TP n°7 Élaborer des stratégies en synthèse organique
Objectifs :
- Mettre en œuvre un protocole de synthèse pour étudier l’influence de la modification des conditions expérimentales sur le rendement ou la vitesse.
- Mettre en œuvre un protocole de synthèse conduisant à la modification d’un groupe caractéristique ou d’une chaîne carbonée.
Capacités expérimentales :
(1) Utiliser un logiciel de simulation de structures moléculaires et des modèles moléculaires.
(2) Mettre en œuvre une extraction liquide-liquide (extraction du diiode par le cyclohexane)
(3) Réaliser le montage des dispositifs de chauffage à reflux et de distillation fractionnée et les mettre en œuvre.
(4) Mettre en œuvre un dispositif pour estimer une température de changement d’état.
(5) Réaliser une filtration simple ou sous pression réduite, un lavage, un séchage.
(6) Réaliser une chromatographie sur couche mince.
(7) Respecter les règles de sécurité lors de l’utilisation de produits chimiques et de verrerie.
(8) Respecter le mode d’élimination d’une espèce chimique ou d’un mélange pour minimiser l’impact sur l’environnement.
I. ASPECT HISTORIQUE DE L’ASPIRINE.
En 1835, K.Lowig isole et identifie l'acide salicylique comme étant le principe actif d'une plante « La reine des prés » possédant des propriétés antipyrétiques. L'acide salicylique est utilisé pour les fièvres, les douleurs, les rhumatismes articulaires mais provoque des brûlures d'estomac, une saveur très désagréable et l'irritation de la bouche. En 1853, le Français C.Gerhardt à Montpellier réalise la synthèse de l'acide acétylsalicylique et en 1897 le chimiste Allemand F.Hoffmann, employé chez Bayer trouve le moyen d'obtenir de l'acide acétylsalicylique presque pur. L'acide acétylsalicylique s'avère être beaucoup mieux toléré que l’acide salicylique tout en conservant les mêmes propriétés.
C’est le médicament le plus consommé au monde, il a même accompagné les astronautes sur la Lune en 1969. On en produit actuellement 40 000 tonnes par an ce qui représente plusieurs dizaine de milliards de comprimés…
II. PRESENTATION DE L’HEMI SYNTHESE DE L’ASPIRINE.
1. Étude de la réaction
L’hémi-synthèse de l’aspirine a pour équation :
a. Quelle différence observe-t-on entre les molécules d’acide salicylique et d’acide acétylsalicylique ? (1) b. Pourquoi parle-t-on d’hémi synthèse et non de synthèse de l’aspirine?
c. Entourer et nommer les groupements fonctionnels mis en jeu.
d. À quelle catégorie appartient cette réaction ?
e. Quelle différence essentielle présentent les spectres IR de l’anhydride éthanoïque et de l’acide éthanoïque ? 2. Étude du mécanisme de la réaction
a. À quelle catégorie de réaction appartiennent les étapes 1 et 2 ?
b. Pour les étapes 1 à 3: identifier les sites donneurs et accepteurs d’électron puis représenter, à l’aide de flèches courbes, le mouvement des doublets d’électrons mis en jeu pour expliquer les modifications de liaisons observées.
III. MANIPULATION ET EXPLOITATION DES RESULTATS.
1. Observer les pictogrammes sur les flacons des réactifs, en déduire les précautions à prendre lors de la manipulation (7) et (8).
2. Suivre le protocole ci-dessous :
a) Dans un ballon ou un erlenmeyer de 250mL, bien sec et placé dans un cristallisoir sur une plaque chauffante placée sur un élévateur, introduire une masse m = 5,00 g d’acide salicylique puis avec précaution, un volume V= 6 mL d’anhydride éthanoïque et quelques gouttes d’acide sulfurique concentré.
Adapter un réfrigérant à eau sur l’erlenmeyer. Réaliser un chauffage à reflux (3). Verser de l’eau chaude à environ 60°C dans le cristallisoir et maintenir la température entre 50 et 60°C en agitant.
Laisser la réaction se faire pendant environ 15 minutes.
b) Retirer alors l’erlenmeyer du bain-marie et verser par le sommet du réfrigérant de manière progressive environ 30 mL d’eau distillée froide afin de détruire l’excès d’anhydride éthanoïque.
c) Ôter le réfrigérant et agiter jusqu’à l’apparition des premiers cristaux. Rajouter alors encore 30 mL d’eau glacée et placer l’erlenmeyer dans un bain d’eau-glace pendant une dizaine de minutes.
d) Filtrer alors le mélange sur Büchner (5) en rinçant le précipité à l’eau distillée glacée. Essorer les cristaux et les récupérer dans un erlenmeyer.
e) Mouiller les cristaux récupérés dans l’erlenmeyer avec une faible quantité d’alcool, environ 2 mL d’éthanol ajouté progressivement, et chauffer doucement en agitant jusqu’à ce que le solide se dissolve.
f) Ajouter alors 15mL d’eau distillée tiède et laisser refroidir la solution sans agiter, d’abord à l’air puis dans un bain d’eau-glace ; l’aspirine recristallise.
g) Filtrer les cristaux obtenus en les rinçant à l’eau glacée. Les récupérer sur du papier filtre puis les placer dans un verre de montre. Finir le séchage à l’étuve.
3. Quels sont les moyens mis en place pour augmenter la vitesse de réaction lors de cette manipulation ?
4. Expliquer le procédé de recristallisation sachant que l’aspirine est très soluble dans l’alcool mais très peu soluble dans l’eau froide. A quoi sert la recristallisation ?
5. Pour vérifier la pureté du produit obtenu on peut réaliser une chromatographie sur couche mince (6), établir puis mettre en œuvre le protocole. Conclure.
6. Déterminer le rendement de la synthèse, commenter.
N.B : On peut utiliser également le banc Kofler (4) qui est un appareil constitué d’une plaque métallique chauffée électriquement de manière à produire un gradient de température (la température augmente progressivement le long de la plaque). Le dépôt de cristaux du produit sur le banc nous permet de connaître la température de fusion en visualisant la zone où ils fondent. Un produit solide présente, quand il est pur, un point de fusion bien défini qui permet de le caractériser. Par contre, la présence d’impuretés entraîne l’abaissement du point de fusion. La détermination du point de fusion permet donc de contrôler la pureté et/ou d’identifier un produit.
Masse molaire (g.mol-1) Densité Température de fusion
Anhydride éthanoïque 102 1.08 - 73,1°C
Acide salicylique 138 1.443 159°C
Acide acétylsalicylique 180 135 °C
Anhydride acétique Acide salicylique
Mécanisme de l’hémi synthèse de l’aspirine
Bilan:
Spectres I.R de l’anhydride éthanoïque et de l’acide éthanoïque
Montage de distillation (3)
Extraction liquide-liquide (2)
Matériel :
Matériel et verrerie Pour la
chromatographie Solutions et produits Ø Erlenmeyer de 250 mL Ø Cuve à CCM Ø Acide salicylique en
poudre
Ø Cristallisoir Ø Plaque à CCM Ø Acide sulfurique
concentré Ø Plaque chauffante
Ø Élévateur
Ø Bouilloire électrique
Ø Lampe UV Ø Anhydride acétique
Ø Réfrigérant à eau Ø Béchers
Ø Pipette graduée Ø Compte-goutte Ø Agitateur en verre
Ø Éluant (mélange d’acétate de butyle, d’acide formique et de cyclohexane)
Ø Éthanol à 96°
Ø Aspirine pur Ø Acétate de butyle
Ø 2 éprouvettes de 10 mL Ø Balance de précision Ø Éprouvette de 50 mL Ø Büchner
Ø Banc Köffler
Prévoir de l’eau glacée et un mélange eau/glace
Préchauffer le banc Köffler pour identifier le produit obtenu.
