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Synthétiser des molécules
Cours 22 : Stratégie de synthèse organique
I.
Enjeux et principes.
L’objectif de la synthèse organique est de produire de nouvelles molécules ayant un intérêt biologique.
Afin d’obtenir une molécule organique particulière, il faut mettre en œuvre une stratégie de synthèse qui
consistera à choisir judicieusement :
-
Les réactifs,
le solvant,
les quantités des espèces chimiques mises enjeu,
la température et la pression,
la durée de réaction,
le pH
le montage expérimental.
II.
Influence des différents paramètres dans une stratégie de synthèse.
1.
Les réactifs.
Le choix des réactifs initiaux va influer directement sur la nature de la transformation chimique à suivre.
Le chimiste veille à commencer sa synthèse à partir d’une molécule ayant une structure carbonée proche
du produit à synthétiser.
Exemple n°1 : Préparation de l’aspirine (acide acétylsalicylique).
On choisira l’acide salicylique :
pour synthétiser l’aspirine :
Exemple n°2 : Préparation du paracétamol :
On choisira le para-aminophénol
Pour synthétiser le paracétamol :
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2.
Le solvant.
Le choix du solvant est lié à son aptitude à solubiliser tous les réactifs et produits intervenant dans la
synthèse.
Exemples de solvants classiques en Chimie organique :
-
L’acétone, pyridine (solvate bien les cations, ne forme pas de liaison hydrogène)
Eau, éthanol (solvate bien les anions, forme des liaisons hydrogène)
Cyclohexane, dichlorométhane (solubilise bien les espèces chimiques organique sans réagir avec eux).
CH3CH2OH
CH2Cl2
CH3-CO-CH3
Ethanol
Dichlorométhane
Acétone
Cyclohexane
Pyridine
Application : Synthèse du diphényl-2,3 benzodiazine-1,4 à partir de la diphényl-1,2 éthanedione-1,2 et du
diamino-1,2- benzène.
2.1. Identifier les fonctions présentes dans les réactifs et le produit à partir du nom de chaque molécule.
2.2. Quel solvant choisira-t-on pour cette synthèse ? Justifier.
+
+ H2O
Réponses :
Fonction cétone (groupement carbonyle)
diphényl-1,2 éthanedione-1,2
Groupement amine
Fonction amine Iaire
diamino-1,2- benzène.
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Fonction amine IIaire
Groupement amine
diphényl-2,3 benzodiazine-1,4
(Groupement diazine)
2.2. On choisira l’éthanol car il s’agit d’une molécule organique pouvant former des laisons hydrogènes avec les
atomes d’azote et d’oxygène présents dans les réactifs.
3.
Les quantités de matière mises en jeu.
Le choix des quantités de matières mises en jeu permettra de définir quel sera le réactif limitant de la
transformation chimique.
(Voir les tableaux d’évolution des systèmes chimiques).
On souhaite synthétiser 0,134 mol d’éthanoate d’éthyle à partir éthanol et acide éthanoïque.
𝑥
Le taux d’avancement final 𝑓 = 0,67
𝑥𝑚𝑎𝑥
Quel protocole permettra d’obtenir cette quantité de matière dans les conditions cinétiques optimales ?
Protocole 1 : 0,100 mol éthanol et 0,200 mol d’acide éthanoïque.
Protocole 2 : 0,200 mol d’éthanol et 0,200 mol d’acide éthanoïque.
Protocole 3 : 0,200 mol d’éthanol et 0,300 mol d’acide éthanoïque.
Réponse :
Protocole 3 : 0,200 mol d’éthanol et 0,300 mol d’acide éthanoïque.
On obtiendra bien un avancement final xf = 0,67 × 0,200 = 0,134 mol.
De plus prendre un excès d’’acide éthanoïque permet d’accélérer la réaction car la concentration est un
facteur cinétique.
4.
La température et la pression.
4.1. La température est un facteur cinétique, c'est-à-dire qu’elle influe sur la cinétique de la
transformation.
Quand on augmente la température du mélange réactionnel, la vitesse de réaction augmente.
4.2. La pression peut influer sur la transformation chimique.
Il existe par exemple des techniques « hyperbars » qui permettent de synthétiser des molécules
organiques volumineuses sans trop chauffer (ce qui évite la détérioration de la molécule) et sans
utiliser trop de solvant.
On peut également séparer les produits d’une transformation chimique par distillation
fractionnée sous pression réduite.
Le point d’ébullition d’un produit dépend de la pression, c’est pourquoi la distillation à
pression réduite est nécessaire lorsque le point d’ébullition est trop haut. Il est alors abaissé en
réduisant la pression.
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5.
La durée de réaction.
Si la transformation est lente, la durée du chauffage devra être suffisante pour obtenir le produit de
synthèse souhaité avec un rendement suffisant.
Un suivi de l’évolution de l’apparition du produit synthétisé et de la disparition du ou des réactifs peut
être réalisé par chromatographie C.C.M.
La benzocaine peut être préparée au laboratoire à partir d’acide 4-aminobenzoique et d’éthanol,
selon la réaction, d’équation :
Des C.C.M. ont été réalisées à différents moments de la transformation.
Replacer dans l’ordre chronologique de formation de la benzocaïne les résultats expérimentaux
suivants :
1 : Acide 4-aminobezoïque
2 : Benzocaïne pure.
3 : Produit de synthèse.
CCM A
CCM B
CCM C
Réponses : B, A et C
Dans la CCM B, il n’y a que l’acide 4-aminobezoïque. Il n’y a pas encore de benzocaïne synthétisée. Il
s’agit du début de la réaction.
Dans la CCM A, il y apparition de benzocaïne et il reste encore de l’acide 4-aminobezoïque. Nous
sommes en cours de réaction.
Dans la CCM C, il ne reste plus d’acide 4-aminobezoïque et toute la benzocaïne a été formée.
6.
Le pH.
Influer sur le pH du milieu réactionnel revient essentiellement à modifier la solubilité des espèces
chimiques mises en jeu.
Exemple : Synthèse du paracétamol.
A pH neutre (pH = 7), le para-aminophénol n’est pratiquement pas soluble dans l’eau.
Par contre, en milieu acide (ajout d’acide éthanoïque), il passe sous forme ionique qui elle, est soluble
dans l’eau.
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Ecrire la forme ionique du para-aminophénol
Réponse :
CH3COOH
para-aminophénol
(forme basique insoluble dans l’eau)
7.
(forme acide soluble dans l’eau)
Le montage expérimental.
Les montages de synthèse organique sont conçus pour accélérer la transformation chimique par
chauffage.
Toutefois, on peut distinguer différents dispositifs :
Les montages de synthèse organique sont conçus pour accélérer la transformation chimique par
chauffage. Toutefois, on peut distinguer différents dispositifs :
Chauffage à reflux
Montage de distillation simple
Source : Académie Montpellier
Attribuer à chaque montage des propriétés suivantes :
Chauffage à reflux
Montage de distillation simple
▲ Accélère la réaction chimique.
▲ Evite les pertes de matière.
 Permet la séparation des produits formés.
 Permet de purifier un produit.
▲ Accélère la réaction chimique.
 Evite les pertes de matière.
▲ Permet la séparation des produits formés.
▲ Permet de purifier un produit.
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8.
Détermination du rendement d’une transformation chimique.
Comment déterminer le rendement de la transformation suivante ?
On dispose de 9,2 g d’acide et de 11,5 g d’alcool.
On obtient à la fin de 6,95 g d’ester.
Le rendement est le quotient de la quantité de matière du produit P obtenu expérimentalement sur la
quantité de matière attendu théoriquement.
𝑛𝑒𝑥𝑝
=𝑛
𝑇ℎé𝑜𝑟
Le rendement peut être calculée à partir des masses à la condition d’avoir obtenue ces masses à
𝑚
partir des quantités de matières.𝜌 = 𝑒𝑥𝑝
𝑚𝑇ℎ𝑒𝑜𝑟
Dans tous les cas, il faut faire un bilan de matière avec ou sans tableau d’avancement.
Etape 1 : Détermination des quantités de matière.
Quantité de matière d’acide méthanoïque introduit
nA =
Quantité de matière d’éthanol introduit
nAl =
Quantité de matière de méthanoate d’éthyle obtenue
ne =
𝑚𝐴
=
𝑀𝐴
𝑚𝐴𝑙
𝑀𝐴𝑙
𝑚𝑒
𝑀𝑒
9,2
=
=
= 0,20 mol
46,0
11,5
46,0
6,95
74,0
= 0,25 mol
= 0,0939 mol
Etape 2 : Identification du réactif limitant.
Le réactif limitant est l’acide méthanoïque car il est ici en plus faible quantité à coefficients
stœchiométriques équivalents.
xmax = 0,20 mol.
Etape 3 : Calcul du rendement.
𝑛𝑒𝑥𝑝
=𝑛
𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟
× 100 =
0,0939
0,20
× 100 = 47 %.

Etape 4 : Discussion sur le résultat.
On peut supposer que la durée de réaction n’a pas été suffisante.
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