TP21
Synthèse d’une espèce chimique
Objectifs de la séance :
· Comprendre le rôle de la chimie de synthèse ;
· Réaliser la synthèse d’une molécule.
1. La synthèse chimique au secours de la nature
(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.)
((Les réponses aux questions se feront sur la feuille réponse))
(Questions)
(Q1. Qu’est-ce qui a poussé les équipes de chercheurs à
travailler sur la synthèse du taxol ?Q2. Citez d’autres
espèces chimiques naturelles aux propriétés médicinales connues.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. Calculez le nombre d’ifs qu’il faudrait abattre
pour traiter ce patient pendant un an.Q5. Citez trois objectifs
d’une synthèse chimique.)
2. Synthèse d’une huile essentielle
(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. L'acétate de linalyle est utilisé
principalement en parfumerie : on le trouve ainsi dans
plusieurs parfums, cosmétiques, shampooings, savons et produits
nettoyants. Mais on le trouve aussi ajouté à certains aliments,
comme arôme artificiel ou flaveur. )
Montage à reflux
Principe de la synthèse :
Le linalol et l’anhydride acétique sont deux espèces chimiques
issues de l’industrie chimique. Ils constituent les matières
premières de la synthèse de l’huile essentielle de lavande :
lorsqu’on fait réagir de l’anhydride éthanoïque avec du linalol, on
obtient de l’acétate de linalyle (ou acétate de
3,7-diméthyl-1,6-octadièn-3-ol) et de l’acide acétique. On peut
écrire symboliquement cette transformation :
C4H6O3
+
C10H18O
C12H20O2
+
C2H4O2
Anhydride
éthanoïque
Linalol
Acétate
de linalyle
Acide
acétique
Données :
Linalol
Anhydride éthanoïque
Acétate de linalyle
Acide acétique
Densité
0,87
1,08
0,89
1,18
eb (°C)
199
139,5
220
85
Solubilité dans l'eau
Assez faible
Très soluble
Très faible
Très soluble
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 bien sèche, placer successivement dans un
ballon bien sec :
· 5 mL de linalol ;
· 10 mL d'anhydride acétique ;
· Ajoutez quelques grains de pierre ponce.
Placer le plus rapidement possible le réfrigérant à boules sur
le ballon et faire circuler l’eau (à faible débit) ;
Placez le ballon dans un bain-marie et porter le mélange à
ébullition douce pendant 35 minutes ;
Après 35 minutes, arrêter le chauffage et retirer le ballon du
bain-marie. Laisser refroidir quelques minutes puis terminez de le
refroidir en le plongeant dans un cristallisoir rempli, à moitié,
d’eau froide ;
Extraction de l’espèce chimique
Retirer le réfrigérant à boules et ajoutez, doucement et par
petites quantités, dans le ballon, 25 mL d’eau froide ;
Boucher puis 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,
attendre quelques minutes pour que le dégagement gazeux se
ralentisse. Fermer l'ampoule à décanter et agiter pour mettre en
contact les phases en n'oubliant pas de dégazer l'ampoule à
décanter plusieurs fois (écouter les consignes du professeur).
Laisser décanter.
Éliminer la phase aqueuse et laver de nouveau la phase organique
avec 20 mL d'eau.
Laisser décanter, éliminer la phase aqueuse et verser la phase
organique dans un erlenmeyer propre, sec et bouché.
Séchage de la phase organique
Ajouter, à la phase organique, 3 ou 4 spatules de sulfate de
magnésium anhydride, boucher et agitez doucement.
Laisser décanter puis filtrez ou recueillir la phase organique
surnageant dans un flacon fermé.
Conserver le liquide obtenu pour réaliser une chromatographie
sur couche mince (ou CCM).
Pendant le chauffage, répondez aux questions
suivantes :
(Questions)
((Les réponses aux questions se feront sur la feuille
réponse))
(Q6. Légendez le schéma du montage expérimental.Q7. À quoi sert
l’élément du montage ? Que se passerait-il s’il n’était pas présent
?Q8. Pourquoi faut-il chauffer ?Q9. Pourquoi le réfrigérant doit-il
rester ouvert à son extrémité supérieure.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. Quelle est
l'odeur de la molécule synthétisée ?Q12. Que peut-on proposer pour
analyser le résultat de la synthèse et vérifier qu’il s’agit bien
de l’espèce chimique attendue ?Q13. Expliquez en une phrase
l’intérêt du chauffage à reflux.)
3. Contrôle qualité
Une fois la phase organique, de l’expérience précédente, isolée,
il faut vérifier qu’elle contient bien l’acétate de linalyle qu’on
souhaitait obtenir. Pour cela, nous allons comparer par CCM le
produit de synthèse préparé à l’huile essentielle de lavande
extraite par hydrodistillation lors du TP de même nom. L’éluant
utilisé est un mélange de cyclohexane et d’éther diéthylique.
(Le rapport frontal Rf d’une espèce chimique, dans un éluant
donné et sur un support donné, est défini par : )
(ChromatogrammehHLigne de dépôtFront de l’éluant)
Avant de poursuivre, consultez la fiche intitulée
« Protocole scientifique de la chromatographie »
Protocole expérimental :
Préparez une plaque pour chromatographie ou un papier filtre
(voir le protocole de la chromatographie) ;
En suivant les consignes du protocole de la chromatographie,
réaliser quatre dépôts sur la plaque :
· Un dépôt A : linalol pur dilué dans un peu
d’éluant ;
· Un dépôt B : l’acétate de linalyle du commerce (qui sert
de référence), en solution dans l’éluant.
· Un dépôt C : l’acétate de linalyle synthétisé (2 gouttes
dans 1 mL d’éluant)
· Un dépôt D : l’huile essentielle de lavande du TP n°18
(Extraction d’espèces chimiques par hydrodistillation).
Placez la plaque dans une cuve à élution et attendre la fin de
l’élution ;
Retirer la plaque et repérer au crayon le front de
l’éluant ;
Sécher la plaque à l’air pis révéler le chromatogramme à l’aide
d’une solution de permanganate de potassium.
((Les réponses aux questions se feront sur la feuille réponse))
(Questions)
(Q14. Identifier les taches sur le chromatogramme.Q15. Que
révèle le chromatogramme quant à la composition du produit de
synthèse ?Q16. Calculez les rapports frontaux de toutes les
espèces chimiques (complétez le tableau du compte rendu).Q17.
Comparer l’huile essentielle du TP et le produit de synthèse
(pureté).)
4. Conclusion
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.
(4)
Protocole scientifique de la chromatographie
(Principe : La chromatographie est une méthode physique de
séparation, basée sur les différences d’affinité des espèces
chimiques étudiées pour deux phases : la phase fixe ou
stationnaire (papier filtre ou gel de silice) et la phase mobile
(appelée « éluant »).L’éluant (solvant pur ou mélange de
solvants) entraîne les espèces chimiques à analyser alors que la
phase fixe les retient. Cette migration constitue l’élution.)
Protocole pour 3 dépôts:
· (2 cm Dépôts)Prendre une plaque à chromatographie ou du papier
filtre et tracer un grand trait fin horizontal au crayon de papier
à 2 cm du bord inférieur. NE PAS APPUYER.
· A l’aide d’une pointe en bois (cure-dent), déposer sur le
grand trait horizontal, une ou deux gouttes de chaque substance.
Laisser 1 cm entre chaque dépôt.
· [Sauter cette étape pour une plaque à chromatographie] Percer
le haut de la bandelette avec une tige en bois qui servira de
support.
· Verser de l’eau salée dans le récipient (sans mettre la
bandelette) afin que l’eau touche le papier mais pas les
dépôts.
· Mettre la bandelette (ou la plaque), avec son support (tige en
bois), dans le récipient en veillant à ce que les dépôts ne soient
pas en contact avec l’eau salée. (voir schéma ci-dessous)
· Attendre quelques minutes, sans agiter le bocal, afin que
l’eau s’élève dans le papier filtre (ou dans le gel de silice).
· Retirer le papier juste avant que le liquide atteigne la tige
en bois.
(Papier filtre)
(ChromatogrammeRécipientTige en bois)
(Chromatogramme) (Récipient) (Tige en bois) (Niveau del’eau
salée)
Vue de dessus
Vue de face
FEUILLE REPONSE
1. La synthèse chimique au secours de la nature
Réponses aux questions :
Q1.
2. Synthèse d’un arôme de fruit
Q6. Montage expérimental à légender :
:
:
:
:
:
:
:
:
Réponses aux questions :
Q7.
3. Contrôle qualité
Collez ici votre
chromatogramme
Observation(s) : (notez ce que vous observez sur votre
chromatogramme)
Réponses aux questions :
Q14 & Q15 Répondre sur le chromatogramme ou dans la partie
observation(s) ci-dessus.
Q16. Calculs des rapports frontaux : (8 0,5 pt)
Espèces chimique
Distance h (en cm)
Rapport frontal Rf
Linalol
Acétate de linalyle du commerce
Acétate de linalyle synthétisé
Huile essentielle de lavande du TP
Q17.
4. Conclusion
CORRECTION
1. La synthèse chimique au secours de la nature
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.
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).
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
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.
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 ;
· Rendre le traitement plus abordable : l’extraction d’espèces
chimiques naturelles est onéreuse ; la synthèse est plus économique
;
· Préserver l’environnement : devant la demande mondiale,
l’extraction d’espèces chimiques naturelles serait une catastrophe
écologique si ces espèces n’étaient pas synthétisées.
2. Synthèse d’un arôme de fruit
Réponses aux questions :
Q6. Montage expérimental à légender :
: Agitateur magnétique chauffant
: Barreau aimanté
: Cristallisoir
: Eau chaude
: Mélange réactionnel
: Erlenmeyer
: Réfrigérant à air
: Support
Q7. Le réfrigérant à air sert à liquéfier les vapeurs des
substances qui s’échappent du tube à essai ; une fois liquide, ces
substances retombent dans le tube à essai et ainsi aucune substance
ne peut s’échapper du montage.
Q8. Il faut chauffer pour accélérer le déroulement de la
réaction.
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.
Q10. Schéma légendé de l’ampoule à décanter :
Q11. L’ester synthétisé a une odeur de banane, il s'agit
d'acétate d'isoamyle (ou éthanoate de 3-méthylebutyle).
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.
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 ;
· 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.
3. Synthèse d’un savon
Réponses aux questions :
Les réponses dépendent des résultats expérimentaux.
4. Conclusion
Les espèces chimiques naturelles sont synthétisées pour des
raisons économiques et écologiques. On peut synthétiser une espèce
naturelle par estérification (odeur de lavande). On peut aussi
fabriquer une espèce synthétique par saponification (savon) ou par
polymérisation (nylon 6-6).
COMPLEMENTS
Synthèse 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’activité
Activité n°1 p46 (NATHAN 2nd, Collection SIRIUS)
Site internet :
http://scphysiques2010.voila.net/2dch09c.htm
hdistance parcourue par l'espèce chimiq
ue
h
R Hdistance parcourue par le fro
nt de l'éluant
H
Rrapport frontal (sans unité)
f
f
=
==
=
