Stratégie de synthèse en chimie organique ACTIVITÉS 14 Activité : Synthèse de la dibenzalacétone L’équation modélisant la synthèse de la dibenzalacétone est : 2 C6H5-CHO + CH3-CO-CH3 → C6H5-CH=CH-CO-CH=CH-C6H5 + 2 H2O Protocole : Dans un erlenmeyer de 100 mL, introduire 40 mL de soude de concentration molaire à 0,12 mol.L-1. Ajouter goutte à goutte 4,5 mL de benzaldéhyde (C6H5-CHO, d = 1,05) et 1,5 mL de propanone (d = 0,78). Laisser réagir 20 min à température ambiante. 1- Ecrire l’équation de la réaction en formule semi-développée en indiquant les conditions opératoires. 2- Déterminer les quantités de matière des réactifs. 3- Indiquer le réactif limitant. Sortie d’eau Réfrigérant droit Arrivée d’eau Ballon Mélange réactionnel ChauffeBallon Support élévateur Document 1 : schéma du montage à reflux Etat Solide Filtration simple ou filtration sous vide Mélange réactionnel Technique de séparation Entonnoir Büchner et papier filtre Joint d’étanchéité En solution Extraction liquide – liquide avec une ampoule à décanter Ampoule à décanter Phase organique Phase aqueuse Aspiration Fiole à vide Filtration sous vide ou filtration sur Büchner Séchage Etuve Bécher Extraction liquide - liquide Sel anhydre Document 2 : extraction du produit synthétisé Activité : Choix d’un protocole Les esters ont souvent une odeur agréable et on les retrouve dans les arômes naturels des fruits. On les emploie beaucoup dans les arômes de synthèse et en parfurmerie. On souhaite réaliser la synthèse d’un ester, le méthanoate d’éthyle, composé ayant une odeur de rhum et partiellement de framboise. Le moyen le plus simple est d’utiliser la réaction d’estérification selon l’équation-bilan : O O + OH OH + H2O O Le problème est que cette réaction n’est pas totale et qu’elle est lente. Afin d’améliorer le rendement, on se propose d’étudier plusieurs protocoles afin de choisir le meilleur possible tant au niveau du coût et du rendement obtenu. Différents modes opératoires sont présentés dans le tableau ci-dessous, les rendements sont indiqués au bout d’1 h de synthèse : Protocole n° Température Volume initial d’acide méthanoïque Volume initial d’éthanol Catalyseur 1 20°C 2 80°C 3 80°C 4 80 °C 5 80°C 7,5 mL 7,5 mL 7,5 mL 7,5 mL 7,5 mL 11,6 mL H2SO4 à 95% 11,6 mL 11,6 mL H2SO4 à 95% 23,2 mL H2SO4 à 95% 11,6 mL 40 % 35 % 67 % 85 % 70 % Rendement de la réaction - APTS Données : Produits Prix Tébullition à Patm M (g.mol-1) densité Acide méthanoïque 14,90 € le litre 78 °C 46,0 1,22 6,0 € le litre 118 °C 46,0 0,79 - 54 °C 74,0 0,92 172,2 - 98,1 1,83 Ethanol méthanoate d’éthyle APTS H2SO4 à 95% d=1,83 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7,0 € les 100 g 13,60 € pour 2,5 L Pictogramme de sécurité Le catalyseur est introduit en général en faible quantité. Dans toutes les expériences, la quantité de catalyseur ne dépasse pas le centième de la quantité de réactif limitant. L’APTS : acide paratoluène sulfonique de pKA ≈ 0,2. Il se présente sous la forme d’un solide. L’éthanol, l’acide éthanoïque, l’éthanoate d’éthyle et l’eau forment qu’une seule phase. Déterminer le réactif limitant pour chaque protocole. Expliquer pourquoi les protocoles 1 et 2 ont un faible rendement. Donner l’avantage et l’inconvénient du protocole 4. Choisir en justifiant le mode opératoire qui peut convenir pour la synthèse de ce produit. Evaluer le coût d’une synthèse de cet ester si on souhaite en préparer 1000 L. Une fois séparé des autres réactifs, on vérifie que notre produit a bien été synthétisé grâce à une analyse RMN. On obtient le spectre ci-dessous : En s’aidant des tables de RMN, montrer que ce spectre correspond bien au méthanoate d’éthyle. Exercice : Choix d’un solvant d’extraction L’eugénol est une espèce chimique qui peut être extraite directement des clous de girofle, et qui présente des propriétés analgésiques et antiseptiques. La technique d’extraction utilisée, appelée hydrodistillation, conduit à l’obtention d’une solution d’aspect laiteux constituée principalement d’eau, avec des gouttelettes d’huile composées d’eugénol en suspension. Solvant S Eau Eugénol Ethanol Ethoxyéthane Dichlorométhane Cyclohexane Solubilité de l’eugénol dans S Peu soluble Soluble Soluble Soluble Soluble Densité Miscibilité avec l’eau 1,00 1,07 0,79 0,71 1,34 0,78 Peu soluble Miscible Non miscible Non miscible Non miscible 1- Pourquoi la solution possède-t-elle un aspect laiteux ? 2- On souhaite récupérer l’eugénol de cette solution. Quelle technique est utilisée pour le traitement de cette solution ? 3- Quels solvants peut-on utiliser ? Justifier. 4- Rédiger un protocole expérimental. Agroressources Exploiter des ressources renouvelables en minimisant les rejets de CO2. Par exemple, les carburants extraits du pétrole sont remplacés par des agro-carburants issus de lipides extraits de micro-algues. Chimie douce Copier la nature, avec des procédés des basses températures. Par exemple, le verre est obtenu à partir de sable à plus de 1000 °C. Les diatomées sont des organismes aquatiques capables à Tamb. Un des buts de la chimie pour un développement durable est de mettre en œuvre des voies de synthèse de produits qui respecte au maximum l’environnement. Solvants Choisir un solvant non toxique dans une synthèse. Par exemple, la caféine du café était extraite par de l’hexane, laissant des résidus toxiques. Depuis 1974, le café est décaféiné grâce au CO2 super critique. Recyclage Recycler les produits indésirables ou le solvant. Par exemple dans la synthèse de l’ibuprofène, le sousproduit l’acide acétique a d’autres applications (solvant, anhydride acétique, textile, coagulant, ...) O Economies d’atomes Limiter et éviter les produits indésirables dans une synthèse. Par exemple l’ibuprofène est maintenant synthétisé en produisant un seul sous-produit : l’acide acétique. C* H OH CH3 Document 3 : Chimie pour un développement durable Activité : Economie d’atomes dans la synthèse de l’ibuprofène Document 1 : Economie d’atomes EA et masse de déchets Afin d’évaluer le nombre d’atomes fournis par les réactifs qui se trouve dans le produit synthétisé, Barry Trost a introduit une nouvelle grandeur : l’économie d’atomes EA. A partir de la transformation chimique suivante, on peut déterminer sa valeur : aA+bB→cC+dD où C est le produit désiré c M(C) EA(%) = a M(A)+ b M(B) Où M est la masse molaire des différents composés. Le facteur E permet d’évaluer la masse de déchets produits lors d’une synthèse. 100 – EA(%) E(%) = EA(%) La masse de déchets se détermine de la manière suivante m(déchets) = E × masse produit désiré. Document 2 : Deux procédés pour synthétiser l’ibuprofène L’ibuprofène est un médicament avec des propriétés analgésiques comme l’aspirine mais avec des effets indésirables moins importants. C’est l’un des médicaments les plus vendus en France (240 tonnes en 2005). Il existe deux procédés pour synthétiser l’ibuprofène : BOOTS (représenté à gauche EA = 40 %) et BHC mis au point plus récemment (à droite EA = 77 %) : O O O + Etape 1 O Cl +A O + O NaO + O OH Procédé BHC + Na+ Cl- H2 catalysé par Ni O Procédé BOOTS O H 3O + O + OH O OH + H+ CO catalysé par Pd NH2OH O Molécule d’ibuprofène + H2O + NH3 pour le procédé HO BOOTS NHOH O 2 H 2O + H 2O N Données O O O O Masse molaire (g.mol-1) 134,0 102,0 176,0 1- L’un des principes de la chimie verte est l’économie d’atomes. Quelle doit être la valeur de EA pour respecter ce principe ? Quel procédé de synthèse d’ibuprofène respecte le mieux alors les principes de la chimie durable ? 2- Identifier le(s) carbone(s) asymétrique(s) sur la molécule d’ibuprofène ? En déduire le nombre de stéréoisomère et la relation entre eux. 3- Ecrire l’équation de la réaction de l’étape 1 ? Quel acide est produit au cours de cette transformation ? 4- Déterminer la valeur de EA à l’issue de l’étape 1. Quelle remarque peut-on faire pour le procédé BHC ? 5- Après l’étape 1, quelle catégorie de réactions est utilisée dans le procédé BOOTS ? Même question pour le procédé BHC ? Ce constat permet-il d’expliquer les valeurs de EA pour chacun des procédés ? 6- Le rendement du procédé BOOTS est η = 43 % alors que le procédé BHC atteint 95 %. Comment expliquer ce résultat ? 7- Sachant que la masse molaire de l’ibuprofène est de 206 g.mol-1, déterminer pour chacun des procédés, la masse de déchets produits en un an en France. Par combien a-t-on pu diminuer la masse de déchets avec l’introduction du procédé BHC ?
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