TD – Stratégie de la synthèse organique

Les parties I à IV portent sur l’analyse de deux protocoles expérimentaux différents : l’un permet d’obtenir un produit solide, l’aspirine, et le second un produit liquide, l’essence de Wintergreen.
Protocoles expérimentaux de deux synthèses organiques. L’aspirine (acide acétylsalicylique) est une substance active aux propriétés analgésiques et anti-inflammatoires. C’est le médicament le plus consommé au monde.

Protocole A : synthèse de l’aspirine

■ (Al) Dans un ballon monocol de 100 mL, introduire une masse d’acide salicylique de6,0 g. Ajouter un volume de 12 mL d’anhydride éthanoïque et 5 gouttes d’acide sulfurique concentré. Adapter un réfrigérant à eau sur le ballon et placer le milieu réactionnel sous agitation magnétique. Chauffer à 70 °C pendant 20 minutes à partir du moment où la solution est limpide.
■ (A2) Refroidir ensuite le contenu du ballon avant de le verser doucement et sous agitation dans un bécher contenant un mélange eau-glace (75 g). Attendre que le produit cristallise. Essorer le solide obtenu sur Büchner, le laver deux fois à l’eau glacée. Récupérer le solide et le sécher dans une étuve à 80 °C.
■ (A3) Mesurer la température de fusion du produit brut synthétisé. Réaliser une chromatographie sur couche mince (dépôts : acide salicylique, produit brut, cachet d’aspirine ; éluant: mélange de 6 mL d’acétate de butyle, 4 mL de cyclohexane et 2 mL d’acide méthanoïque).
■(A4) Recristalliser si nécessaire 5 g de produit brut dans environ 15 mL d’un mélange équivolumique éthanol I eau. Pour cela, introduire le brut réactionnel dans un ballon surmonté d’un réfrigérant. Le dissoudre dans le mélange de solvants porté à ébullition. Laisser ensuite refroidir lentement à température ambiante, puis dans un bain de glace. Essorer le solide obtenu sur Büchner. Le sécher sur Büchner puis dans une étuve à 80 °C et le peser.
■ (A5) Mesurer la température de fusion du produit purifié. Vérifier la pureté du produit grâce à une C.C.M. L’essence de Wintergreen (salicylate de méthyle) peut être extraite d’un petit buisson appelé Gaultheria Procumbens. D’odeur agréable, elle est utilisée en parfumerie.

Protocole B: synthèse de l’essence de Wintergreen

■ (B1) Dans un ballon monocol de 100 mL placé sous une sorbonne (hotte), introduire une masse d’acide salicylique de 5,0 g. Ajouter un volume d’environ 25 mL de méthanol puis, lentement, 4 mL d’acide sulfurique concentré. Refroidir si nécessaire. Adapter un réfrigérant à eau sur le ballon et placer le milieu réactionnel sous agitation magnétique. Chauffer à reflux pendant 2 heures.
■ (B2) Laisser ensuite refroidir le contenu du ballon à température ambiante. Ajouter 25 mL d’eau glacée et transvaser le tout dans une ampoule à décanter. Extraire deux fois la phase aqueuse avec environ 15 mL de cyclohexane. Réunir les phases organiques. Effectuer un lavage de la phase organique avec 25 mL d’une solution d’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO3) à 5%, dans un grand erlenmeyer. Un fort dégagement gazeux se produit. Puis, dans l’ampoule à décanter, effectuer un lavage de la phase organique avec 25 mL d’eau. Vérifier que le pH de la phase aqueuse se situe autour de 7. Recueillir la phase organique. La sécher avec du sulfate de magnésium anhydre. Filtrer sur papier plissé en récupérant le filtrat dans un ballon taré de 100 mL. Évaporer le solvant sous pression réduite grâce à un évaporateur rotatif.
■ (B3) Mesurer l’indice de réfraction du produit.
■ (B4) Réaliser si nécessaire une distillation du liquide obtenu.
■ (B5) Mesurer l’indice de réfraction du produit purifié.

Identifier les espèces chimiques mises en jeu

Identifions les espèces chimiques mises en jeu dans les protocoles A et B, ainsi que leur quantité de matière.
• L’équation de la réaction réalisée lors du protocole A est la suivante:
acide acétylsalicylique
• L’équation de la réaction réalisée lors du protocole B est la suivante:

 Identifier les espèces chimiques mises en jeu

1- Identifier les réactifs de chacune des synthèses décrites dans les protocoles A et B.
Retrouver leur formule à partir de l’équation de la réaction.
2- Nommer le produit d’intérêt pour chacune des synthèses envisagées. Quel est le sous-produit formé? Retrouver leur formule à partir de l’équation de la réaction.
3- Quel est le rôle de l’acide sulfurique concentré utilisé dans chacune des synthèses? Comment cette espèce chimique apparaît-elle dans l’écriture de l’équation de réaction?
4- Citer deux caractéristiques d’un solvant. Un réactif peut-il également jouer le rôle de solvant?

 Déterminer les quantités de matière mises en jeu

1- On peut lire sur la bouteille d’acide sulfurique concentré utilisée: «98 % (en masse); masse volumique 1,84 kg.L-1 ».
Calculer la quantité d’acide sulfurique H2SO4 par litre de liquide.
2- Recopier et compléter le tableau suivant, correspondant à l’introduction des espèces chimiques pour le protocole A.
3- Après calcul des quantités de matière introduites, retrouver le rôle respectif des différentes espèces chimiques introduites lors du protocole A.
Espèce chimique introduite
État
physique Masse m (en g) ou volume V(en mL) introduit M
(en g.mol-1) Masse volumique
(en kg.L-1) Quantité de matière n introduite (mol)
acide salicylique 6,0 g 138,1
anhydride éthanoïque 12 mL 102,1 1,05
acide sulfurique concentre 0,25 mL 98,1 1,84
Un solvant est-il introduit lors de cette synthèse?
Quel est le réactif limitant?
Lors d’une synthèse, on obtient 6,2 g d’aspirine. Calculer le rendement de la transformation.

BILAN

Avant toute manipulation, on identifie, à l’aide du protocole, le rôle des espèces chimiques mises en jeu (réactifs, solvant ou catalyseur). On détermine ensuite les quantités de matière introduites et le réactif limitant, ce qui permettra de calculer le rendement de la synthèse organique.
– Comment reconnaître un réactif?
Un réactif se trouve à l’état solide ou liquide. Il s’écrit à gauche de la flèche dans l’équation de réaction.
– Comment reconnaître un solvant?
Un solvant est introduit en grande quantité par rapport aux autres espèces chimiques. Il se trouve à l’état liquide et permet de solubiliser les réactifs.
(Attention: un solvant peut aussi être un réactif!) Il existe un nombre limité de solvants (exemples: eau, éthanol, méthanol, cyclohexane).
– Comment reconnaître un catalyseur?
La plupart des synthèses organiques utilisent un catalyseur. Celui-ci est en général introduit en petite quantité par rapport aux autres espèces chimiques. Il se trouve à l’état liquide ou solide. Le solvant et le catalyseur sont souvent écrits au-dessus de la flèche dans l’équation de la réaction.