Chim N° 09

Synthèse d'une

espèce chimique. 

Cours.

 

   

 

Mots clés :

Cours de chimie seconde

Espèce chimique, synthèse,

mode opératoire, chimie de synthèse, réalisation d'une synthèse,

étapes de transformation, séparation, purification, identification,

synthèse d'un ester à l'odeur fruitée, synthèse de l'aspirine,

ampoule à décanter,

baume du Pérou, texticaments, chauffage à reflux, C.C.M, styrène, polystyrène, polymérisation,

AIBN, toluène, pictogrammes, méthybenzène, p-tert-butylcatéchol, 2,2-azobis (2-méthylpropionitrile),

verrerie, agitateur, magnétique, chauffant, chauffage à reflux, ampoule de coulée, CCM polystyrène, heptane, 1,4-dioxane, acétone, propanone, propan-2-one, éluant, ,  ...

 

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I- Nécessité de la chimie de synthèse.

1)- Définition.

2)- Présentation du problème.

 II- Réalisation d’une synthèse.

1)- Le mode opératoire.

2)- L’étape de transformation.

3)- Les étapes de séparation et de purification.

4)- L’étape d’identification.

III- Exemple :

synthèse de l’acide acétylsalicylique.

IV- Applications. Correction des Exercices

1)- Synthèse du polystyrène :

2)- QCM :    QCM

3)- Exercices :    Exercices.

TP Chimie : Les différentes techniques d'extraction.

TP Chimie : La Chromatographie

TP Chimie : Synthèse d'un ester à l'odeur fruitée.

Exercices : énoncé et correction

a)- Exercice 3 page 282 : connaître le matériel utilisé pour une synthèse.

b)- Exercice 5 page 282 ; nommer les étapes d’une synthèse.

c)- Exercice 9 page 284 : Le baume du Pérou.

d)- Exercice 13 page 286 : les texticaments.

I- Nécessité de la chimie de synthèse.

1)- Définition.

-    Réaliser la synthèse d’une espèce chimique, c’est la préparer à partir d’autres espèces chimiques grâce à une transformation chimique.
-    La synthèse est la préparation d’une espèce chimique à partir de réactifs.
-    Elle se déroule en trois étapes :
-    Étape 1 : synthèse de l’espèce chimique (Montage : chauffage à reflux).
-    Étape 2 : isolement de l’espèce chimique (Extraction solide/liquide ou liquide/liquide, filtration, décantation,…)
-    Étape 3 : Identification de l’espèce chimique
-  (Mesure de la température d’ébullition, mesure de l’indice de réfraction, mesure de la température de fusion, réalisation du C.C.M)

2)- Présentation du problème.

-    Pour répondre aux besoins de l’homme, l’industrie chimique synthétise un nombre considérable de produits.
-    On distingue : la chimie lourde et la chimie fine.

    La chimie lourde synthétise, à partir de matières premières simples des produits en grande quantité :

-    La chimie lourde fabrique des espèces chimiques en grande quantité et pour un coût peu élevé.
-    Ces synthèses nécessitent peu d’étapes.
-    Synthèse de matières plastiques (polyéthylène, polychlorure de vinyle PVC…) :
-  La production française de PVC dépasse le million de tonnes.
-    Synthèse de l’ammoniac (NH3,…).
-    Synthèse de l’aluminium (bauxite → alumine)

    La chimie fine synthétise des substances plus complexes :

-    Les parfums et les médicaments sont des produits de la chimie fine.
-    La chimie fine élabore, à partir des produits de la chimie lourde ou d’espèces naturelles, des espèces chimiques à haute valeur ajoutée.
-    Les médicaments préparés en plus faibles quantités que ceux de la chimie lourde, sont plus coûteux et nécessitent souvent de nombreuses réactions chimiques successives.
-    Synthèse de l’acétate de linalyle.
-    Synthèse de l’aspirine (acide acétylsalicylique).

 

II- Réalisation d’une synthèse.

1)- Le mode opératoire.

*     Le protocole expérimental précise : (ou mode opératoire)
-    La nature et les quantités de réactifs nécessaires,
-    Le solvant approprié,
-    Les consignes de sécurité à respecter,
-    Le montage utilisé,
-    Les différentes étapes à effectuer.
-    Exemple : le chauffage à reflux

Chauffage à Reflux

 

1- Réfrigérant.

2- Ballon.

3- Chauffe-ballon.

4- Sortie de l’eau.

5- Arrivée de l’eau.

6- Mélange réactionnel.

7- Vallet ou Support.

Ce montage permet de maintenir le milieu réactionnel à une température constante, en l'occurrence pratiquement la température d'ébullition du solvant.

Les vapeurs sont condensées dans le réfrigérant et retournent à l'état liquide dans le ballon.

Les réactifs et les produits restent dans le milieu réactionnel.

La présence du vallet est obligatoire.

Elle permet d’enlever le chauffe-ballon sans toucher au reste du montage (ballon et réfrigérant).

Dans le réfrigérant, l’eau circule du bas vers le haut.

À la fin de la synthèse, on refroidit le milieu réactionnel pour 

-    Des raisons de sécurité (pour éviter les brûlures)

-    Condenser les vapeurs éventuellement toxiques.

-    Faire précipiter le produit s’il est solide.

 

2)- L’étape de transformation.

-    Lors de la synthèse d’une espèce chimique, des réactifs réagissent pour former un ou plusieurs produits, dont l’espèce attendue.
-    Réactifs et produits d’une synthèse.
-    La synthèse d’une espèce chimique nécessite d’autres espèces chimiques.
-    Les espèces chimiques nécessaires à la synthèse sont appelées : les réactifs de la synthèse.
-    Les espèces chimiques obtenues sont appelées : les produits de la synthèse.

Réactifs

Produits

-    Les réactifs et les produits différent par leurs caractéristiques physiques.
-    Exemple : Pour synthétiser l’acétate d’isoamyle, on utilise de l’acide acétique et de l’alcool isoamylique.  

 

densité

θ eb °C

Solubilité dans l'eau

Formule brute

Acide éthanoïque

1,05

118,2

Grande

CH3COOH

Alcool isoamylique

0,81

128

Faible

C5H11OH

Éthanoate de 3-méthylbutyle

0,87

142

Très faible

C7H14O2

 

-    On peut schématiser cette transformation chimique comme suit :

Réactifs

Transformation chimique

Produits

  

Acide Acétique

+

Alcool Isoamylique

 

Donne

 

Acétate d’Isoamyle

+

Eau

 

 

 

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Ou

C2H4O2  +  C5H12O        C7H14O2  +  H2O

 

-    Certaines réactions, qui sont lentes à température ambiante, nécessitent un chauffage qui permet d’accélérer la réaction.
-    On effectue alors un chauffage à reflux pour éviter les pertes d’espèces chimiques par vaporisation.
-    Pour accélérer certaines réactions chimiques, on peut ajouter un catalyseur au mélange réactionnel.

Le catalyseur :

Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans entrer dans le bilan de la réaction et sans modifier l’état final du système.

 

3)- Les étapes de séparation et de purification.

-    L’espèce chimique obtenue par synthèse est généralement mélangée :
-    Au solvant,
-    Aux réactifs restants,
-    Et aux autres produits de la réaction.

    Les techniques de séparation : cela dépend de la nature de l’espèce synthétisée

-    Si l’espèce synthétisée est un solide :
-    On peut la séparer par filtration
-    Et la purifier par recristallisation.
-    Si l’espèce est dissoute dans le mélange réactionnel,
-    On peut la séparer par extraction
-    Puis la purifier par évaporation ou distillation.

 

4)- L’étape d’identification.

-    Il est nécessaire de vérifier la présence de l’espèce attendue ainsi que son degré de pureté.
-    La caractérisation de l’espèce chimique peut se faire grâce à ses propriétés physiques :
-    Aspect,
-    Solubilité,
-    Température d’ébullition, température de fusion,
-    Densité,
-    Indice de réfraction…
-    On peut effectuer une analyse comparative :
-    On peut réaliser une chromatographie sur couche mince (C.C.M) :
-    De l’espèce synthétique,
-    De l’espèce de référence,
-    D’un extrait naturel contenant la même espèce chimique.
-    Il faut ensuite comparer la position des différentes taches du chromatogramme obtenu.
-    Remarque : Une espèce chimique d’origine naturelle est identique à l’espèce chimique obtenue par synthèse.
-   Rien ne permet de les différencier.

III- Exemple : synthèse de l’acide acétylsalicylique.TP N° 11

 

IV- Applications.

1)- Synthèse du polystyrène.

a)-  Quelques données.

Espèce

chimique

M

g / mol

densité

Pictogrammes de sécurité

Styrène

104

0,91

 

Inflammable

 

Toxique, irritant

 

AIBN

164

1,11

 

Inflammable

 

Danger pour

le milieu aquatique

 

Toxique, irritant

Toluène

92

0,87

 

Inflammable

Toxique, irritant

 

Cancérogène,

tératogène

b)-  Introduction.

-    Les polymères sont très utilisés dans le sport car ils constituent souvent les matériaux de base à la construction du matériel utilisé par les sportifs.
-    On peut citer par exemple le polyuréthane utilisé dans les combinaisons des nageurs et ayant  permis entre 2005 et 2009 une spectaculaire amélioration des performances.
-    L'utilisation des polymères dans l'élaboration des équipements du sportif constitue aujourd'hui, avec la pharmaceutique, le principal lien entre sportifs et chimistes.
-    Pour illustrer cette contribution des chimistes à la pratique du sport, on propose d’étudier, la fabrication d'un polymère : le polystyrène.
-    Le polystyrène est une matière dure, cassante et très transparente.
-    Parmi les plastiques industriels usuels, c'est un produit de très grande diffusion, offrant un  vaste  champ d'application.
-    L'application la plus connue est le polystyrène expansé, sorte de mousse blanche compacte qui sert au niveau de l’habitat à l’isolation des murs,
-   à emballer les appareils sensibles aux chocs (électroménager, chaîne hifi...),
-   mais c'est aussi le plastique transparent et dur utilisé pour de nombreux types de boîtes et boîtiers (Boîtier CD, couverts, verres, …).
-    Le solvant utilisé pour cette réaction est le toluène.

 

-    L’AIBN permet l’amorçage de la réaction de polymérisation.
-    Ce polymère est employé dans le domaine du nautisme, en particulier le surf,
-   pour la fabrication des planches mais aussi dans le conditionnement des produits et l’isolation thermique.

c)-  Synthèse du polystyrène.

-    Pour réaliser la synthèse du polystyrène, on utilise :
-    5 mL de styrène pur,
-    20 mL d’une solution d’AIBN dans le toluène (3,4 g d’AIBN pour 100 mL de toluène)
-   On ajoute la solution d’AIBN grâce à une ampoule de coulée.
-   On commence par 5 mL de solution.
-    AIBN : 2,2-azobis (2-méthylpropionitrile). (C8H12N4).

Nom

AIBN

Styrène

Formule

brute

C8H12N4

C8H8

Formule

semi-développée

 

2,2-azobis (2-méthylpropionitrile)

ou

2,2'-(E)-diazene-1,2-diylbis(2-methylpropanenitrile)

 

Représentation 3 D

 

 

-    Le solvant :

Nom

Toluène

Formule

brute

C7H8

Formule

semi-développée

et

topologique

 

Méthylbenzène

 

Représentation 3 D

 

    Remarque :

-    Si on utilise le styrène du commerce
-    Le styrène commercial utilisé contient une faible quantité de stabilisant, le 4-tertbutylcatéchol (Environ 15 mg par kg de styrène), inhibiteur de réactions radicalaires.
-    Il permet d’empêcher la polymérisation du styrène dans la bouteille.
-    Le styrène est sensible à la lumière et la chaleur et peut se polymériser dans la bouteille.
-    Pour obtenir du styrène pur, on l’isole du p-tert-butylcatéchol  (C10H14O2) par lavages.
-    4-tert-butylcatéchol

Nom

p-tert-butylcatéchol  

Formule

brute

C10H14O2

Formule

semi-développée

et

topologique

 

4-tert-butylbenzene-1,2-diol

 

Représentation 3 D

 

    Lavage du styrène commercial :
-    1.  Prélever 15 mL de styrène à l’aide d’une éprouvette graduée de 50 mL. Les verser (sous la hotte commune) dans un erlenmeyer.
-    2.  Fixer l’ampoule à décanter, puis introduire les 15 mL de styrène.
-    3.  Prélever 15 mL de soude de concentration à 1,0 mol / L dans une éprouvette graduée de 50 mL.
-    4.  Verser la solution de soude dans l’ampoule à décanter.
-    5.  Boucher, agiter l’ampoule, dégazer puis laisser décanter (sans oublier d’enlever le bouchon).
-    6.  Éliminer la phase aqueuse.
-    7.  Laver une fois avec 15 mL de solution de soude [Na+(aq) + OH (aq)] à environ 1 mol.L–1. (aq)
-    8.  Laver deux fois la phase organique avec 20 mL d’eau distillée (Agiter l’ampoule, dégazer puis laisser décanter).
-    9.  Récupérer la phase aqueuse 
-    10. Recueillir par le haut de l’ampoule à décanter le styrène dans un erlenmeyer.
-    15. Le styrène est ensuite séché sur carbonate de potassium anhydre :
      Ajouter 1 spatule de carbonate de potassium (ou de sulfate de magnésium anhydre) dans l’erlenmeyer,
-   agiter manuellement,
-   boucher avec un bouchon en liège et laisser reposer pendant quelques minutes.
-    16. Le styrène est filtré sur un petit entonnoir en verre muni d’un petit morceau de coton.
-    On obtient le styrène pur.
     Le montage :
-    Le montage où se déroule la réaction doit permettre :
-    De contrôler la température du milieu réactionnel,
-    D’agiter et chauffer le milieu réactionnel sans perte de matière,
-    De réaliser des ajouts de liquide au cours de la réaction.
-    D’éloigner rapidement la source de chaleur en cas de surchauffe.

    Dans la liste de matériel, cocher ce dont vous avez besoin pour réaliser cette synthèse.

    Réaliser un schéma du montage :

    Le matériel : Que choisir ?

 

 

 

 

 

 

-    Cocher le matériel nécessaire :

a

b

c

d

e

f

 

 

x

 

x

 

g

h

i

j

k

l

x

x

 

 

 

 

m

n

o

p

q

r

x

 

 

 

 

 

s

t

u

v

x

y

x

x

x

x

x

 

-    Matériel :
-    Ampoule de coulée (c), ballon tricol (e), thermomètre (g), vallet ou support élévateur (h), réfrigérant vertical (m), bécher (s), bouchon rodé (t), noix de serrage (u), pince (v), olive aimantée (x),
-    Pas présent dans la liste du matériel : support avec potence, dispositif de chauffage avec agitateur magnétique.

    Montage :

 

-    Agitateur magnétique chauffant :

 

Bouton température et bouton agitation

d)-  Récupération du polystyrène :

-    À la fin de la réaction, le ballon contient essentiellement du polystyrène et du toluène.
-    On verse le mélange dans l’un des trois solvants suivants et on récupère le polystyrène solide avec un dispositif approprié.

Solvant

Toluène

Éthanol

Méthanol

Solubilité du polystyrène

+

      

Solubilité du styrène

+

+

+

Pictogrammes

 

 

   

    Élaborer un protocole détaillé permettant de récupérer le polystyrène.

    Précipitation du polystyrène :

-    On verse le mélange réactionnel dans un solvant ou le polystyrène est très peu soluble.
-    Ainsi, le polystyrène précipite.
-    L’éthanol et le méthanol conviennent, mais on choisit l’éthanol car il est moins toxique que le méthanol.
-    Ensuite, on peut récupérer le polystyrène solide par filtration.
     Protocole :
-    On verse le mélange réactionnel, sous agitation, dans un bécher contenant de l’éthanol à température ambiante.
     Filtration sous pression réduite :
-    On humidifie le papier filtre avec de l’éthanol pour qu’il adhère aux parois du filtre Büchner.

 

-    On récupère ainsi le polystyrène solide.

    Caractérisation du polymère :

-    Une caractérisation pertinente d’un polymère passe par la détermination de sa masse molaire moyenne.
-    On cherche à obtenir ici l’intervalle approximatif dans lequel se situent les masses molaires des polymères contenus dans l’échantillon  synthétisé. 
-    On  propose donc de déposer sur une plaque CCM le produit synthétisé ainsi que plusieurs  polystyrènes de référence (de masses molaires respectives : 3460, 9630, 139000 g . mol –1).
     On dissout 6 cg de chaque échantillon de polystyrène dans 10 mL d’acétone.
-    Le choix de l’éluant est une étape cruciale dans la réalisation d’une CCM.
-    L’éluant de la CCM doit être préparé avec une grande précision et dans un récipient fermé hermétiquement pour éviter toute évaporation de ses constituants :
-  Le moindre écart dans les  proportions fausse considérablement les résultats ; l’utilisation de verrerie  jaugée est nécessaire.
-    Les résultats de cette  analyse chromatographique sont exceptionnellement sensibles à la composition de l’éluant :

Composition de l’éluant

Rapports frontaux Rf des polymères de référence

Mélange

Proportions volumiques

M

Masse molaire

M

Masse molaire

M

Masse molaire

1,4-dioxane

Heptane

3460 g . mol–1

39630 g . mol–1

139000 g . mol–1

1

4,4

5,0

0,61

0,50

0,18*

2

4,5

5,0

0,57

0 ,49

0,22

3

4,6

5,0

0,63

0,54

0,30

4

4,7

5,0

0,55

0,49

0,32

5

4,8

5,0

0,65

0,57

0,36

6

4,9

5,0

0,55

0,51

0,35

7

5,0

5,0

0,74

0,66

0,51

* : tache de forme assez allongée.
-    Les différents constituants :

Heptane

1,4-dioxane

Acétone

 

 

 

Propan-2-one

 

 

 

 

 

 

    Choix de l’éluant :

-    Le choix de l’éluant est une étape cruciale dans la réalisation d’une CCM.
-    Parmi les éluants proposés en annexe, celui qui est adapté à l’expérience, est le mélange N° 3.
-    C’est le mélange 4,6 volumes de 1,4-dioxane pour 5 volumes d’heptane.
-    Il permet une meilleure différenciation des différentes taches (l’écart entre les différentes taches est le plus important).
-    Il rend le chromatogramme plus lisible.

 

2)- QCM : pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

QCM Sous forme de tableau 01

QCM  01 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer

QCM Sous forme de tableau 02

QCM  02 réalisé avec Questy pour s'auto-évaluer

QCM sous forme de tableau 03 (révisions 1)

QCM 03 Questy (révisions 1)

QCM sous forme de tableau 04 (révisions 2)

QCM 04 Questy (révisions 2)

3)- Exercices Exercices : énoncé et correction

a)- Exercice 3 page 282 : connaître le matériel utilisé pour une synthèse.

b)- Exercice 5 page 282 ; nommer les étapes d’une synthèse.

c)- Exercice 9 page 284 : Le baume du Pérou.

d)- Exercice 13 page 286 : les texticaments.