1Spé – Chap 8 : Synthèses d’espèces chimiques organiques.

 Notions de cours

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Introduction

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Une synthèse est un procédé de fabrication d’un produit chimique qui n’existe pas, ou peu, dans la nature. On parle alors d’un produit de synthèse. Ce type de transformation chimique se fait généralement en 4 étapes principales.

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I. Étape 1 : La transformation – Les différents montages de synthèse

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1° Montage avec une ampoule de coulée pour les transformation à froid.

L’enceinte de la réaction est fermée. Ce montage est adapté pour les réactions à froid.

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2° Montage avec un réfrigérant pour une transformation à chaud.

L’enceinte de la réaction est ouverte en haut du réfrigérant ce qui permet la dilatation des gaz qui se réchauffent. Des vapeurs peuvent s’échapper mais le réfrigérant condense les vapeurs qui ne sont pas trop volatiles. Ce montage est adapté pour les réactions à chaud.

Pour info : Les produits qui sont obtenus lors de l’action d’un acide carboxylique sur un alcool sont appelés des esters. Les noms des esters sont composés avec le nom de l’alcool et de l’acide et on utilise le suffixe « oate » à la place de « oïque ».

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II. Étape 2 : L’isolement du produit – Méthodes

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1° Extraction d’un liquide dans un autre : Utilisation d’une ampoule à décanter.

Ce type d’extraction s’appelle une extraction liquide – liquide.

Nota Bene : Pour que la migration vers le solvant se produise, la solubilité de l’espèce que l’on veut récupérer doit être supérieure dans le solvant organique que dans l’eau

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2° Filtration d’un solide en suspension dans un liquide

Ce montage permet de récupérer un solide un suspension dans un liquide.

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3° Filtration d’un solide en suspension avec aspiration sur Büchner.

Ce montage permet aussi de récupérer un solide un suspension dans un liquide mais l’évacuation du liquide est plus poussé du fait de l’aspiration.

Vocabulaire : Cette opération est aussi appelée « Essorage » quand le liquide est de l’eau.

Cette opération se poursuit généralement par un séchage.

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4° Pour aller plus loin : L’évaporateur rotatif

Pour les solvants très volatils, comme de dichlorométhane, une faible dépression sans chauffage, est suffisante pour permettre l’ébullition.

Pour les solvants moins volatils, comme le cyclohexane, il est nécessaire de chauffer. On ajuste la pression de façon à permettre l’ébullition à environ 40°C.

Remarque : Il n’est pas adapté pour évaporer l’eau

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III. Étape 3 : La purification du produit – Techniques utilisées

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1° Par distillation fractionnée

Ce montage est utilisé pour récupérer les vapeurs produites. Celles-ci sont condensées dans le réfrigérant. On peut récupérer successivement plusieurs composés présents dans le mélange à distiller. En effet, si leurs températures d’ébullition sont différentes, les composés les plus volatils seront vaporisées en premier, puis, lorsque la température s’élève encore, les composés moins volatils sont à leur tour vaporisés. On sépare ainsi les composés présents dans le mélange à distiller.

Indication : La température de vaporisation du composé qui passe dans le réfrigérant est repérée sur le thermomètre et peut aussi permettre son identification.

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2° Par solidification : La recristallisation

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1° Un procédé en 2 étapes :

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  • 1ere étape : On place le solide obtenu après la synthèse dans un solvant et on le chauffe pour obtenir sa dissolution complète.
  • 2eme étape : On laisse le mélange se refroidir lentement. Le produit recherché va se recristalliser car la solubilité d’une espèce chimique diminue lorsque la température de la solution baisse.

 

2° Pourquoi le produit recristallisé est-il plus pur ? :

Lors de la formation du solide, les liaisons intermoléculaires qui assurent la cohésion du cristal rassemblent les molécules entre-elles, ce qui favorise leur séparation des impuretés présentes.

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Remarque : On peut alors isoler le produit par filtrage (avec ou sans Büchner).

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IV. Étape 4 : L’analyse de la qualité du produit – Procédés d’analyse

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1° Les chromatographies

1.1 – La chromatographie sur couche mince ou CCM

Cliquez ici pour accéder à l’animation d’une CCM

Les espèces sont entrainées plus ou moins haut par le solvant sur la plaque de silice.  Cette différence est due à leur affinité avec la silice (possibilité de liaisons hydrogène). La hauteur h de leur migration (voir schéma) est mise en rapport avec la hauteur H de migration du solvant (voir schéma) . La comparaison entre les hauteurs de migration commune avec un produit de référence permet une identification rapide.

Pour une identification plus systématique, la valeur du rapport h / H est répertoriée dans des bases de données et leur consultation permet d’identifier l’espèce.

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1.2 La chromatographie sur colonne

Cette technique repose sur le même principe que la CCM. La plaque de silice est remplacé par de la silice dans une colonne. Les composés migrent plus ou moins rapidement dans la colonne. Cette technique donne des résultat encore plus précis.

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1.3 Pour info : La chromatographie en phase gazeuse ou CPG

Le principe reste le même que pour la chromatographie sur colonne mais les liquides sont vaporisés (phase gazeuse) avant d’être entrainés dans la colonne (= tube d’une dizaine de mètre). Les résultats sont encore plus précis.

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2° Pour un solide : Par point de fusion sur un banc Kofler

Cette technique utilise une plaque chauffante dont la température augmente suivant la graduation indiquée. Cette plaque chauffante est appelée un « Banc Kofler ».

Pour l’utiliser, il suffit de déplacer l’échantillon progressivement de la zone froide vers les zones de températures de plus en plus élevées jusqu’à ce qu’il se mette à fondre. On obtient ainsi, par lecture directe, la température de fusion du composé.

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3° Pour aller plus loin : Le réfractomètre

L’indice de réfraction est une autre façon d’identifier un liquide. Cette appareil permet de mesurer cet indice de de réfraction. La comparaison avec une banque de données permet l’identification du composé.

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V. Le rendement d’une synthèse

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1° Une perte de produit inévitable.

Même avec le plus grand soin, la réalisation d’une synthèse ne produit pas toujours la totalité de la quantité espérée de produit. Les origines de cette déperdition sont dues au mécanisme de la transformation. La quantité prévue de produit n’est pas toujours atteinte. Elle correspond donc à une valeur maximum calculée.

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2° Calcul de la quantité maximale de produit

La quantité espérée de produit se calcule à partir du tableau d’avancement de la réaction.

Exemple ci-dessous avec des coefficients stœchiométriques unitaires.

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On la comparera à la valeur obtenue expérimentalement.

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3° Le rendement d’une synthèse

On remarquera que le calcul du rendement s’effectue sur des masses. On pourra donc ajouter une ligne supplémentaire au tableau d’avancement pour calculer la masse de produit maximale espérée.

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: Les manupulations

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1° La synthèse d’un écran solaire + filtration
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2° La purification de la DBA : Recristallisation + filtration
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3° L’isolement du produit de synthèse – Ampoule à décanter
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4° La chromatographie sur couche mince (CCM)

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5° La technique de la chromatographie sur colonne

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6° Le montage de distillation fractionnée

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 Exercices possibles

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Indication : Un document de référence est utilisé dans certains exercices. Prière de vous y reporter au début de la page 166.

Indication permanente : Les valeurs des masses molaires sont accessibles en consultant le tableau périodique des éléments.

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Notations : Les exercices avec un « Hashtag » (#) donne lieu à un commentaire ci-après à ne pas négliger. Les exercices avec étoile (*image) ou (*vidéo) ont un fichier image imprimable à télécharger, ou une vidéo, accessible en cliquant sur le numéro de l’exercice.

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Exercices d’application directes p 166 et suivantes : n° 21 – n° 22 – n° 23. (Entrainez-vous, leurs corrigés sont déjà accessibles dans la partie « Corrigés des exercices » au bas de cette page).

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Exercices d’approfondissement p 146 et suivantes : n° (24 & 25)(#indication) – n° 36 (#Indication : Il est conseillé de faire les applications numériques intermédiaires) – n° 40 – n° 41 – n° 43 et n° 44.

#n°25 – Indication de stœchiométrie : Le linalol et l’anhydride acétique réagissent mole à mole et donne 1 mole d’éthanoate de linalyle et 1 mole d’acide éthanoïque.

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Exercices identiques aux ex résolus p 168 et 169 : n° 31 – n° 33.

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 Bilan

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 Corrigés des exercices

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Cliquez sur les liens suivants pour accéder à leurs corrigés.

Corrigés des exercices d’application directes :

Lien pour accéder à la « Rédaction de l’exercice 21 – 22 – 23 »

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