TP21 Synthèse d’une espèce chimiqueSynthèse d’une espèce chimique

ObjectifsObjectifs de la séance :de la séance :

- Comprendre le rôle de la chimie de synthèse ;- Réaliser la synthèse d’une molécule.

1.1. La synthèse chimique au secours de la natureLa synthèse chimique au secours de la nature

Questions (Les réponses aux questions se feront sur la feuille réponse)

Malgré une opinion fort répandue, les chimistes ne travaillent pas contre la nature. Certaines espèces chimiques naturelles d'origine végétale ou animale sont connues pour leurs propriétés médicinales. Cependant, il est nécessaire de les synthétiser afin de préserver l'environnement. Le Taxotère® en est un exemple.

Q1.Q1. Qu’est-ce qui a poussé les équipes de chercheurs à travailler sur la synthèse du taxol ?Q2.Q2. Citez d’autres espèces chimiques naturelles aux propriétés médicinales connues.Q3.Q3. Supposons qu’un patient ait besoin d’une dose de 400 µmol de taxol tous les 21 jours. Quelle est la masse de taxol (formule brute : C47H51O14N) nécessaire pour traiter ce patient pendant un an ?Q4.Q4. Calculez le nombre d’ifs qu’il faudrait abattre pour traiter ce patient pendant un an.Q5.Q5. Citez trois objectifs d’une synthèse chimique.

2.2. Synthèse d’un arôme de fruitSynthèse d’un arôme de fruit

Montage à reflux

Principe de la synthèse :

L’acide éthanoïque (ou acide acétique) et le 3-méthylbutan-1-ol (ou alcool isoamylique) constituent les matières premières de la synthèse de l’arôme : lorsqu’on fait réagir de l’acide acétique avec de l’alcool isoamylique, on obtient de l’éthanoate de 3-méthylbutyle (ou acétate d'isoamyle) et de l’eau. On peut écrire symboliquement cette transformation :

acide éthanoïque + alcool isoamylique acétate d’isoamyle + eau

Données :

Masse volumique (g.cm3) eb (°C) Solubilité dans l'eau Solubilité dans l'eau saléeAcide acétique 1,05 118 très grande grande3-méthylbutan-1-ol 0,81 128,5 faible très très faibleArôme 0,87 142 très faible très faibleAcide sulfurique 1,84 330 très très grande très grande

Les esters sont responsables du goût et de l’odeur agréable de nombreux fruits et fleurs, et de parfums artificiels. Les parfums naturels et les senteurs doivent leur délicatesse à des mélanges complexes, souvent plus de cent substances. Les parfums artificiels peu coûteux sont souvent constitués d’un seul composé ou d’un mélange très simple.

Protocole expérimental :

Le port de lunettes et de gants de protection est indispensable

Synthèse de l’espèce chimique

Sous la hotte, munis de gants et de lunettes, et à l'aide de la même éprouvette graduée, placer successivement dans un erlenmeyer :

- 20 mL de 3-méthylbutan-1-ol ;- 30 mL d'acide acétique (ou acide éthanoïque) ; - Ajoutez avec précaution une vingtaine de gouttes d'acide sulfurique (H2SO4) concentré ;- Ajoutez quelques grains de pierre ponce.

Placez l’erlenmeyer dans un bain-marie et porter le mélange à ébullition douce pendant 20 minutes ; Après 20 minutes, laissez le mélange refroidir dans le bain-marie puis terminez de refroidir en passant l’erlenmeyer sous l'eau froide ;

Extraction de l’espèce chimique

Ajoutez dans l’erlenmeyer, 100 mL d’une solution saturée de chlorure de sodium ; Agitez le tout et transvasez dans une ampoule à décanter en retenant la pierre ponce ; Séparez et conserver la phase organique (moins dense que la phase aqueuse) ; Ajoutez à la phase organique, restée dans l'ampoule à décanter, 50 mL d’une solution saturée en hydrogénocarbonate de sodium puis agitez doucement tout en dégazant régulièrement ; Laissez décanter et recueillir la phase organique dans un nouvel erlenmeyer.

Purification de la phase organique

Ajouter à la phase organique 3 ou 4 spatules de sulfate de magnésium anhydride , Boucher, agitez doucement puis filtrez.Pendant le chauffage, répondez aux questions suivantes :

Q6.Q6. Légendez le schéma du montage expérimental.Q7.Q7. À quoi sert l’élément du montage ? Que se passerait-il s’il n’était pas présent ?Q8.Q8. Pourquoi faut-il chauffer ?Q9.Q9. Pourquoi le réfrigérant doit-il rester ouvert à son extrémité supérieure.Q10.Q10. Dessinez l'ampoule à décanter lors de la phase d’extraction de l’espèce chimique et y placer la phase aqueuse et la phase organique.Q11.Q11. Quelle est l'odeur de la molécule synthétisée ?Q12.Q12. Que peut-on proposer pour analyser le résultat de la synthèse et vérifier qu’il s’agit bien de l’espèce chimique attendue ? Question facultative (non notée) Q13.Q13. Expliquez en une phrase l’intérêt du chauffage à reflux.

L’arôme obtenu n’est pas celui qui existe véritablement dans la nature, la molécule est simplifiée.

Questions (Les réponses aux questions se feront sur la feuille réponse)

Les esters sont responsables du goût et de l’odeur agréable de nombreux fruits et fleurs, et de parfums artificiels. Les parfums naturels et les senteurs doivent leur délicatesse à des mélanges complexes, souvent plus de cent substances. Les parfums artificiels peu coûteux sont souvent constitués d’un seul composé ou d’un mélange très simple.

3.3. Synthèse d’un savonSynthèse d’un savon

Une bonne santé passe par une bonne hygiène. Le savon est depuis toujours le produit-phare de l’hygiène. En faisant réagir de l’huile alimentaire avec une solution d’hydroxyde de sodium (ou « soude »), il est possible de synthétiser un savon.

Protocole expérimental :

Le port de lunettes et de gants de protection est indispensable

Synthèse de l’espèce chimique

Dans un ballon de 500 mL, introduire lentement (avec protection) :

- Un volume de 11 mL d’huile mesuré avec une éprouvette graduée ;- Un volume de 20 mL de solution alcoolique de soude à 4,0 mol.L-1 mesuré avec une éprouvette graduée ;- Un volume de 10 mL d’éthanol prélevé avec l’éprouvette qui a contenue l’huile ;- Introduire quelques grains de pierre ponce puis agiter avec précaution pour homogénéiser le mélange.

Placez le ballon dans le chauffe-ballon, adaptez le réfrigérant à eau et chauffez à reflux pendant 15-20 minutes en maintenant une ébullition douce à l’aide du thermostat ;

Traitement (opération de relargage)

Préparez dans un bécher une solution contenant 100 mL d’eau froide et 20 g de chlorure de sodium ; À la fin du chauffage, versez avec précaution le mélange chaud dans le bécher d’eau salée froide. Écrasez les grumeaux de savon formés et bien agiter (éventuellement avec un agitateur magnétique) ;

Opération de filtration

Filtrez le mélange obtenu à l'aide d'un filtre Büchner de grand diamètre (la filtration est difficile et les pores du papier se bouchent facilement). Mesurez l’acidité du filtrat à l’aide d’un papier pH.

Opération de lavage

Reversez le savon dans 100 mL d'eau salée froide, en perdant un minimum de produit. Mesurez à nouveau le pH du filtrat. Lavez à l'eau glacée le savon dans le filtre Büchner. Mesurez le pH. Il doit être compris entre 9 et 10. Laissez sécher le savon.

CE SAVON NE DOIT PAS ÊTRE UTILISÉ POUR SE LAVER LES MAINS CAR IL CONTIENT ENCORE BEAUCOUP TROP DE SOUDE ET EST DONC TRÈS CAUSTIQUE.

Pendant le chauffage, répondez aux questions suivantes :

Questions

(Les réponses aux questions se feront sur la feuille réponse)

Q14.Q14. Légendez le schéma du montage expérimental.Q15.Q15. Expliquez le rôle de la pierre ponce.Q16.Q16. L’espèce chimique obtenue pourrait-elle être utilisée comme savon sans traitement préalable ? Justifiez votre réponse.Q17.Q17. Comment pourrait-on vérifier que l’espèce chimique synthétisée et bien celle attendue ?

4.4. ConclusionConclusion

En conclusion, vous indiquerez les principaux avantages de la synthèse d’espèces chimiques que l’on trouve dans la nature et vous donnerez quelques exemples de techniques de synthèse.

FEUILLE REPONSE1.1. La synthèse chimique au secours de la natureLa synthèse chimique au secours de la nature

Réponses aux questions :

Q1.Q1.

2.2. Synthèse d’un arôme de fruitSynthèse d’un arôme de fruit

Q6.Q6. Montage expérimental à légender :

:

:

:

:

:

:

:

:

Réponses aux questions :

Q7.Q7.

3.3. Synthèse d’un savonSynthèse d’un savon

Q14.Q14. Montage expérimental à légender :

:

:

:

:

:

:

:

:

:

Réponses aux questions :

Q15.Q15.

4.4. ConclusionConclusion

CORRECTIONCORRECTION1.1. La synthèse chimique au secours de la natureLa synthèse chimique au secours de la nature

Q1.Q1. La demande en taxol était forte car cette espèce chimique permet de détruire les cellules cancéreuses. Cependant, pour extraire cette espèce de l’if du Pacifique, il fallait une grande quantité d’arbustes centenaires. Les chercheurs ont été conduits à travailler sur la synthèse du taxol pour obtenir une quantité de taxol qui ne soit pas limitée par la quantité d’ifs disponibles. (3 × 0,5 pt)

Q2.Q2. Les exemples sont nombreux. On peut citer l’acide salicylique, le camphre, le menthol, l’eucalyptol (d’origine végétale), les vaccins, l’insuline (d’origine animale). (1 pt)

Q3.Q3. Traitement du patient : Il faut environ 17 doses (365 21) de taxol par an.

M(C47H51O14N) n(C47H51O14N ) m(C47H51O14N )

853 g.mol–1 17,3 400.10–6 = 6,95 mmol 5,93 g (2 × 0,5 pt)

Q4.Q4. On sait que 6 ifs permettent d’obtenir 2 g de taxol donc pour obtenir 5,93 g de taxol, il faut abattre (5,93 2) 6 18 ifs. (1 pt)

Q5.Q5. La synthèse d’une espèce chimique répond à trois objectifs :

- Rendre le traitement plus efficace : les chimistes innovent en synthétisant des molécules proches des molécules naturelles et qui se révèlent plus efficaces ; (0,5 pt)

- Rendre le traitement plus abordable : l’extraction d’espèces chimiques naturelles est onéreuse ; la synthèse est plus économique ; (0,5 pt)

- Préserver l’environnement : devant la demande mondiale, l’extraction d’espèces chimiques naturelles serait une catastrophe écologique si ces espèces n’étaient pas synthétisées. (0,5 pt)

2.2. Synthèse d’un arôme de fruitSynthèse d’un arôme de fruit

Réponses aux questions :

Q6.Q6. Montage expérimental à légender : (8 × 0,5 pt)

: Agitateur magnétique chauffant

: Barreau aimanté

: Cristallisoir

: Eau chaude

: Mélange réactionnel

: Erlenmeyer

: Réfrigérant à air

: Support

Q7.Q7. Le réfrigérant à air sert à liquéfier les vapeurs des substances qui s’échappent du tube à essai (1 pt) ; une fois liquide, ces substances retombent dans le tube à essai et ainsi aucune substance ne peut s’échapper du montage. Il sert également à éviter une surpression (suite au chauffage) à l’intérieur de l’erlenmeyer (1 pt).

Q8.Q8. Il faut chauffer pour accélérer le déroulement de la réaction. (1 pt)

Q9.Q9. Pour que l’expérience se déroule à la pression atmosphérique. S’il était fermé, le chauffage provoquerait une surpression à l’intérieur du système qui pourrait exploser. (1 pt)

Q10.Q10. Schéma légendé de l’ampoule à décanter : (2 pts)

Q11.Q11. L’ester synthétisé a une odeur de banane, il s'agit d'acétate d'isoamyle (ou éthanoate de 3-méthylebutyle). (0,5 pt)

Q12.Q12. On peut utiliser la chromatographie sur couche mince pour identifier l’ester formé : puisque que le produit obtenu ne contient que de lester alors il n’y aura qu’une seule tache sur le chromatogramme pouvant être identifié en comparaison avec l’espèce chimique pure comme témoin. (NN)

Q13.Q13. Le chauffage à reflux est utilisé pour accélérer, ou permettre, une réaction chimique sans perte de réactifs ou de produits :

- Il permet de travailler à température élevée et ainsi d’accélérer la réaction chimique ; (1 pt)

- Il permet d’éviter les pertes de réactifs et de produits. Les réactifs et les produits qui se vaporisent retombent dans le mélange réactionnel lorsqu’ils se condensent. (1 pt)

3.3. Synthèse d’un savonSynthèse d’un savon

Réponses aux questions :

Q14.Q14. Montage expérimental à légender :

: Support élévateur

: Pierre ponce

: Mélange réactionnel

: Chauffe-ballon

: Ballon à fond rond

: Entrée d’eau froide

: Réfrigérant à eau ou à boule

: Sortie d’eau tiède

: Support

Q15.Q15. La pierre ponce permet d’homogénéiser l’ébullition.

Q16.Q16. L’espèce chimique obtenue contient encore de soude : produit corrosif qui peut provoquer des brûlures :

Brûlure chimique après exposition à une solution d'hydroxyde de sodium.

Q17.Q17. On peut, par exemple, déposer une spatule du solide obtenu dans un récipient contenant de l’eau et vérifier s’il forme de la mousse comme un savon.

4.4. ConclusionConclusion

Les espèces chimiques naturelles sont synthétisées pour des raisons économiques et écologiques. On peut synthétiser une espèce naturelle par estérification (arôme de banane), une espèce synthétique par saponification (savon) ou par polymérisation (nylon 6-6).

COMPLEMENTSSynthèse d’un polymère : le nylon 6-6

La forte effervescence qui se produit est due au dioxyde de carbone qui se dégage lors de la réaction acido-basique :

HCO3– + CH3COOH CO2 + H2O + CH3COO–

Les ions éthanoate étant plus solubles dans l’eau que dans la phase organique, celle-ci est donc lavée de l’acide éthanoïque qu’elle contenait.

Sources de l’activitéSources de l’activité

Activité n°1 p46 (NATHAN 2nd, Collection SIRIUS)

Site internet : http://scphysiques2010.voila.net/2dch09c.htm