Synthèse de l`acide hippurique

Olympiades de la chimie Besançon 2013 : Synthèse de l’acide hippurique.
Synthèse de l’acide hippurique
I.
Quelques informations sur cette molécule :
Document 1 : Extrait du compte rendu de l’académie des sciences de juillet à décembre 1853.
Document 2 :
L’acide hippurique est le produit métabolique résultant de la conjugaison hépatique d’un acide aminé, le glycocolle (ou
glycine), avec l’acide benzoïque. Ce dernier est un produit exogène provenant de l’alimentation (certains végétaux en
sont très riches) ou de certains traitements médicamenteux (antitussifs à base de benzoate de sodium ou
psychostimulants à base de para-aminobenzoate de magnésium). L’acide benzoïque peut être également produit par
l’organisme au cours de l’oxydation du toluène inhalé, en particulier chez des sujets professionnellement exposés, ou
accidentellement ingéré.
http://www.lab-cerba.com/pdf/0061F.pdf
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Olympiades de la chimie Besançon 2013 : Synthèse de l’acide hippurique.
Document 3 : Extraits adaptés de la fiche wikipedia.
Généralités :
L'acide hippurique est un dérivé d’acide aminé: l'acide paraamino-hippurique. Cette dernière est une molécule qu'on
trouve dans l'urine des chevaux (d'où son nom), ainsi que dans celle d'autres herbivores. C'est une molécule surtout
connue pour les tests urinaires. En effet, l'acide paraamino-hippurique (PAH) est utilisé pour détecter des insuffisances
rénales.
C'est un composant qui est trouvé en grande quantité dans les urines des herbivores. Chez l'homme il se forme après
inhalation de toluène, qui sera métabolisé dans le foie et transformé en partie en acide benzoïque.
Historique :
Justus von Liebig a montré en 1829 que l'acide hippurique différait de l'acide benzoïque et en 1839 détermina sa
constitution, alors qu'en 1853, Victor Dessaignes le synthétisa pour la première fois en faisant réagir du chlorure de
benzoyle sur un sel de zinc de glycine. Il a aussi été synthétisé plus tard en chauffant de l'anhydride benzoïque avec de la
glycine, ou en chauffant du benzamide avec de l'acide chloroacétique.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Acide_hippurique
Document 4 : informations sur les substances utilisées lors de la séance.
Nom / formule :
Masse
molaire en
-1
g.mol
Densité à
20°C
Tfusion
en °C
Tébullition
en °C
Solubilité
toxicologie
Glycine
O
75,1
H2N
232 - 236
Peu soluble dans l’eau.
Soluble en solution
aqueuse basique.
122 – 123
Soluble à froid dans l’éther
diéthylique.
Très peu soluble à froid
dans l’eau
OH
Acide
benzoïque
pKa = 4,2
O
122,1
249
OH
H302 H319
Chlorure de
benzoyle
O
140,6
1,212
-1,0
198
H302+H312+H332 H314
H317
Cl
Solution d’acide
chlorhydrique à
environ 1
-1
mol.L
Acide
hippurique
O
O
NH
1,09
H314 H335
179,2
Peu soluble à froid dans
l’eau, soluble à chaud.
Très peu soluble dans
l’éther diéthylique.
187 - 188
OH
Ethoxyéthane
(éther
diéthylique)
Ethanoate
d’éthyle
(acétate
d’éthyle)
74,1
0,714
-116
35
88,1
0,924
-83
77
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Document 5 : spectre IR de l’acide hippurique et de la glycine (phase solide, pastille de KBr)
Spectre A :
Spectre B :
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Document 6 : spectre RMN de l’acide hippurique
Document 7 : Déplacements chimiques en spectroscopie RMN
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Document 8 :Bandes caractéristiques en spectroscopie IR
II.
Mode opératoire :
1. Synthèse :
-
Préparer un montage à reflux avec un ballon bicol, un réfrigérant et un agitateur magnétique.
Introduire environ 20 mL de solution saturée d’hydrogénocarbonate de sodium dans le ballon.
Peser une masse m = 1,00 g de glycine et l’introduire également dans le ballon.
Mettre sous agitation vigoureuse.
Ajouter, dans le ballon, goutte à goutte environ 1 mL de chlorure de benzoyle (mesuré grossièrement à la
pipette pasteur). On observe alors une effervescence.
Laisser agiter à température ambiante pensant environ 45 minutes.
Pendant ce temps, commencer à répondre aux questions posées à la suite de cet énoncé. Ne pas hésiter à demander de
l’aide aux professeurs !
Au bout d’environ 45 minutes :
- Acidifier le mélange réactionnel avec 25 mL de solution d’acide chlorhydrique et vérifier si on a pH = 1. Il se
forme alors des cristaux (d’acide hippurique et d’acide benzoïque) dans le ballon.
- Filtrer l’ensemble sur Büchner (attention, la solution est acide !)
- Arrêter l’aspiration et prélever une pointe de spatule de ces cristaux et les mettre dans un tube à hémolyse
(tube n°1) contenant un fond d’acétate d’éthyle.
- Ajouter environ 5 mL d’éther diéthylique dans le büchner et mélanger bien avec les cristaux. Remettre en
marche l’aspiration, puis renouveler l’opération une fois. (récupérer l’éther diéthylique dans un bidon.)
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-
Prélever une pointe de spatule des cristaux restant et les mettre dans un tube à hémolyse (tube n°2) contenant
un fond d’acétate d’éthyle.
Sécher les cristaux restant au mieux et récupérer les dans une boite de pétri préalablement tarée.
2. Purification :
Par manque de temps, nous ne purifierons pas les cristaux obtenus.
3. Caractérisation :
a. Mesure du point de fusion.
Si votre centre en est équipé, on peut caractériser l’acide hippurique en mesurant son point de fusion à l’aide d’un banc
de Koffler.
b. C.C.M.
Réaliser la chromatographie sur couche mince :
Eluant : acétate d’éthyle.
Dépôt n°1 : contenu du tube à hémolyse n°1 (cristaux avant lavage à l’éther)
Dépôt n°2 : contenu du tube à hémolyse n°2 (cristaux après lavage à l’éther)
Dépôt n°3 : solution d’acide benzoïque dissout dans l’acétate d’éthyle
Révélation : U.V.
c. spectres.
Documents 5 et 6.
III.
Questions :
1. Dans la synthèse historique, quels sont les réactifs utilisés par Victor Dessaignes ?
2. Quelle sont les formules brutes, de ces réactifs, données par Victor Dessaignes ? Comparer les à celles
d’aujourd’hui.
3. Dans le document 3, on parle de l’acide para-aminohippurique. Sachant que le suffixe « para » signifie que les
deux substituants sont sur des atomes de carbone diamétralement opposés, quelle est la formule topologique
de cet acide ?
4. Légender le montage à reflux qui permet de faire la synthèse :
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5. Pourquoi dit-on que la glycine est un acide aminé ?
6. La glycine possède deux fonctions ayant des caractères acido-basique : les fonctions carboxyle et amino. On lui
associe donc deux constante d'acidité pKa1= 2,4 (associé au groupe acide carboxylique) et pKa2= 9,7 ( associé au
groupe amine). Proposer un diagramme de prédominance des espèces de la glycine en solution dans l’eau.
On pourra s’inspirer du couple de l’ammoniaque : NH4+ / NH3.
7. Ecrire l’équation de la réaction entre la glycine et le chlorure de benzoyle. Pour simplifier, on écrira la glycine
sous une forme non ionisée (document 4).
8. Calculer la quantité de glycine qui a été introduite dans le ballon.
9. Si on suppose que la réaction est totale et que l’on admet que le chlorure de benzoyle est introduit en excès,
quelle quantité d’acide hippurique peut-on espérer obtenir à l’issue de la synthèse ?
Calculer la masse correspondante.
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10. Lors de la synthèse, en plus de l’acide hippurique, on obtient de l’acide benzoïque. Quelle réaction parasite
permet d’expliquer la formation de l’acide benzoïque ?
11. La solution d’hydrogénocarbonate de sodium utilisée lors de la synthèse a un pH de 8,3. Sous quelle forme se
trouve l’acide benzoïque qui apparait dans le ballon ?
12. En vous aidant des documents des pages 1 et 2, expliquer pourquoi les cristaux d’acide benzoïque apparaissent
lorsque l’on ajoute de l’acide chlorhydrique dans le ballon.
13. En vous aidant des documents des pages 1 et 2, expliquer pourquoi, lors du lavage des cristaux, on arrive à
séparer l’acide hippurique de l’acide benzoïque ?
14. Le schéma suivant représente l’opération de filtration sous vide. Ajouter les mots suivants : éther – acide
benzoïque – acide hippurique – büchner – fiole à vide, afin qu’il représente ce que l’on obtient à l’issue du
lavage des cristaux avec l’éther diéthylique.
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15. Qu’est-ce qui, dans les documents, vous permet de savoir que l’éther diéthylique est un solvant très volatile ?
16. Que pouvez-vous conclure du chromatogramme obtenu en lors de l’étape de caractérisation (en cas de
problème lors de la CCM, vous pouvez interpréter la photographie du chromatogramme ci-dessous) ?
17. Lors d’une synthèse, on obtient, après purification, une masse mAH = 1,79 g d’acide hippurique. Le rendement
masse réellement obtenue
est η=
, quel est le rendement de cette synthèse ?
masse maximale
18. Expliquer pourquoi ce rendement ne peut pas être égal à 100%.
19. Dans la synthèse historique, M. Dessaignes déclare avoir « reconnu » l’acide hippurique qu’il a synthétisé.
Comment a-t-il fait ?
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Pour identifier le produit formé lors de la synthèse, on pourrait, si on avait le matériel, utiliser la spectroscopie
infrarouge IR et la spectrométrie RMN du proton.
20. On donne document 5 deux spectres infrarouge (IR) correspondant à l’acide hippurique et à la glycine. Une table
de données de spectroscopie infrarouge IR est donnée en document 8.
Associer chaque spectre infrarouge IR à la molécule correspondante en justifiant.
21. On donne document 6 le spectre RMN du proton correspondant à l’acide hippurique. Une table de données de
spectroscopie RMN est donnée en document 7. Attribuer un signal en RMN à chaque groupe de protons
chimiquement équivalents.
(Attention, pour des raisons que nous n’expliquerons pas ici, le proton de la fonction acide carboxylique ne
donne aucun signal sur le spectre RMN)
Sources :
- « cent manipulations de chimie organique et inorganique » – Jacques Mesplède , Christine Saluzzo – éditions Bréal
le
- Concours général de lycées T STLC 2003
- Epreuve des olympiades de la chimie 1992 à Caen
- Spectres IR : http://webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html
- Spectre RMN : http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
le
- Table IR: microméga hatier T S 2012
- Table RMN : http://lewebpedagogique.com/physique/files/NMR_Table.png
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