STRATÉGIE DE SYNTHÈSE ET SÉLECTIVITÉ EN CHIMIE ORGANIQUE

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Chapitre 19 STRATÉGIE DE SYNTHÈSE ET

SÉLECTIVITÉ EN CHIMIE ORGANIQUE

I. STRATÉGIE À ADOPTER LORS D’UNE SYNTHÈSE

I.0 Étape préliminaire : avant l’expérience.

Pour synthétiser un composé organique, il faut choisir :

➢ Les réactifs appropriés et leurs quantités. Généralement un réactif (le moins cher) est introduit en excès

➢ Un solvant adapté afin d’assurer la solubilité des réactifs et de contrôler la température du milieu réactionnel

➢ Un catalyseur afin d’accélérer la réaction

➢ Les paramètres expérimentaux : température, pression, durée de réaction, luminosité, etc…

➢ Le montage adapté : montage à reflux, à distillation etc…

Ces choix doivent :

➢ permettre d’obtenir le meilleur rendement possible

➢ prendre en compte les aspects liés à la sécurité (pictogrammes des produits, consignes d’utilisation du matériel…)

➢ évaluer également le coût de la synthèse

➢ tenir compte de l’impact sur l’environnement.

I.1 Étape 1 : la réaction

Certaines réactions peuvent avoir lieu à froid (c’est le cas généralement des réactions exothermiques), d’autres nécessites un chauffage qui permet d’accélérer la réaction.

Le montage de chauffage à reflux permet de chauffer tout en évitant les pertes par évaporation.

I.2 Étape 2 : l’isolement ou la séparation

Définition : L’isolement consiste à séparer au mieux le produit que l’on cherche à synthétiser des autres espèces chimiques contenues dans le mélange réactionnel : réactifs n’ayant pas réagi, produits secondaires, catalyseur, solvant et sous-produits dus à des réactions parasites.

Il existe différentes techniques :

➢ La filtration sous vide ou filtration Büchner.

Une fiole à vide munie d’un entonnoir Büchner permet une filtration rapide et un essorage efficace sous pression réduite.

➢ L’extraction liquide-liquide à l’aide d’une ampoule à décanter

L’extraction liquide-liquide permet de transférer sélectivement des espèces présentes d’un solvant vers un autre solvant, non miscible au premier, dans lequel elles sont plus solubles. Elle est suivie par une décantation (séparation des deux phases sous l’action de la pesanteur).

Remarque : Lorsque le produit synthétisé est très soluble dans la phase organique, on peut :

• saturer la phase aqueuse en sel (chlorure de sodium par exemple) 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 ;

• laisser décanter et séparer les deux phases à l’aide de l’ampoule à décanter.

Filtration sous vide (Cf Activité 5 Chap 8) Lavage de la phase organique avec de l’eau salée.

2 Ces étapes doivent être suivies :

➢ d’un séchage afin d’éliminer l’eau contenue dans la phase organique avec un desséchant chimique par exemple du sulfate de magnésium anhydre ou du sulfate de sodium anhydre.

➢ de l’évaporation du solvant en utilisant un évaporateur rotatif.

Méthode pour le séchage de la phase organique Pour effectuer le séchage, on ajoute au liquide une petite quantité de desséchant et on agite ;

si les cristaux ont tendance à s’agglomérer et à coller aux parois, il faut en ajouter de nouveau.

On laisse agir le desséchant quelques minutes puis on filtre pour récupérer la phase organique sèche.

Évaporateur rotatif

I.3 Étape 3 : la purification

Définition : 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 est une méthode de purification des solides fondée sur la différence de solubilité du produit et des impuretés dans un solvant.

➢ La distillation est une méthode de purification des liquides fondée sur les différences de température d’ébullition du produit et des impuretés.

I.4 Étape 4 : les analyses, identification et contrôle de la pureté.

Les étapes d’analyse permettent de contrôler la pureté du produit synthétisé et de le caractériser (de l’identifier).

Il existe plusieurs méthodes qui dépendent de l’état physique du produit.

➢ Pour les solides : mesure de la température de fusion, par exemple, avec le banc Köfler.

➢ Pour les liquides : mesure de l’indice de réfraction à l’aide d’un réfractomètre ou mesure de la température d’ébullition.

➢ Pour les liquides et les solides : spectroscopie IR, RMN, ou chromatographie.

Banc Kolfer Réfractomètre

Chromatographie sur couche mince

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I.5 Étape 5 : le calcul du rendement.

Définition : On appelle rendement 𝜂, notée parfois r aussi, de la synthèse le quotient de la quantité du produit P obtenue expérimentalement 𝑛_𝑒𝑥𝑝 par la quantité maximale théorique attendue 𝑛_𝑡ℎ :

𝜂 =𝑛_𝑒𝑥𝑝

𝑛_𝑡ℎ =𝑚_𝑒𝑥𝑝 𝑚_𝑡ℎ =𝑉_𝑒𝑥𝑝

𝑉_𝑡ℎ

Remarque : 𝑛_𝑡ℎ peut se calculer à partir du tableau d’avancement et de l’avancement maximal.

I.6 Bilan

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II. SÉLECTIVITÉ D’UNE REACTION

II.1 Rappel : les composés polyfonctionnels

Définition : Un composé polyfonctionnel est un composé possédant plusieurs groupes caractéristiques.

Exemple : Le para-aminophénol, réactif utilisé lors de la synthèse du paracétamol possède deux groupes caractéristiques : le groupe amine et le groupe hydroxyle.

II.2 Réactifs chimiosélectifs

En synthèse, les réactifs sont souvent polyfonctionnels. Plusieurs fonctions sont alors susceptibles de réagir.

Définition : Un réactif est chimiosélectif s’il ne réagit qu’avec un seul groupe préférentiellement.

Exemple : Dans la synthèse du paracétamol, l’anhydride acétique pourrait réagir avec la fonction alcool ou la fonction amine qui sont tous les deux des sites donneurs d’électrons, mais elle préfère réagir avec la fonction amine. C’est un réactif chimiosélectif.

Définition : 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.

II.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.

Définition : 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 puis sera régénérée à l’issu du mécanisme réactionnel.

Le groupe protecteur utilisé doit :

• réagir de manière sélective avec la fonction à protéger

• être stable lors des réactions suivantes

• pouvoir être enlevé (clivé) facilement et de manière sélective une fois la réaction effectuée.

Exemple : Réduction par 𝐋𝐢𝐀𝐥𝐇_𝟒 d’un produit A (voir activité 3)

Cette réduction est non-sélective car les deux fonctions, ester et cétone, réagissent et conduise au produit C.

Pour obtenir le produit B souhaité, il est nécessaire de protéger la fonction cétone avec un groupe acétal, non réactif vis-vis de LiAlH₄. Une hydrolyse acide suffit ensuite à cliver cette fonction.

II.3.b Application à la synthèse d’un dipeptide

+

C

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Rappel : Un acide alpha-aminé est une molécule contenant une fonction acide carboxylique et une fonction amine relié à un même carbone fonctionnel.

Définition : La synthèse peptidique est une synthèse permettant la formation de peptides qui sont des macromolécules composées par des enchainements d’acides alpha-aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques.

La synthèse d’un dipeptide (ou d’un polypeptide) nécessite d’utiliser des groupes protecteurs et des groupes activants.

Exemple :

Les acide-aminés sont des composés polyfonctionnels. Lors de la synthèse du dipeptide Leu-Gly, plusieurs dipeptides sont obtenus si aucune précaution n’est prise : Leu-Leu, Gly-Gly, Gly-Leu et enfin Leu-Gly.

La stratégie de synthèse de ce dipeptide Leu-Gly est décrite dans le document ci-dessous.

Pour en savoir plus : Activité 6 p.496 du livre.

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III. UNE CHIMIE POUR UN DÉVELOPPEMENT DURABLE

III.1 Les principes d’une chimie durable (Activité 1 p.438)

Définition : Le développement durable est une synthèse entre l’économie (« produire »), le social (« répartir ») et l’environnement (« préserver »).

Définition : La chimie durable s’inscrit dans une logique de développement durable. Sa mise en œuvre industrielle veille à l’équilibre social, environnemental et économique.

• Economiser et partager les ressources de manière équitable ;

• Utiliser des technologies qui polluent moins et consomment moins d’énergie.

• Développer des procédés suffisamment efficaces et rentables.

III.2 Qu’est-ce que la chimie verte ?

La chimie verte a pour but de limiter l’impact négatif de la chimie sur l’environnement et l’homme.

La chimie du végétal et la chimie douce sont des parties très importantes de la chimie verte.

La première s’oriente vers l’utilisation de matières premières végétales.

La seconde a pour ambition de synthétiser des matériaux en s’inspirant du vivant et en mettant en jeu des conditions opératoires plus « douces » (température modérée, pression atmosphérique, etc…).

La prise en compte de la globalité des processus chimiques mis en jeu lors de la synthèse d’un produit est indispensable.

La chimie verte se propose d’agir sur cinq domaines : les matières premières, les solvants, l’énergie, les déchets et le produit fini.

Les douze principes fondateurs de la chimie verte ont été définis en 1998 par les chimistes américains Paul ANASTAS et John WARNER.

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III.3 L’Utilisation Atomique (UA) (voir exercice 2 sujet Antilles 2013).

Définition :

L’efficacité d’un procédé est traditionnellement mesurée par le rendement chimique (qui ne tient pas compte de la quantité de sous-produits formés). Dans une optique de réduction de la pollution à la source, la chimie verte propose une évolution du concept d’efficacité qui prend en compte la minimisation de la quantité de déchets. L’indicateur de l’efficacité d’un procédé est l’ « utilisation atomique (UA) ».

L’utilisation atomique est définie comme le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits qui apparaissent dans l’équation stœchiométrique. Si les sous-produits de la réaction ne sont pas tous identifiés, alors la conservation de la matière permet de remplacer le dénominateur par la somme des masses molaires de tous les réactifs :

UA = ( ) ( )

( ) ( )

i j

M produit désiré M produit désiré M produit i = M réactif j

 

III.4 La séquestration et la valorisation du dioxyde de carbone. (Activité 9 p.447)

Dans les années à venir, la chimie va devoir relever de nombreux défis comme la réduction des émissions de gaz à effet de serre (méthane, dioxyde de carbone, oxyde d’azote, etc…).

Pour empêcher le dioxyde de carbone de s’échapper dans l’atmosphère, des méthodes telles que :

• la séquestration souterraine dans des gisements épuisés de pétrole, de gaz ou des aquifères ;

• la captation par des organismes photosynthétiques comme les algues, afin de produire des biocarburants, sont à l’étude.

Le dioxyde de carbone peut être également valorisé lorsqu’il est utilisé comme solvant supercritique, par exemple.