines DSC (DSC à flux de chaleur), les deux cellules sont placées dans une enceinte permettant de réaliser une programmation de la température (température constante ou rampe de quelques °C.min-1). On mesure la différence de température observée entre l'échantillon et la référence. En DSC, cette différence est convertie en une différence des flux de chaleur échangés par l'échantillon et la référence. Pour les autres DSC (DSC à compensation de puissance), chaque cellule est placée dans un microfour comprenant un élément chauffant. Une programmation en température est appliquée aux deux cellules. Le principe consiste à mesurer de façon continue la différence de puissance électrique qu’il faut fournir à la référence et à l’échantillon quand il se produit dans ce dernier un processus endothermique ou exothermique de façon à réduire et à annuler la différence de température entre l’échantillon et la référence. Il ne faut s'attarder ni sur les détails technologiques ni même sur l'origine (ATD, type de DSC) des thermogrammes obtenus : l'intérêt réside dans l'exploitation qui en est faite. CAS D'ETAT http://chem-is-easy.blogspot.fr/2013/02/thermodynamics-energy-accountancy-and.html Voir référence 5/ : Schéma DSC à compensation de puissance 3. APPLICATION AUX D'UN CHANGEMENT OU D'UN CHANGEMENT 74 DE PHASE La figure 1 ci-contre représente l'évolution en température pour la cellule de référence et la cellule de l'échantillon lors d'un phénomène de fusion. Une programmation linéaire de la température est réalisée. On observe bien que la température de la cellule de l'échantillon reste este constante pendant la durée de fusion. Ensuite la température de cette cellule peut rattraper celle de la cellule de référence. L'aire (en bleu) est représentative de l'excédent de puissance thermique (par rapport à la cellule de référence) qui a été fourni fournie à cette cellule. Elle est proportionnelle à l'enthalpie de fusion. La figure 2 ci-dessous dessous représente le thermogramme d'une analyse de la caféine. Il permet d'observer la température de changement de phase cristallographique de la caféine à 151 1 °C et la température de fusion à 238 °C. Après étalonnage de l'appareil (utilisation de la fusion de l'indium comme étalon en température et en énergie), on détermine par intégration des pics les enthalpies de transition de phase (18,56 kJ.kg-1) et de fusion (109,8 kJ.kg-1) de la caféine. Figure 1 Thermogramme d'une fusion par DSC (référence 4/) http://www.netzsch-thermal thermal-analysis.com/fr/landingpages/principe-de-fonctionnement fonctionnement-dun-dsc-a-flux-dechaleur.html Figure 2 Thermogramme de la caféine par DSC (référence 2/) 75 4. APPLICATION A LA SECURITE DES REACTEURS CHIMIQUES Les analyses thermiques sont un outil privilégié au moment de la conception du procédé industriel et donc lors du passage de l'échelle du laboratoire à celle du réacteur industriel. Le thermogramme ci-contre est "un exemple" représentatif en DSC lors d'une programmation d'une augmentation de température. La réaction de synthèse est suivie par une réaction de décomposition qui démarre à une température plus élevée. Il permet de détecter les enthalpies de la réaction de synthèse et de la réaction de décomposition. Thermogramme DSC (référence 3/) Avec le thermogramme ci-contre concernant la réaction de décomposition d'un dérivé nitré aromatique, l'exploitation du modèle (réaction suivant la loi d'Arrhénius) permet de calculer l'enthalpie de la réaction de décomposition. La valeur de Tad peut ainsi être déduite. L'exploitation du thermogramme permet l'accès à des paramètres cinétiques (ordre, facteur de fréquence, énergie d'activation). Thermogramme DSC (référence 4/) 76 Dans l'exemple ci-contre, les thermogrammes permettent l'étude de l'influence de la température sur la réaction de décomposition d'un dérivé chloronitroso. La période d'induction augmente quand la température d'exposition du composé diminue. De même, le maximum de puissance dégagée diminue fortement dans ce cas. Ces renseignements permettent de mieux connaître les risques du procédé et donc de prévoir les conditions les mieux adaptées à sa réalisation. Thermogramme ATD (référence 4/) 5 . BIBLOGRAPHIE-SITOGRAPHIE 1/ Vince, A.S. (2000). Etat de l'art des méthodes expérimentales d'analyse de risque de l'emballement thermique. Rapport d'étude INERIS. 2/ Grenet, J., & Legendre, B. (2010). Analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC). Techniques de l'Ingénieur, P1205. 3/ Stoessel, F. (2013). Sécurité thermique des procédés - Evaluation des risques d'emballement. Techniques de l'Ingénieur, SE5010 4/ Gustin, J.L. (2002). Risque d'explosion en phase condensée. Techniques de l'Ingénieur, SE5040 5/ Principe de fonctionnement d'un DSC à flux de chaleur. Récupéré sur NETZSCH : http://www.netzsch-thermal-analysis.com/fr/landingpages/principe-de-fonctionnement-dun-dsc-a-flux-de-chaleur.html 77 E.Aspects thermiques de la sécurité des réacteurs chimiques PLAN DE LA RESSOURCE 1. INTRODUCTION 2. CAS DU REACTEUR DISCONTINU 2.1. Incidents et risques 2.2. Paramètres à contrôler 3. APPLICATION 4. BIBLIOGAPHIE-SITOGRAPHIE 1.INTRO DUCTION Le contrôle thermique des réacteurs chimiques est un élément essentiel de la sécurité des réacteurs chimiques. Extrait du référentiel du BTS S6 : Synthèse chimique Une partie de l’enseignement du module vise à repérer les différences entre une synthèse menée au laboratoire et sa réalisation dans un pilote. Ce changement d’échelle permet également de comprendre les étapes d’optimisation d’un procédé industriel. L’étudiant doit être en mesure : - d’exploiter des thermogrammes pour en déduire des températures et des enthalpies caractéristiques d’un processus. - à l’aide de documents, de proposer et/ou réaliser une adaptation d’un protocole expérimental de laboratoire à l’échelle industrielle. - d’analyser les conditions de faisabilité d’un changement d’échelle pour un protocole de laboratoire donné. - de déterminer l’énergie ou la puissance à fournir ou à éliminer pour maintenir un réacteur continu ou discontinu à température constante dans le cas d’une réaction pour laquelle l’enthalpie standard de réaction est fournie. - d’évaluer les pertes thermiques d’un système à l’aide d’un bilan. - à l’aide de données tabulées, de déterminer l’enthalpie standard de réaction afin de prévoir l’influence de la température sur le rendement d’une réaction et afin d’adapter les échangeurs thermiques aux réacteurs. Le cas d’emballement intervient souvent avec des réactions exothermiques pour lesquelles il est nécessaire d'éliminer en permanence l’excès d’énergie produit par la réaction. Les circonstances d'accidents liées à un emballement thermique résultent souvent d'une forte réduction des 78 capacités du réacteur à échanger de l’énergie sous forme de chaleur avec le milieu extérieur. Pour la sécurité du procédé, il faut que le système de refroidissement puisse à tout instant évacuer une puissance thermique au moins égale à l’énergie produite par la réaction. 2. CAS DU REACTEUR DISCONTINU On peut prendre l'exemple classique d'un réacteur discontinu muni d'un agitateur et d'une double enveloppe dans laquelle circule un fluide réfrigérant. 2.1 Incidents et risques Les incidents suivants peuvent par exemple conduire à un emballement thermique et par là même à une explosion : • panne de la pompe véhiculant le liquide de refroidissement dans la double enveloppe, • panne de l'agitateur. L'analyse préalable des risques s'effectue dans le pire des cas, celui où le système (le réacteur contenant le mélange réactionnel) devient adiabatique et ne peut donc plus échanger de l’énergie sous forme de chaleur avec l'extérieur. Les deux incidents précédents tendent vers cet état. La panne de la pompe conduit à ce que le liquide de refroidissement va atteindre progressivement la température du milieu réactionnel et donc pratiquement plus aucun échange thermique ne pourra avoir lieu. De même la panne de l'agitateur va réduire énormément le transfert thermique du milieu réactionnel vers le liquide réfrigérant car le processus thermique dans le réacteur sera alors de la convection naturelle et non plus de la convection forcée. Le schéma ci-dessous représente le profil en température d’un l'emballement thermique dans un réacteur fonctionnant en discontinu (réacteur batch). Dans le cas d’un fonctionnement normal, on observe généralement une phase de montée en température jusqu’à la température opératoire, notée ici T0. Cette température est ensuite régulée, via un système de refroidissement et peut rester constante pendant toute la durée de l’opération. La température du milieu réactionnel diminue lorsque la synthèse chimique est terminée. En cas de panne du système de refroidissement avant la fin de la réaction, l’énergie dégagée par la réaction n’est plus suffisamment évacuée et on observe une augmentation de température du milieu réactionnel jusqu’à un autre palier de température (MTSR), atteint à la date t1. Cette phase correspond à l’emballement de la réaction de synthèse dans des conditions devenues adiabatiques. 79 2.1. Voir référence 3/ 80 2.2 Paramètres à contrôler A ce stade, les trois paramètres importants à contrôler sont : • ∆Tad (élévation de température adiabatique) ; cette grandeur est définit de la manière suivante : ∆Tad = n ⋅ ∆rH m ⋅ Cp ∆rH est l'enthalpie molaire de la réaction mise en œuvre dans le procédé n est la quantité de matière de réactifs non consommés au moment de la panne m est la masse du milieu réactionnel Cp est la capacité thermique massique du système Cette grandeur dépend de l'avancement de la réaction : n est maximal si la panne intervient au début de la synthèse. ∆Tad correspond au pire des cas car il est calculé en considérant aucun échange avec l'extérieur de l'énergie dégagée par la réaction : toute cette énergie est intégralement récupérée par le milieu réactionnel qui peut donc atteindre la température notée MTRS (Température Maximale de la Réaction de Synthèse). • MTSR : à cette température, le réactif en défaut a été totalement consommé. Plus le ∆Tad est grand, plus la température maximale du milieu réactionnel peut être importante et plus le risque est élevé. Si la température MTSR atteinte est suffisante pour amorcer des réactions secondaires ou des réactions de décomposition exothermique, l’important dégagement d’énergie au sein du milieu réactionnel peut provoquer une nouvelle et brutale montée en température. Cette phase correspond à l’emballement de réactions secondaires ou de décomposition. Ces dernières génèrent souvent une quantité d'énergie supérieure à la réaction de synthèse. L'emballement thermique est alors beaucoup plus violent. • TMRad (Time to Maximum Rate) : c'est la durée nécessaire pour atteindre la vitesse maximale en régime adiabatique des réactions secondaires ou de décomposition. Il est représentatif du risque d’emballement thermique : plus ce temps est long, plus les opérateurs ont le temps d’agir sur le procédé et moins le risque est élevé. Les analyses thermiques vont avoir un rôle primordial dans la prévention des risques thermiques. Elles permettront notamment de déterminer : − les enthalpies des réactions de synthèse, des réactions secondaires et des réactions de décomposition, − les périodes d'induction à une température donnée avant le démarrage des réactions de décomposition. 81 3. APPLICATIONS Un réacteur contient une masse réactionnelle de 1600 kg dont la chaleur massique est de 1,78 kJ.kg-1.K-1. La réaction s'effectue à la température ambiante. Elle est exothermique son enthalpie molaire est de – 180 kJ.mol-1 à 25°C. Dans les conditions initiales, le réacteur contient 1200 moles de réactif limitant. On peut calculer ∆Tad dans ces conditions : ∆Tad = n ⋅ ∆rH m ⋅ Cp = 1200 ⋅ 180 = 76°C 1600 ⋅ 1,78 On constate donc que, dans le pire des cas (panne du système de refroidissement en début de synthèse et conditions adiabatiques "parfaites"), l'élévation de température sera de 76°C. Ceci conduit à une valeur de température de MTSR égale à 25 + 76 = 101 °C. Il faut donc que les réactions secondaires ou de décomposition ne se déclenchent pas à cette température ou tout au moins que la période d'induction TMRad soit suffisamment longue pour que les opérateurs aient le temps d'intervenir. Bien entendu, la ∆Tad va décroître (donc ainsi que le risque) au fur et à mesure que l'avancement de la réaction augmente. 4. BIBLIOGRAPHIE-SITOGRAPHIE 1/ Rapport d'étude INERIS N°56933 (2005). Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs : la sécurité des procédés chimiques. 2/ Rapport d'étude INERIS N°46055 (2005). Méthodes pour l'évaluation et la prévention des risques accidentels : connaissance des phénomènes d'auto-échauffement des solides combustibles. 3/ Rapport d'étude INERIS (2011). Evaluation des études de dangers dans le secteur de la chimie fine (recueil de bonnes pratiques à l’attention des inspecteurs des installations classées): http://www.ineris.fr/centredoc/fiche-produit-po-ic-110413-1366618039.pdf 4/ Stoessel, F. (2013). Sécurité thermique des procédés - Evaluation des risques d'emballement. Techniques de l'Ingénieur, SE5010 5/ Gustin, J.L. (2002). Risque d'explosion en phase condensée. Techniques de l'Ingénieur, SE5040 82 F. Bibliographie générale Bibliographie en chimie organique expérimentale • Chavanne G., Beaudouin J., Jullien A., Flammand E., Chimie organique expérimentale, Editions Belin, 1991 • 400 manipulations commentées de Chimie organique, volume 1, de l'Expérience au Concept, de Jean-Pierre Bayle, 2005, ISBN : 9782729825638. • 400 manipulations commentées de chimie organique, volume 2, de l'Expérience au Concept, de Jean-Pierre Bayle, 2008, ISBN : 9782729839185. • Experimental Organic Chemistry : Standard and Microscale, de Laurence Harwood, Christopher Moody, et Jonathan Percy, 1998, ASIN: B00E28CWAM. Bibliographie en chimie organique théorique • Chimie organique, de Jonathan Clayden, Nick Greeves et Stuart Warren , 2013, ISBN : 978-2804174415. • Chimie organique : une approche orbitalaire, de Patrick Chaquin et François Volatron, 2015, ISBN : 978-2804193942. Bibliographie en génie des procédés • Introduction au génie des procédés : applications et développements, Didier Ronze, 2013, ISBN : 9782743014872. 83
