Synthèses organiques

1Les quatre étapes d’une synthèse

Définition. Synthétiser une espèce chimique, c’est la fabriquer au laboratoire à partir de réactifs. Un protocole comporte toujours quatre étapes dans cet ordre : transformation, séparation, purification, analyse.

Notation. On distingue une espèce naturelle (extraite d’un organisme vivant ou d’un minéral) d’une espèce synthétique (fabriquée) ; une espèce synthétique peut être identique à l’espèce naturelle, ou artificielle si elle n’existe pas dans la nature. Une synthèse permet de produire en grande quantité, à moindre coût, une espèce rare ou difficile à extraire.

2Transformation : le chauffage à reflux

Méthode — chauffage à reflux. on chauffe le mélange réactionnel, contenu dans un ballon surmonté d’un réfrigérant à eau (entrée d’eau par le bas, sortie par le haut, extrémité supérieure ouverte). Élever la température accélère la transformation ; les vapeurs formées se condensent dans le réfrigérant et retombent dans le ballon : aucune espèce ne s’échappe, la composition du mélange est conservée. Quelques grains de pierre ponce (ou un barreau aimanté) régularisent l’ébullition ; le support élévateur permet d’interrompre le chauffage immédiatement.

Remarque. On peut aussi accélérer une transformation en augmentant les concentrations des réactifs ou en ajoutant un catalyseur ; l’un des réactifs est souvent introduit en excès pour consommer entièrement le plus coûteux.

3Séparation et purification

Méthode — séparer le produit du mélange. extraction liquide-liquide dans une ampoule à décanter (choix d’un solvant non miscible dans lequel le produit est très soluble), décantation, lavage de la phase organique (élimination des espèces solubles dans l’eau), séchage sur un solide anhydre ($\ce{MgSO4}$, $\ce{Na2SO4}$) ; pour un produit solide, filtration simple ou sous vide (büchner).

Méthode — purifier le produit. un liquide se purifie par distillation fractionnée : on recueille séparément les fractions, chacune correspondant à un palier de température égal à la température d’ébullition d’une espèce. Un solide se purifie par recristallisation : on le dissout dans un minimum de solvant chaud, puis on refroidit lentement ; le produit, peu soluble à froid, cristallise tandis que les impuretés, plus solubles, restent dissoutes. On filtre et on sèche.

4Analyse : le produit est-il le bon, est-il pur ?

Méthode — chromatographie sur couche mince. sur la plaque, on dépose sur la ligne de dépôt le produit et des références, on place la plaque dans la cuve (le niveau de l’éluant reste sous la ligne de dépôt), puis on révèle. Le rapport frontal $R_f=\dfrac{h}{H}$ ($h$ : distance parcourue par l’espèce, $H$ : par le front de l’éluant, depuis la ligne de dépôt) est caractéristique d’une espèce dans un éluant donné : deux taches de même hauteur signent la même espèce, et une espèce pure ne donne qu’une seule tache.

Méthode — température de fusion. au banc Kofler (étalonné au préalable), on lit la température à la limite entre la poudre et le liquide. Un produit pur fond à une température nette, égale à la valeur tabulée ; une impureté abaisse cette température et élargit l’intervalle de fusion. Le spectre infrarouge confirme la présence du groupe caractéristique attendu et l’absence de celui du réactif.

5Rendement d’une synthèse

Définition. Le rendement $\eta$ compare la quantité de produit réellement obtenue à la quantité maximale attendue :

$n_{\max}$ se déduit du réactif limitant par le tableau d’avancement. Pour un réactif liquide : $m=\rho\,V$ avec $\rho=d\times\rho_{\text{eau}}$, puis $n=m/M$.

Remarque. $\eta<1$ à cause des transformations non totales, des réactions parasites et des pertes à chaque manipulation (transvasements, extraction incomplète, cristaux restés en solution). Pour une synthèse en plusieurs étapes, les rendements se multiplient.

6Savoir-faire du chapitre

7Exemples types