stratégie de synthèse et sélectivité en chimie organique
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STRATÉGIE DE SYNTHÈSE ET SÉLECTIVITÉ EN CHIMIE ORGANIQUE 1. STRATÉGIE À ADOPTER LORS D'UNE SYNTHÈSE? 1.1 Étape préliminaire : avant l'expérience Pour synthétiser un composé organique, il faut choisir : - les réactifs appropriés ainsi que leurs quantités. Le plus souvent, l'un des deux réactifs est introduit en excès; il s'agit en général du moins cher; - un solvant adapté qui doit permettre de solubiliser les réactifs et de contrôler la température dans le milieu réactionnel; - un catalyseur afin d'accélérer la réaction; - les paramètres expérimentaux (température, durée de la réaction, etc.); - le montage adapté à la réaction. Si tout doit être mis en œuvre pour avoir le meilleur rendement possible, il faut aussi prendre en compte les aspects liés à la sécurité en exploitant les pictogrammes et les consignes de sécurité relatifs aux espèces chimiques utilisées. Le coût de la synthèse et l'impact sur l'environnement doivent aussi être évalués. 1.1 Étape 1 : la réaction a) Définition - Certaines réactions peuvent avoir lieu à froid dans le cas où on souhaite éviter une élévation de température, due à une réaction qui dégage trop de chaleur. - D'autres réactions nécessitent un chauffage qui permet d'accélérer la réaction, on effectue alors un chauffage à reflux. - Le chauffage permet aussi de dissoudre les réactifs solides et d'augmenter le rendement de certaines réactions limitées. Le montage de chauffage à reflux permet de chauffer tout évitant les pertes par évaporation. - En fin de réaction, on refroidit le mélange réactionnel pour condenser les vapeurs de solvants qui pourraient s'échapper et pour diminuer la solubilité du produit s'il est solide. b) Exemple de montage : Le chauffage à reflux : Le chauffage à reflux permet : - De travailler à une température élevée, - D’accélérer la synthèse de l’espèce chimique, - D’éviter les pertes de réactifs et de produits. - Schéma : Chauffage à Reflux 1- réfrigérant. 2- Ballon. 3- Chauffe-ballon. 4- Sortie de l’eau. 5- Arrivée de l’eau. 6- Mélange réactionnel. 7- Vallet. Rem : Dans le mélange réactionnel on rajoute de la pierre ponce, elle sert à régulariser l’ébullition 1.2. Étape 2 : l'isolement - L'isolement consiste à séparer au mieux le produit des réactifs n'ayant pas réagi, des produits secondaires, du catalyseur, du solvant et des sous-produits dus à des réactions parasites. - L'isolement conduit au produit brut. Différentes techniques sont employées selon l'état physique du produit à isoler. a) filtration sous pression réduite Une fiole à vide munie d'un entonnoir Buchner permet une filtration rapide et un essorage efficace sous pression réduite. Le ballon doit être rincé pour collecter le produit qui y serait resté et le solide doit être lavé pour éliminer au mieux les impuretés. Le liquide de rinçage utilisé devra être glacé pour dissoudre le minimum de solide. b) Technique d'extraction liquide-liquide : L’ampoule à décanter Exemple : Extraction du diiode présent dans une solution. - Protocole expérimental : Introduire le mélange (solution aqueuse d’iodure de potassium et de diiode) dans l’ampoule à décanter puis ajouter délicatement le solvant (hexane ou pentane : solvant organique : liquide incolore moins dense que la solution aqueuse et non miscible) - Agiter, laisser décanter et dégazer. - On observe alors deux phases : la phase inférieure qui est pratiquement décolorée et la phase supérieure qui contient le diiode dans le solvant qui est violette. - On dit que le diiode a été extrait par le solvant. - On récupère la phase contenant le diiode et le solvant. Après évaporation du solvant, on recueille le diiode (solide). - L'extraction liquide-liquide permet de transférer sélectivement des espèces présentes dans un solvant vers un autre solvant, non miscible au premier, dans lequel elles sont plus solubles. Un bon solvant doit être : - Insoluble dans l’eau - Très soluble avec le produit à extraire c) amélioration de la séparation Lorsque le produit synthétisé est très soluble dans la phase organique, on peut, pour améliorer la séparation : - Saturer la phase aqueuse en sels (par exemple Na+(aq) + Cl-(aq)) afin de diminuer la solubilité du produit organique dans la phase aqueuse. Cette technique s'appelle le relargage - laver la phase organique avec de l'eau pour en retirer les espèces solubles dans l'eau (doc. 3); C’est le lavage - Ces étapes doivent être suivies : - D'un séchage afin d'éliminer l'eau contenue dans la phase organique avec un desséchant chimique, par exemple Na2SO4(s) anhydre; - de l'évaporation du solvant grâce à un évaporateur rotatif (doc. 4). 1.3. la purification - La purification consiste à éliminer les faibles quantités d'impuretés, contenues dans le produit brut afin d'obtenir le produit purifié. - Les deux méthodes de purification les plus employées sont la recristallisation pour les solides et la distillation pour les liquides . a) La recristallisation - La recristallisation est une méthode de purification des solides fondée sur la différence de solubilité du produit et des impuretés dans un solvant - Lors de la recristallisation on introduit un minimum de solvant afin de limiter les pertes de solide contenu dans le solvant saturé b) La distillation La distillation est une méthode de purification des liquides fondée sur les différences de température d'ébullition du produit et des impuretés. - Elle permet de séparer les espèces chimiques constituant un mélange liquide. - Le mélange à distiller est placé dans un ballon surmonté d’une colonne à distiller : colonne de Vigreux (N°03). - On chauffe le ballon jusqu’à ébullition du mélange. Les vapeurs des différentes espèces chimiques montent dans la colonne à distiller. - La colonne à distiller permet de séparer les différentes espèces chimiques. En tête de colonne à distiller, on trouve l’espèce chimique les plus volatiles. - Les autres se condensent et retombent dans le ballon. - L’espèce chimique la plus volatile est condensée grâce au réfrigérant (N°6) . On recueille le distillat (N°08). 1.4. Les analyses Les étapes d'analyse permettent de contrôler la pureté du produit synthétisé et de le caractériser (de l'identifier). Il existe plusieurs méthodes, certaines dépendent de l'état physique du produit. a) Pour les solides - On mesure de la température de fusion, par exemple, à l'aide du banc Köfler . b) Pour les liquides - On mesure de l'indice de réfraction à l'aide d'un réfractomètre - On mesure de la température d'ébullition. c) Pour les liquides et les solides On utilise la spectroscopie IR ou de RMN (cf cours : cours-physique-THEME-01-chap-5-analyse-spectrale) ou la chromatographies c.1 chromatographies - Le mot chromatographie vient du grec khrôma: la couleur. À l'origine, c'était une technique de séparation de substances colorées, mais elle est aujourd'hui utilisée pour tous types de mélanges. - La chromatographie est une méthode physique de séparation et d'identification des constituants d'un mélange. - Il existe différentes techniques de chromatographie. On se limitera à l'étude de la chromatographie sur papier ou sur couche mince (CCM). cf vidéo « chromato » c.1.1 Chromatographie sur couche mince (C.C.M). - Cette technique permet de séparer les espèces chimiques présentes dans un mélange homogène. Pour effectuer une C.C.M, on utilise : - Une phase fixe sur laquelle une goutte de mélange à séparer est déposée. - La phase fixe est constituée d’une mince couche de gel de silice déposée sur une plaque d’aluminium. - Une phase mobile ou éluant. C’est le solvant dans lequel les constituants du mélange sont plus ou moins solubles. - L’éluant migre le long de la phase fixe grâce au phénomène de capillarité. - Il entraîne les constituants du mélange qui se déplacent à des vitesses différentes. - On peut ainsi les séparer. c.1.2. Chromatographie et séparation. - La chromatographie permet la séparation des constituants d’un mélange. - Pour un éluant et un support donnés, une espèce chimique migre de la même façon qu’elle soit pure ou dans un mélange. - Une espèce chimique très soluble dans l’éluant migre beaucoup plus vite qu’une substance peu soluble. - Les espèces chimiques étant entraînées à des vitesses différentes peuvent être séparées. c.1.3.- Chromatographie et analyse. - La chromatographie est aussi une technique d’analyse. Elle permet d’identifier les espèces chimiques présentes dans un mélange. - Des espèces chimiques identiques migrent à des hauteurs identiques sur une même plaque de chromatographie. - Préparation de la plaque Étape 1 : Placer la plaque dans le bécher et recouvrir du verre de montre. - Laisser évoluer l’ensemble jusqu’à ce que l’éluant arrive à 1 cm du haut de la plaque environ. - Sortir la plaque et laisser sécher. Étape 2 Étape 3 c.1.4. Rapport frontal - On appelle rapport frontal Rf d'une espèce chimique le quotient de la distance h parcourue par l'espèce par la distance H parcourue par l'éluant pendant le même temps. Rf = dis tance parcourue par le constituant = h H dis tance parcourue par l'éluant - Pour chaque espèce chimique, le Rf dépend de la phase fixe et de l'éluant c.1.5. Révélation du chromatogramme Les constituants des produits analysés donnent souvent des taches invisibles. La révélation permet de faire apparaître les différentes taches. On peut utiliser diverses techniques : - révélation aux vapeurs de diiode: on place la phase fixe dans un flacon rempli de vapeurs de diiode ; - révélation au permanganate : on plonge la phase fixe dans une cuve remplie d'une solution de permanganate de potassium ; - révélation aux ultraviolets : on place la phase fixe sous une lampe à UV. Les différentes taches correspondant aux constituants du mélange apparaissent. En l'absence de rayonnement, on ne voit rien. 1.5. le calcul du rendement On appelle rendement ρ (RO) de la synthèse le quotient du nombre de mole n du produit effectivement obtenue par le nombre de mole maximal nmax de produit que l’on peut obtenir en théorie ρ= ou : ρ = .100 (pour avoir ρ en pourcentage) n et nmax : En moles (mol.) ρ : pas d’unité Remarque : Les synthèses se font rarement en une seule étape; dans ce cas, on parle alors de synthèse multi-étape. Le rendement de la synthèse est, dans ce cas, égal au produit des rendements de chaque étape qui doivent être les plus proches possible de 1 pour que le rendement global soit acceptable 2. RÉACTION SÉLECTIVE? 2.1. Les composés polyfonctionnels Un composé polyfonctionnel est un composé possédant plusieurs groupes caractéristiques. 2.2. Réactifs chimiosélectifs - Une réaction est sélective lorsque, parmi plusieurs fonctions d'une même molécule, l'une d'elles réagit préférentiellement avec le réactif considéré. Ce réactif est dit chimiosélectif. - La sélectivité ou non-sélectivité d'une réaction dépend des réactifs utilisés, mais aussi des conditions expérimentales. Exemple - Lors de la synthèse du paracétamol, le groupe amine réagit très majoritairement sur l'anhydride d'acide : on dit alors que la réaction est sélective et que l'anhydride d'acide est un réactif chimio-sélectif. - L'atome d'azote du groupe aminé et l'atome d'oxygène du groupe hydroxyle sont des sites donneurs de doublet d'électrons. Dans cet exemple l'atome d'azote est un meilleur site donneur de doublet d'électrons que l'atome d'oxygène. 2.3. Protection de fonctions Lorsqu'il n'est pas possible de mettre en œuvre une réaction sélective pour faire réagir une seule des fonctions d'un composé polyfonctionnel, il faut protéger les autres fonctions. - Un groupe protecteur est un groupe caractéristique, volontairement créé dans la molécule d'un composé polyfonctionnel afin de bloquer la réactivité de l'une de ses fonctions. - Cette fonction est temporairement transformée en une autre fonction. Le groupe protecteur utilisé doit : - Réagir de manière sélective avec la fonction à protéger; - Etre stable lors des réactions - Pouvoir être enlevé (clivé) facilement et de manière sélective, une fois la réaction effectuée. - L'utilisation d'un groupe protecteur nécessite au moins deux étapes supplémentaires dans une synthèse. Il faut donc que les étapes de protection et de déprotection aient lieu avec de très bons rendements. Exemple : La réduction par LiAlH4 du produit A est non sélective, car les deux fonctions, ester et cétone, réagissent et conduisent au produit C. L'utilisation d'un réactif chimiosélectif tel que NaBH4 ne conduit pas non plus au composé B souhaité, car la cétone, plus réactive que l'ester, est réduite. Il est donc nécessaire de protéger temporairement la fonction cétone à l'aide d'un groupe acétal, non réactif vis-à-vis de LiAlH4 (étapes 1 à 3). 2.4. Synthèse d’un dipeptide (ou d’un polypeptide) a) Synthèse des amides Les aminés primaires et secondaires réagissent lentement à chaud avec les acides carboxyliques pour donner un amide : b) Liaison peptidique Dans la nature, les acides α-aminés sont combinés sous forme de protéine dont chacune comprend des centaines ou même des milliers d'acides a-aminés. Les petits assemblages d'acides a-aminés sont appelés peptides et la liaison amide qui les assemble est appelée liaison peptidique. c) Nomenclature Une nomenclature abrégée conventionnelle est souvent utilisée pour les polypeptides. On dit que le polypeptide s'écrit du N terminal vers le C terminal. Exemple du dipeptide Ala-Gly : d) Protection de la fonction - Les acides α-aminés (doc. 8) sont des composés polyfonctionnels. Lors de la synthèse du dipeptide LeuGly, plusieurs dipeptides sont obtenus si aucune précaution n'est prise. - La synthèse d'un dipeptide (ou d'un polypeptide) nécessite d'utiliser des groupes protecteurs et des groupes activants.
