Rappels : les étapes d’une synthèse
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Étape 1Transformation des réactifs
Principe. On met les réactifs en présence, le plus souvent dans un montage à reflux. Il permet d'accélérer la transformation en chauffant, tout en évitant les pertes de matière : les vapeurs se condensent dans le réfrigérant et retombent dans le ballon.
À la fin, le ballon contient les produits, le solvant, le catalyseur éventuel et les réactifs restants : c'est le brut réactionnel.
Matériel. Ballon à fond rond, réfrigérant à boules, chauffe-ballon posé sur un support élévateur, potence et pinces, grains de pierre ponce ou billes de verre.
Exemple. La synthèse de l'éthanoate de 3-méthylbutyle (l'arôme de banane) : acide éthanoïque, 3-méthylbutan-1-ol et quelques gouttes d'acide sulfurique, chauffés à reflux une trentaine de minutes.
En vue des ECE
- Remplir le ballon au plus à moitié, et ajouter les grains de pierre ponce avant de chauffer : ils régularisent l'ébullition et évitent les projections.
- Faire circuler l'eau dans le réfrigérant avant de chauffer, avec l'entrée d'eau en bas et la sortie en haut : le réfrigérant reste plein d'eau.
- Le haut du réfrigérant reste ouvert : on ne chauffe jamais un montage fermé.
- Le support élévateur permet d'abaisser rapidement le chauffe-ballon pour arrêter le chauffage en cas de problème.
- Prélever les liquides à l'éprouvette graduée ou à la pipette, sous la hotte, avec gants et lunettes ; verser l'acide sulfurique concentré goutte à goutte.
Étape 2Isolement du produit
Si le produit est soluble dans le brut réactionnel : on réalise une extraction liquide-liquide à l'ampoule à décanter.
- Le solvant d'extraction doit être non miscible avec le solvant du mélange (souvent l'eau), et le produit doit y être très soluble. Sa densité indique s'il forme la phase du dessus ou celle du dessous.
- On complète par un lavage (élimination d'impuretés, par exemple les ions ou l'acide restant, avec de l'eau salée ou une solution d'hydrogénocarbonate de sodium), un séchage (on ajoute un solide anhydre, comme le sulfate de magnésium, puis on filtre) et l'élimination du solvant (sous pression réduite, à l'évaporateur rotatif).
Si le produit est insoluble (il forme un précipité) : on réalise une filtration sous vide sur entonnoir Büchner, plus rapide qu'une filtration simple. On parle de filtration si l'on récupère la phase liquide, et d'essorage si l'on récupère le solide.
Exemples. L'arôme de banane est extrait de la phase aqueuse puis lavé à l'hydrogénocarbonate de sodium. L'aspirine, peu soluble dans l'eau froide, précipite quand on verse le brut réactionnel dans de l'eau glacée : on l'essore sur Büchner.
En vue des ECE
- Ampoule à décanter : vérifier que le robinet est fermé avant de verser. Après avoir bouché, agiter en retournant l'ampoule, et dégazer régulièrement en ouvrant le robinet, ampoule tête en bas et pointe dirigée vers le fond de la hotte, loin de soi et des autres.
- Avant d'ouvrir le robinet pour séparer les phases, retirer le bouchon ; sinon, le liquide ne s'écoule pas.
- Ne jamais jeter une phase avant d'être sûr de celle qui contient le produit : en cas de doute, ajouter quelques gouttes d'eau et regarder dans quelle phase elles vont.
- Le lavage à l'hydrogénocarbonate de sodium dégage du dioxyde de carbone : dégazer encore plus souvent.
- Filtration sous vide : humidifier le papier filtre avec le solvant pour le plaquer, rincer le solide avec un peu de solvant froid, et casser le vide (débrancher le tuyau) avant de fermer le robinet de la trompe à eau, pour éviter une remontée d'eau dans la fiole.
Étape 3Purification du produit
Si le produit est solide : on le purifie par recristallisation. On le dissout dans le minimum de solvant chaud, puis on laisse refroidir lentement : le produit recristallise, tandis que les impuretés, en faible quantité, restent dissoutes. On essore ensuite les cristaux et on les sèche. Le solvant est choisi pour que le produit y soit très soluble à chaud et peu soluble à froid.
Si le produit est liquide : on réalise une distillation fractionnée, qui sépare les liquides selon leur température d'ébullition, ou une chromatographie sur colonne. Dans la colonne à distiller, les vapeurs se condensent et se vaporisent de nombreuses fois : en haut de la colonne, il n'arrive que l'espèce la plus volatile. Tant qu'elle distille, la température lue en haut de la colonne reste constante (un palier), égale à sa température d'ébullition.
Exemples. L'aspirine brute est recristallisée dans un mélange eau-éthanol. Un mélange d'éthanol (78 °C) et d'eau (100 °C) peut être séparé par distillation fractionnée… jusqu'à 96 % d'éthanol environ, car le mélange forme ensuite un azéotrope, qui bout sans changer de composition.
En vue des ECE
- Recristallisation : ajouter le solvant chaud petit à petit, juste ce qu'il faut pour tout dissoudre (un excès de solvant fait perdre du produit), puis refroidir d'abord à température ambiante, ensuite dans un bain de glace.
- Distillation : placer le réservoir du thermomètre au niveau de la sortie des vapeurs vers le réfrigérant, et non dans le liquide. Ne pas oublier la pierre ponce, et ne jamais distiller à sec.
- Changer de récipient collecteur à chaque changement de palier de température : chaque palier correspond à une espèce différente.
Étape 4Identification et contrôle de pureté
- Température de fusion (solide), au banc Kofler : un produit pur fond à une température précise, égale à la valeur tabulée. Des impuretés abaissent cette température et étalent la fusion.
- Température d'ébullition, ou indice de réfraction au réfractomètre (liquide) : on compare aux valeurs tabulées.
- Spectroscopie infrarouge : les bandes d'absorption révèlent les groupes caractéristiques (large bande O–H vers 3 300 cm⁻¹, bande C=O fine et intense vers 1 700 cm⁻¹…). On vérifie que le groupe attendu est apparu et que celui du réactif a disparu.
- Chromatographie sur couche mince (CCM) : on dépose le produit à côté des réactifs et d'un échantillon de référence. Un produit pur donne une seule tache, à la même hauteur que la référence. On caractérise chaque tache par son rapport frontal $R_\mathrm{f} = \dfrac{\text{distance parcourue par la tache}}{\text{distance parcourue par l'éluant}}$.
Exemple. L'aspirine fond vers 135 °C. Sur une CCM, une tache à la hauteur de l'acide salicylique (le réactif) indique que le produit en contient encore.
En vue des ECE
- Banc Kofler : l'étalonner avec une substance de température de fusion connue, proche de celle attendue ; déposer quelques cristaux bien secs, les pousser vers les zones froides, et repérer la limite entre solide et liquide.
- CCM : tracer la ligne de dépôt au crayon à papier (l'encre migrerait), faire des dépôts petits et bien séparés, verser l'éluant sous la ligne de dépôt, fermer la cuve pour la saturer en vapeur, et retirer la plaque avant que l'éluant n'atteigne le haut, en marquant aussitôt le front.
- Révéler les taches incolores sous lampe UV (en les entourant au crayon), ou en trempant la plaque dans une solution de permanganate de potassium : les espèces oxydables apparaissent en taches jaune-brun sur fond violet.
Schémas de montage à connaître
Pour aller plus loinLes gestes en vidéo
- Transformation : le montage à reflux.
- Isolement : l'extraction liquide-liquide, la filtration sous vide.
- Purification : la recristallisation, la distillation fractionnée.
- Identification : vidéo 1, vidéo 2, vidéo 3.
Optimisation d’une étape de synthèse
Optimiser la vitesse
Les facteurs cinétiques
Pour accélérer la transformation des réactifs, on peut jouer sur les facteurs cinétiques :
- la température : dans la plupart des cas, l'augmenter accélère la réaction. C'est pour cela qu'on utilise un montage à reflux ;
- la concentration des réactifs : l'augmenter rend généralement la transformation plus rapide ;
- la pression, s'il s'agit d'une transformation en phase gazeuse ;
- l'état de division d'un solide (poudre), pour une transformation entre phases différentes : on augmente la surface de contact entre les réactifs.
On peut enfin utiliser un catalyseur adapté.
Pour aller plus loinLes exceptions
- Température. Les réactions catalysées par des enzymes ont un pic d'efficacité dans un domaine de température restreint : au-delà, l'enzyme est dénaturée et la réaction ralentit. Il existe aussi des réactions dont la vitesse ne dépend pas de la température (« non-Arrhenius »), et même des réactions sans énergie d'activation, comme certaines réactions entre radicaux, dont la vitesse diminue quand la température augmente (« anti-Arrhenius »).
- Concentration. Si le mélange n'est pas stœchiométrique, augmenter la concentration d'un réactif accélère la réaction, mais augmente aussi la quantité de produit à former : la durée de la transformation ne diminue pas forcément.
- À l'inverse, on ralentit fortement une réaction en la plongeant dans l'eau glacée (une trempe), qui agit à la fois sur la température et sur la concentration. C'est aussi le principe du réfrigérateur !
Optimiser le rendement
Déplacer l'équilibre
On peut augmenter le rendement d'une transformation non totale en :
- introduisant un réactif en excès ;
- éliminant un produit du mélange réactionnel, au fur et à mesure qu'il se forme.
Dans les deux cas, on diminue le quotient de réaction $Q_r$, qui s'éloigne de $K$ : le système évolue de nouveau dans le sens direct pour l'atteindre. L'avancement final $x_\mathrm{f}$ augmente, et avec lui la quantité de produit formé et le rendement $\eta = \dfrac{n_\mathrm{exp}}{n_\mathrm{max}}$. On a déplacé l'équilibre dans le sens direct.
Attention
La température, ou un catalyseur, permettent d'atteindre l'état final plus vite, mais ne modifient pas (ou très peu) le rendement !
Animation interactive
Le rendement d'une estérification
Acide éthanoïque + éthanol $\ce{<=>}$ éthanoate d'éthyle + eau, de constante d'équilibre $K = 4$, en partant de 1 mol d'acide.
Exemple : l'appareil de Dean-Stark
Lors d'une estérification réalisée dans un solvant non miscible à l'eau (le cyclohexane, par exemple), l'appareil de Dean-Stark recueille l'eau au fur et à mesure qu'elle se forme : les vapeurs se condensent dans un tube gradué, où l'eau, plus dense, tombe au fond, tandis que le solvant retourne dans le ballon. Le rendement s'approche alors de 100 %. Voir la vidéo.
Autre exemple : un précipité qui force l'équilibre
On veut synthétiser un alcool par substitution d'un halogénoalcane par l'eau : $\ce{R-Cl + H2O <=> R-OH + H+ + Cl-}$. Problème : c'est une réaction limitée, et lente en plus.
Pour la rendre quasi totale, il suffit d'ajouter des ions argent $\ce{Ag+}$ : ils précipitent avec les ions chlorure, $\ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}$. Cette réaction est très favorisée ($K \approx \pu{5,6E9}$, alors qu'on considère généralement une réaction comme totale dès que $K > 10^4$).
La concentration en ions chlorure s'effondre, donc $Q_r$ aussi : l'équilibre est déplacé dans le sens direct. En prime, les ions argent « arrachent » les ions chlorure aux halogénoalcanes, ce qui accélère la réaction.
Les halogénoalcanes étant peu solubles dans l'eau, on utilise plutôt un solvant mixte, eau-éthanol ou eau-acétone.
Classification des réactions
Une synthèse met en œuvre un ou plusieurs des cinq grands types de réaction suivants (une même réaction peut parfois appartenir à deux types à la fois). Ils peuvent modifier un groupe caractéristique, et donc changer la famille de la molécule, et/ou modifier la chaîne carbonée.
Schéma de transformation
Dans ce chapitre, on utilise souvent des schémas de transformation plutôt que des équations de réaction. Un schéma de transformation mentionne seulement l'espèce de départ et l'espèce cible, sans forcément traduire la conservation des éléments. On écrit les conditions opératoires (réactifs, catalyseur, solvant, température) au-dessus et au-dessous de la flèche.
Réaction d'oxydoréduction
Échange d'électrons : l'oxydant d'un couple $(\mathrm{Ox_1}/\mathrm{Red_1})$ réagit avec le réducteur d'un autre couple $(\mathrm{Ox_2}/\mathrm{Red_2})$.
Oxydation de l'alcool benzylique en acide benzoïque.
Réaction acide-base
Échange d'ion hydrogène : l'acide d'un couple $(\ce{AH_1}/\ce{A_1^-})$ réagit avec la base d'un autre couple $(\ce{AH_2}/\ce{A_2^-})$.
Transformation de l'acide benzoïque en ion benzoate.
Réaction de substitution
Un atome ou un groupe d'atomes, lié à un atome de carbone par une liaison simple, est remplacé par un autre : $\ce{R-X + Y -> R-Y + X}$. Il y a autant de produits que de réactifs.
Transformation du 2-chloro-2-méthylpropane en 2-méthylpropan-2-ol.
Réaction d'addition
Un atome ou un groupe d'atomes est ajouté sur une molécule qui possède au moins une liaison multiple (double ou triple). Il y a moins de produits que de réactifs.
$\ce{CH2=CH2 + H2 ->[\text{Ni}] CH3-CH3}$
Hydrogénation de l'éthène.
Réaction d'élimination
Un atome ou un groupe d'atomes est retiré d'une molécule, ce qui forme une liaison multiple. Il y a plus de produits que de réactifs.
Déshydratation du 2-méthylpropan-2-ol : la molécule éliminée est une molécule d'eau.
Entraînement
De quel type est cette réaction ?
Stratégie de synthèse multi-étapes
Banques de réactions
Synthétiser une molécule cible à partir d'un précurseur nécessite souvent plusieurs étapes. Pour choisir la meilleure stratégie, on s'aide de banques de réactions : elles regroupent les informations sur la réactivité des espèces des différentes familles fonctionnelles, en précisant les conditions expérimentales dans lesquelles elles réagissent ou ne réagissent pas.
Protection et déprotection
Lorsqu'une espèce appartient à plusieurs familles fonctionnelles qui réagissent dans les mêmes conditions, on met parfois en place une stratégie de protection, transformation et déprotection : on rend un groupe caractéristique provisoirement inerte, on transforme l'autre, puis on régénère le premier.
Exemple : synthèse de l'acide lactique
On veut obtenir l'acide lactique (acide 2-hydroxypropanoïque) à partir du 2-hydroxypropanal :
On pense à une oxydation. Mais une banque de réactions indique que l'ion permanganate oxyde bien l'aldéhyde en acide carboxylique… mais aussi l'alcool en cétone, ce que l'on veut éviter :
Il faut donc protéger le groupe hydroxyle (en le transformant en éther benzylique), oxyder, puis déprotéger :
Ph désigne le groupe phényle $\ce{C6H5-}$. La dernière étape, une hydrogénolyse, coupe la liaison entre l'oxygène et le groupe benzyle, et régénère le groupe hydroxyle.
Exercice 1 : allonger une chaîne carbonée
Proposer une séquence de réactions permettant de synthétiser, à partir de l'alcène ci-dessous et de méthanal, l'alcool cible :
Extraits d'une banque de réactions :
- Hydratation d'un alcène (eau et acide sulfurique) : le groupe –OH se fixe sur l'atome de carbone de la double liaison le plus substitué.
- Formation d'un halogénoalcane (HBr, 80-100 °C) : un alcool est transformé en bromoalcane.
- Formation d'un organomagnésien (Mg, éther diéthylique) : R–Br devient R–MgBr.
- Réaction d'un organomagnésien sur un aldéhyde (1) R–MgBr, 2) H₃O⁺) : on obtient un alcool dont la chaîne est allongée du groupe R.
RéponseVoir la séquence
L'hydratation place le groupe –OH sur le carbone le plus substitué de la double liaison, puis HBr le remplace par un atome de brome. L'organomagnésien obtenu réagit sur le méthanal ($\ce{H2C=O}$), ce qui ajoute un groupe $\ce{-CH2OH}$ à la chaîne : c'est une étape qui modifie la chaîne carbonée.
Exercice 2 : faut-il protéger ?
La séquence suivante peut-elle conduire à l'espèce cible ? Si non, proposer une modification.
Extraits d'une banque de réactions :
- LiAlH₄ réduit les esters en alcools, mais aussi les aldéhydes et les cétones en alcools. Il ne réagit pas sur un acétal.
- Formation d'un acétal : une cétone réagit avec l'éthane-1,2-diol (HO–CH₂–CH₂–OH), en présence d'APTS (un catalyseur acide), pour former un acétal cyclique.
- Hydrolyse d'un acétal : en présence d'eau et d'acide, l'acétal redonne la cétone.
RéponseVoir la correction
Non : LiAlH₄ réduit à la fois l'ester et la cétone. On obtiendrait un diol :
Il faut protéger la cétone sous forme d'acétal, réduire l'ester, puis déprotéger :
Réactions de polymérisation
Définition
Lors d'une réaction de polymérisation, de nombreux monomères réagissent entre eux pour former un polymère.
Exemple : l'acide polylactique (PLA)
Un acide carboxylique réagit avec un alcool, en milieu acide, pour former un ester et de l'eau. Or l'acide lactique possède à la fois un groupe carboxyle et un groupe hydroxyle : il peut réagir avec lui-même, et les molécules s'enchaînent en formant des liaisons ester.
Les trois premiers maillons de la chaîne. L'unité de répétition est $\left[\ce{-O-CH(CH3)-CO-}\right]_n$.
Biosourcé (on le fabrique à partir de l'amidon du maïs ou de la canne à sucre), le PLA sert à fabriquer des emballages, des gobelets ou du fil pour imprimante 3D.
Le PLA est souvent présenté comme biodégradable : c'est vrai, mais surtout en compostage industriel, à plus de 50 °C. Dans la nature ou dans un composteur de jardin, il se dégrade très lentement.
Synthèses écoresponsables
La chimie verte
Les 12 principes de la chimie verte (Anastas et Warner, 1998) guident la conception de synthèses plus respectueuses de l'environnement et plus sûres : prévenir les déchets plutôt que les traiter, maximiser l'économie d'atomes, utiliser des produits et des solvants moins toxiques, économiser l'énergie, utiliser des matières premières renouvelables, préférer les catalyseurs, concevoir des produits dégradables, etc.
Économie d'atomes
$$\mathrm{EA} = \frac{M(\text{produit recherché})}{\sum M(\text{réactifs})}$$
Exercice : deux voies de synthèse de l'éthanoate de butyle
Voie 1 : acide éthanoïque et butan-1-ol, avec de l'acide sulfurique concentré, 30 min à 120 °C, rendement 50 %.
Voie 2 : anhydride éthanoïque et butan-1-ol, sans catalyseur, 20 min à 60 °C, rendement 90 %.
Comparer ces deux voies en termes d'économie d'atomes, de déchets, de consommation d'énergie, de toxicité et de rendement.
Masses molaires (en g/mol) : acide éthanoïque 60,0 ; butan-1-ol 74,1 ; anhydride éthanoïque 102,1 ; éthanoate de butyle 116,2.
RéponseVoir la comparaison
| Voie 1 (acide) | Voie 2 (anhydride) | |
|---|---|---|
| économie d'atomes | $\dfrac{116{,}2}{60{,}0 + 74{,}1} = 87\ \%$ | $\dfrac{116{,}2}{102{,}1 + 74{,}1} = 66\ \%$ |
| sous-produit | eau | acide éthanoïque |
| énergie | 120 °C pendant 30 min | 60 °C pendant 20 min |
| sécurité | acide sulfurique concentré, très corrosif | pas de catalyseur (l'anhydride est toutefois irritant) |
| rendement | 50 % | 90 % |
Aucune voie n'est meilleure sur tous les critères : la voie 1 a une meilleure économie d'atomes (son seul sous-produit est l'eau), mais la voie 2 consomme moins d'énergie, évite l'acide sulfurique concentré et donne un bien meilleur rendement. Son sous-produit, l'acide éthanoïque, peut en outre être récupéré et valorisé. C'est souvent ainsi : l'« écoresponsabilité » d'une synthèse se juge sur l'ensemble des critères.