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Projet de Physique P6
STPI/P6/2019 – 27
Chimie : Mise au point d'un TP de synthèse organique
Étudiants :
William BOUILLON Oscar FRAPPEREAU
Hugo GELINEAU Hugo RICHARD
Yutong WANG
Enseignant-responsable du projet :
Gaëlle MORANDI
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Date de remise du rapport : 17/06/2019
Référence du projet : STPI/P6/2019 – 27
Intitulé du projet : Chimie : Mise au point d'un TP de synthèse organique
Type de projet : Bibliographique & Expérimentale
Objectifs du projet :
- Réaliser un TP de synthèse organique
- Respecter les différentes restrictions fixées (temps, coût, dangerosité, etc.)
- Savoir effectuer des recherches individuelles efficaces
- Expliquer le TP clairement de telle sorte que chacun puisse comprendre le fonctionnement.
- Respecter les limites de temps imposées
Mots-clefs du projet : Recherches, travaux pratiques & analyses.
INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN
Département Sciences et Techniques Pour l’Ingénieur
Avenue de l'Université - 76801 Saint Etienne du Rouvray - tél : +33 (0)2 32 95 97 00 - fax : +33 (0)2 32 95 98 60
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STPI/P6/2019 - 27
Table des matières
1. INTRODUCTION .................................................................................................................5
2. MÉTHODOLOGIE & ORGANISATION DU TRAVAIL ................................................................6
3. TRAVAIL RÉALISÉ ET RÉSULTATS ..........................................................................................7
3.1. Recherches Bibliographiques ................................................................................................. 7 Pourquoi avoir choisi cette réaction ?..................................................................................................................... 7
3.2. Réalisation expérimentale ..................................................................................................... 8
3.3. Analyse des résultats ............................................................................................................. 9 3.3.1. Le point de fusion .................................................................................................................................. 9 3.3.2. Spectroscopie infrarouge ..................................................................................................................... 10 3.3.3. Spectroscopie de résonance magnétique (RMN) ................................................................................ 11
4. Restitution pédagogique.................................................................................................. 13
4.1. Protocole utilisé .................................................................................................................. 13 4.1.1. Liste du matériel .................................................................................................................................. 13 4.1.2. Liste des réactifs .................................................................................................................................. 13 4.1.3. Mode Opératoire ................................................................................................................................. 13 4.1.4. Mécanisme de la réaction.................................................................................................................... 15
4.2. Fiche de TP .......................................................................................................................... 16
5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ...................................................................................... 19
6. ANNEXES ......................................................................................................................... 20
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1. INTRODUCTION
Notre projet intitulé “Mise en place d’un TP de synthèse organique” consistait à
proposer un autre TP de synthèse organique pour remplacer celui actuellement réalisé en
1ère année, jugé dangereux, de par la présence d’acide benzoïque, composé classé CMR.
Ainsi, nous devions composer un nouveau protocole de synthèse organique, sans composés
nocifs. Nous nous sommes fixés comme objectifs que ce protocole ait un coût de réalisation
semblable à l’ancien TP, et soit suffisamment intéressant pour pouvoir intriguer tous les
étudiants de STPI1.
Nous souhaitons, avec ce projet, proposer aux 1ères années une alternative plus
sécuritaire de synthèse organique, tout en leur apprenant clairement le fonctionnement, le
mécanisme et la réalisation d’une synthèse organique.
Pour cela, nous souhaitons expliquer comment nous avons fonctionné afin de réaliser notre
projet, les difficultés rencontrées, aussi bien bibliographiques qu’expérimentales, ainsi que
les différents résultats obtenus.
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2. MÉTHODOLOGIE & ORGANISATION DU TRAVAIL
L’organisation a été primordiale pour l’avancement en bonne et due forme du projet.
Il était nécessaire de s’organiser efficacement, car notre projet demandait de longues
recherches bibliographiques et expérimentales. Ainsi, une bonne méthodologie représentait
pour chacun d’entre nous un gain de temps considérable.
Tout d’abord, au niveau des recherches, chacun d’entre nous a recherché
individuellement différents protocoles de TP de synthèse organique possibles, en accord
avec les conditions imposées. Nous avons alors rassemblé les différentes propositions, et
chaque protocole était discuté collectivement au sein du groupe.
Nous avions ainsi une vision globale de chaque protocole proposé, ce qui nous a permis de
choisir plus facilement la meilleure synthèse possible. De plus, les manipulations ont elles
aussi été organisées de sorte à optimiser au maximum l’efficacité de notre projet. En effet,
durant les séances de “TP test”, nous étions séparés en groupes de 2 ou 3 étudiants,
chacun ayant une expérience différente à effectuer. Ainsi, cela nous permettait de tester
différents temps de reflux, différentes quantités de produits, en une seule séance. De plus,
au sein même de chaque petit groupe, chaque étudiant s’occupait d’une tâche différente :
réalisation du montage, lavage de la verrerie, prise de notes, photographies des
expériences, etc.
Enfin, le rapport a été rédigé individuellement, c’est-à-dire que chacun s’occupait
globalement d’une partie du rapport, mais les autres membres du groupe avaient la
possibilité d’ajouter certaines informations possiblement oubliées, ou alors modifier certaines
tournures de phrases. Les parties étaient ensuite assemblées, et nous avons alors vérifié
que chaque partie s'enchaînent de manière fluide, et que certaines informations n’étaient pas
répétées dans des parties différentes.
Afin de respecter chaque délai, nous nous imposions des dates limites afin de ne pas
retarder la réalisation de notre projet.
Figure 1. Diagramme de Gantt
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3. TRAVAIL RÉALISÉ ET RÉSULTATS 3.1. Recherches Bibliographiques
Tout d’abord, notre premier travail dans ce projet de chimie a été de trouver une nouvelle
réaction pour remplacer la manipulation de 1ere année lors du TP de chimie organique. En
effet, dans la réaction effectuée, un produit CMR, l’acide benzoïque, était synthétisé. Nous
avons donc établi une liste de critères que nous avons hiérarchisées afin de trouver une
nouvelle réaction de synthèse organique. Nos objectifs principaux étaient de trouver une
réaction comprenant des réactifs et des produits peu nocifs et pouvant être réalisée lors d’un
TP de 3 heures. La simplicité des manipulations a également été jugée afin de correspondre
au niveau de STPI1, ainsi que les coûts de réaction qui ont été examinés afin qu’ils restent
contenus. Enfin, un aspect ludique a été cherché dans le souci d'intéresser les élèves lors
des manipulations, pour que cela soit plus concret et parlant.
Pourquoi avoir choisi cette réaction ?
Lors de nos recherches, nous avons très vite été principalement confrontés à la
dangerosité des réactifs employés ainsi que des produits générés. Ceci nous a amené à
renoncer à certaines réactions telles que celle de la synthèse de quinine ou de flavonol.
D’autres réactions n’ont pas été retenues pour leur difficulté et leur faisabilité en 3 heures,
telle que la réaction de Grignard. Nous nous sommes ainsi dirigés vers la synthèse
organique de la chalcone pour ses différents atouts. En effet, celle-ci ne nécessite tout
d'abord aucun réactif hautement toxique ou CMR et elle n’en produit également pas. Sa
facilité de réalisation et son temps d'exécution conviennent également parfaitement. De plus,
la chalcone et son utilisation pour lutter contre le cancer1 (notamment ceux des ovaires, de
l’utérus ou du sein), confèrent un côté ludique aux manipulations.
Les coûts de la réaction ont également été un aspect très important pour la sélection
de cette synthèse. En effet, afin d’optimiser ces derniers, plusieurs essais avec des durées
de reflux différentes, mais surtout des quantités de réactifs différentes, ont été réalisées. Une
différence de 100 euros par an a été trouvée entre la somme déboursée pour l’ancien TP et
le nôtre (sachant que les coûts de notre manipulation ont été estimés avec des prix trouvés
sur internet, principalement chez Sigma Alrich).
Prix actuel : 50 euros + 10 euros + 4 euros = 64 euros
Nouveau prix : 62,79 + 23,55 + 77 + 7,54 = 170,88 euros
1 https://sante-medecine.journaldesfemmes.fr/fag/52284-chalcone-definition
Figure 2. Tableau récapitulatif des coûts
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3.2. Réalisation expérimentale
Dans le cadre de la recherche d’un protocole le plus efficace et le moins coûteux possible, nous avons effectué plusieurs manipulations au cours des mois.
En effet, le protocole initial proposait une manipulation longue et coûteuse en quantité
de produits. Ainsi, afin de réduire le prix du TP et respecter les restrictions de prix imposées
par le précédent TP, nous devions trouver différentes alternatives afin de modifier cela.
Diverses manipulations ont été effectuées. Tout d’abord, une première manipulation a été
réalisée en suivant directement le protocole, afin de vérifier l’efficacité de la réaction. Cette
synthèse étant trop coûteuse et trop longue, nous avons réalisé deux autres manipulations,
l’une en réduisant les quantités de réactifs par 2, l’autre en réduisant le temps de reflux à
40min. Les 2 réactions ayant fonctionné, nous avons pu arranger le protocole en fonction de
nos différents tests.
En effet, les rendements calculés montrent que diviser la quantité de réactifs de
moitié ainsi qu’effectuer un reflux de seulement 40min est préférable, puisque (base)=56%,
(quantité/2)=54%, et (reflux 40min)=42%.
Néanmoins, d’autres séances de TP furent nécessaires afin de peaufiner le
protocole. En effet nous avons pu profiter de ces séances supplémentaires afin d’essayer
d’autres méthodes moins coûteuses (solvant pour recristallisation, etc.), et ainsi proposer le
protocole le plus efficace possible.
Cependant, nous avons rencontré quelques problèmes durant nos manipulations.
Comme dit précédemment, nous avons suivi 3 différents protocoles lors de nos premières
expériences. Cependant nous n’avions pas prévu le temps que cela prendrait. En effet, nous
pensions qu’en se séparant en plusieurs groupes, le temps des manipulations pour les
différents protocoles ne serait pas affecté, néanmoins le fait était que nous ne connaissions
pas l’expérience. Ainsi nous avons découvert le TP en le faisant, et donc nous avons perdu
beaucoup de temps à comprendre comment le mécanisme fonctionne, pourquoi telle
réaction réagit comme cela, etc.
Nous n’avons donc pas pu avoir une idée réelle du temps du TP, et nous étions donc dans
l’obligation de recommencer l’expérience une nouvelle fois avec cette fois-ci, la
connaissance du TP, de comment il fonctionne, de comment s’organiser, afin d’avoir un
temps précis de manipulation.
Le temps n’était pas le seul problème durant nos premières expériences, puisque nos
manipulations, bien qu’assez faciles à réaliser, n’étaient pas effectués parfaitement, et cela a
grandement affecté notre produit final. Ce sont de légers détails, mais qui peuvent avoir un
impact assez fort sur le résultat de nos manipulations.
Par exemple, après recristallisation de notre produit, le filtrage par Büchner n’a pas été
parfaitement bien réalisé, puisque l’éthanol utilisé pour rincer notre produit était froid, et non
glacé, ce qui a entraîné la dissolution d’une partie de notre produit, et donc une quantité
finale de chalcone moindre, ce qui entraîne une baisse du rendement qui n’a pas lieu d’être.
L’analyse de notre produit final par infrarouge ne fut donc pas concluante, et il était donc
nécessaire de la recommencer sur une synthèse différente de chalcone.
Le second problème de la recristallisation est qu’elle irréalisable dans l'eau, et donc doit
nécessairement être effectuée dans l’éthanol, ce qui augmente le coût du TP.
Néanmoins, nous avons su surmonter ces difficultés afin de proposer un projet cohérent et
réalisable.
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3.3. Analyse des résultats
Après avoir réalisé les différentes manipulations exposées précédemment il nous a
fallu vérifier si les produits obtenus correspondent bien à la chalcone. Cette vérification fut
réalisée grâce à trois méthodes, le point de fusion et les spectres infrarouge et de résonance
magnétique du produit obtenu.
3.3.1. Le point de fusion
Principe :
Le point de fusion est la température de changement d’état entre la phase solide et la
phase liquide. Cette valeur de température est caractéristique d’un composé. Ainsi lors de
l’analyse du produit obtenu la mesure de son point de fusion permet de déterminer sa nature
voire sa pureté.
Classiquement la méthode utilisée pour déterminer le point de fusion d’un produit est
l’utilisation de gradient de température. Dans notre cas, nous avons utilisé un banc Kofler.
Cet équipement est constitué d’une plaque métallique chauffée de manière à y imposer un
gradient de température. On calibre le banc avec une substance donc on est sûr de son
point de fusion et de sa pureté. Ensuite on peut mesurer le point de fusion de l’échantillon
analysé de manière relativement précise.
Attentes :
Lors de la réalisation de cette première méthode d'analyse, nous n’avons aucune
information sur sa pureté de plus on utilise le produit qu’on vient de recristalliser. On peut
donc raisonnablement penser qu’il contient encore de l’éthanol : le solvant, ou des réactifs
non consommés. On s’attend donc à ne pas pouvoir observer un point de fusion net, le
mélange étant hétérogène. Le point de fusion de la chalcone varie selon la composition
isomérique de l’échantillon. On a Tf° = [55 ; 59] °C. Bien qu’il n’y ait pas de raison de penser
que notre réaction de synthèse soit stéréosélective, le solide étant pollué on peut envisager
de garder cet intervalle.
Résultats :
Lors de la mesure de la température de fusion de notre produit au banc Kofler nous
avons bien obtenu un point de fusion dans l’intervalle attendue. Cependant la précision de
cette mesure n’est pas satisfaisante c’est pourquoi nous l’associons aux méthodes
spectroscopiques.
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3.3.2. Spectroscopie infrarouge
Principe :
Pour expliquer la spectroscopie Infrarouge, on se base sur la modélisation de liaison
chimique par un oscillateur harmonique i.e. un système masse-ressort idéal. Les molécules polyatomiques seraient donc des systèmes d'oscillateurs reliés entre-deux par des ressorts de raideur variable. L’absorption des rayonnements électromagnétiques de la région infrarouge vont venir exciter la molécule. Cette excitation et le retour au niveau d’énergie fondamental se traduisent par une vibration des liaisons moléculaires selon différents modes de vibrations à savoir : élongation (stretching), cisaillement (bending), bascule (rocking), agitation hors du plan(wagging) et torsion (twisting).
Dans la pratique on s’intéresse principalement aux modes d’élongation et de cisaillement.
On utilise ainsi l’analyse d’un spectre infrarouge pour faire de l'identification fonctionnelle, la fréquence et l’intensité des pics d’absorption étant caractéristiques de la fréquence. On distingue grossièrement le domaine infrarouge en 3 parties :
• <1000 cm-1 : zone difficile à analyser
• [1000 ; 2000] cm-1 : zone correspondant aux vibrations d’élongation des liaisons sans H.
• >2500 cm-1 : nombre d’onde correspondant à l’élongation des liaison X-H
Attentes :
Pour interpréter le spectre que nous avons réalisé nous avons pris comme référence un tableau (dans son intégralité en annexe) extrait de l’article Synthesis and characterization of Some Chalcon Derivatives2 ainsi que le spectre disponible dans la banque sdbs pour la chalcone.
2.(PDF) Synthesis and characterization of Some Chalcone Derivatives [Internet]. ResearchGate. [cité 3 juin 2019]. Disponible sur:
https://www.researchgate.net/publication/261362560_Synthesis_and_characterization_of_Some_Chalcone_Derivatives
Figure 3. Pics attendus IR
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Résultats :
Nous obtenons le spectre suivant sur lequel nous avons fait apparaître les pics caractéristiques de la chalcone déterminés à l’aide des documents de référence évoqués précédemment.
3.3.3. Spectroscopie de résonance magnétique (RMN)
Principe :
Cette méthode se base sur les propriétés magnétiques de certains noyaux atomiques
possédant un moment magnétique de spin et utilise les transitions possibles entres les
niveaux d’énergie magnétique.
Un spectromètre se compose de :
• Un dispositif permettant d’obtenir un champ magnétique intense • Un tube en rotation contenant l’échantillon en solution • Un émetteur et un détecteur de radiofréquences pour étudier leurs absorptions par
l’échantillon.
Un spectre RMN contient 3 informations : • Le déplacement chimique des signaux en ppm • Les couplages • L’intégration du signal
Le déplacement chimique correspond à la très faible différence entre les fréquences
de résonance magnétique entre un noyau atomique et un second noyau de référence et de
la même espèce chimique qui est due à la distribution des électrons dans son voisinage.
L’intégration du signal permet de déterminer le nombre d’atomes à l’origine d’un pic car la
surface d’un pic et ce nombre sont proportionnels.
Le couplage correspond à l'interaction entre les noyaux voisins non-équivalents ce qui
change l’apparence du signal, c’est à dire le nombre de pics, la multiplicité du signal.
Figure 4. Spectre IR obtenu
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Attentes :
De la même manière que pour les spectres infrarouges, nous comparons les pics
observés sur les spectres des réactifs et du produit pur récupérés dans la banque de données sdbs au spectre obtenu à partir de notre échantillon.
Résultats :
Figure 5. Spectre RMN obtenu
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4. Restitution pédagogique 4.1. Protocole utilisé
4.1.1. Liste du matériel
• Ballon rodé
• Bécher
• Réfrigérant
• Élévateur
• Chauffe-ballon
• Fiole à vide
• Tige en verre
• Pierres ponce
• Graisse
4.1.2. Liste des réactifs
• 2,5 g d’hydroxyde de potassium.
• 10 mL d’éthanol à 80 %.
• 6,0 g d’acétophénone → 1,03 g/cm³ → 5,5mL.
• 5,10 mL de benzaldéhyde pur.
• 15 mL d’eau distillée.
4.1.3. Mode Opératoire
Prélevez 2,5 g d’hydroxyde de potassium à l’aide d’une balance et dissolvez les dans un ballon rodé de 250mL avec 15mL d’eau distillée.
Ajoutez-y 10mL d’éthanol.
Prélevez ensuite 5,5mL d'acétophénone et 5,1mL de benzaldéhyde que vous ajouterez successivement dans le ballon.
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Réalisez un montage à reflux (voir montage ci-dessous) et portez la réaction au reflux 40min.
Cessez de chauffer la réaction et attendez quelques minutes puis refroidissez le tout dans un
bain de glace pendant 40 minutes. Pour voir précipiter la chalcone il est nécessaire de frotter
énergiquement les parois du ballon sans s’interrompre.
Filtrer ensuite les cristaux obtenus sur büchner (voir montage ci-dessous)
Rincez les cristaux dans un premier temps à l’eau glacée, puis à l'éthanol glacé.
Séchez ensuite le produit à l’aide de morceaux papier filtre.
Procédez à une recristallisation dans l’éthanol froid.
Filtrez et séchez le produit à nouveau.
Analysez ensuite le spectre infrarouge et le point de fusion du produit obtenu.
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4.1.4. Mécanisme de la réaction
Voici le mécanisme de la réaction de synthèse de la chalcone mise en œuvre dans ce TP. Il est souhaitable qu’il soit présenté lors des séances de TP en association avec la documentation remise aux élèves afin de parfaire cette introduction à la synthèse organique. En effet il s’agit d’un mécanisme d’aldolisation-crotonisation, cas d’école enseigné en CFI.
Figure 6. Mécanisme de la synthèse de la chalcone
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4.2. Fiche de TP
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5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
Ce projet nous a permis de développer les capacités de travail en groupe de chacun. En effet, hormis la partie de recherches bibliographiques préliminaires, les différentes étapes de ce projet étaient collaboratives. Des petits groupes se sont formés en fonction des atouts de chaque membre. Ces sous-groupes ont été amenés à évoluer en fonction des taches à effectuer. Un autre aspect non négligeable de ce projet est la partie expérimentale. En effet, nous avons pu développer nos capacités d’organisation et de réalisation d’un TP.
Ce projet pourra être amené à évoluer en affinant les différentes quantités de réactifs et les différentes durées de reflux. Du matériel pourra également être acheté afin d’améliorer la précision des résultats, notamment pour le point de fusion.
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6. ANNEXES
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