Choix raisonné d'un protocole expérimental en chimie organique - Maxicours

Choix raisonné d'un protocole expérimental en chimie organique

Objectifs
Voir les différentes étapes d’une synthèse en chimie organique. Expliquer que le choix des éléments intervenant dans le protocole expérimental obéisse à des « règles » bien précises. Amener ainsi l’élève à réfléchir sur la manière de mener correctement une manipulation, et d’établir lui-même le protocole expérimental, en pouvant justifier ses choix.
1. La synthèse
Pour que la synthèse chimique se fasse de manière optimale, on réfléchira en amont aux points suivants :

Choix des réactifs : plusieurs réactifs différents peuvent permettre la synthèse du composé voulu. Le choix peut être dicté par des considérations économiques : préférer un réactif plutôt qu’un autre en fonction de son prix. Suivant la quantité à synthétiser, on estimera alors les quantités de réactifs nécessaires. Le réactif le plus cher devrait être le réactif limitant.
Utilisation d’un solvant approprié. Si les deux réactifs ne sont pas miscibles, le solvant doit pouvoir les faire coexister dans une phase commune.
Aspects sécurité et environnemental en ce qui concerne le choix des réactifs et solvants. Éviter si possible tout produit dangereux, toxique, nuisible pour l’environnement. Sinon, prendre les précautions d’usage : hôte aspirante, récupération des déchets dans des bacs appropriés, etc.
La réaction en elle-même. Des réactions totales sont souvent préférables, car elles évitent le gaspillage de réactifs. D’autre part, une réaction rapide est idéale, car elle minimise le temps de la manipulation. Si ce n’est pas le cas, il faut l’accélérer.
Utilisation éventuelle d’un catalyseur. Le coût, l’efficacité et l’état physique (poudre, liquide …) sont des aspects à prendre en compte.
Chauffage du milieu réactionnel, là aussi pour accélérer la réaction. Il convient alors d’estimer l’intensité de chauffage requise. Un chauffage insuffisant induira un rendement faible et/ou un temps de réaction trop long. Un chauffage excessif présente un risque d’emballement de la réaction, de perte de réactifs par ébullition trop forte, de dénaturer les composés utilisés (SVT) et un gaspillage énergétique.

Selon l’intensité de chauffage requis, deux montages sont envisageables :

Le chauffage à reflux dans le cas d’un chauffage soutenu.
Exemple : synthèse d’un ester avec un acide et un alcool.


Le rôle de la pierre ponce est de favoriser la formation de bulles, ce qui permet de réguler le chauffage (quand il y a ébullition, la température se stabilise). Le support élévateur permet de faire descendre le chauffe-ballon, et ainsi de stopper rapidement le chauffage en cas de besoin.

Un chauffage au bain-marie, dans le cas d’un chauffage modéré, à température contrôlée. Exemple : synthèse de l’aspirine ou du paracétamol.


Pour les deux montages, le rôle du réfrigérant est de condenser les vapeurs de réactifs, afin qu’elles retournent dans le milieu réactionnel. L’efficacité d’un réfrigérant dépend de son type : réfrigérant à boules très efficace, réfrigérant à air moins performant.

2. L'extraction
Une fois la réaction de synthèse terminée, on cherche à récupérer l’espèce chimique souhaitée. Selon son état physique final (solide, liquide) et selon ses propriétés physico-chimiques (par rapport aux autres espèces chimiques présentes dans le milieu), diverses stratégies peuvent être considérées :

Extraction liquide-liquide, pour récupérer une espèce chimique se présentant sous forme liquide, se trouvant elle-même en phase liquide. Le principe de la manipulation est de laisser reposer la solution dans une ampoule à décanter. Il se forme alors deux phases, souvent une phase aqueuse et une phase organique.


Deux cas possibles :
→ L’espèce chimique à extraire présente une densité assez différente de celle de l’autre phase. Exemple : un ester par rapport à l’eau. On récupèrera alors la phase organique formée par l’ester.
→ On rajoute un solvant de telle manière que l’espèce chimique à extraire présente de fortes affinités avec notre solvant, mais peu avec le reste de la solution. On récupèrera la phase formée par le solvant. Naturellement, cela suppose que ledit solvant ait une densité assez différente de celle du reste de la solution.

Filtration sous vide avec entonnoir Büchner, pour extraire une espèce chimique solide se trouvant dans la solution. A l’aide d’un papier filtre et de l’aspiration créée par le montage, la phase solide et la phase liquide sont séparées.


La solubilité de l’espèce solide dépend de la température. Souvent, elle a tendance à diminuer à basses températures. Ainsi, en refroidissant la solution à traiter avant filtration Büchner, l’espèce à extraire cristallise, ce qui rend possible son extraction.

Pour ces deux méthodes, on peut quelquefois favoriser la séparation entre phases ou solide/liquide par relargage. Par exemple, lors de la fabrication d’un savon (saponification), cela consiste à rajouter du chlorure de sodium (sel de cuisine) au mélange, ce qui favorise la formation d’une phase solide, à la surface de la solution, associée au savon.
3. La purification
Dans le prolongement de l’extraction, la purification vise à éliminer les traces d’impuretés se trouvant dans notre produit synthétisé. Là aussi, la méthode diffère selon l’état physique de notre espèce chimique :

Distillation fractionnée, pour une espèce chimique en phase liquide. Cette méthode suppose que ladite espèce ait une température d’ébullition différente de celles des autres espèces présentes en solution.

Il est important que la température du mélange soit contrôlée tout au long de la manipulation, afin d’éviter que toutes les espèces chimiques ne soient portées à ébullition, ce qui rendrait vaine cette opération.

Remarque (hors programme) : certains mélanges de deux corps purs, dans des proportions bien précises, peuvent donner un mélange azéotropique, qui a la propriété de ne pas être séparable par une simple distillation.

Recristallisation. Cette opération est applicable à des espèces chimiques solides. Elle consiste à dissoudre à chaud le solide à traiter. Ensuite, le mélange est refroidi, ce qui provoque la recristallisation du solide. Les impuretés initialement présentes dans le produit restent en solution. Par filtration sous vide, on récupère alors notre solide débarrassé desdites impuretés. Cette méthode repose bien entendu sur l’efficacité du solvant à remplir le rôle que l’on lui assigne (solubilité forte de notre espèce chimique à chaud, mais aussi plus faible à froid).
4. Analyse du produit formé
Aspect qualitatif : contrôle de la qualité du produit formé. La finalité est de vérifier si le produit synthétisé est pur, ou contient des traces d’impuretés. Plusieurs méthodes :

Chromatographie sur couche mince (CCM), dans le cas d’un composé en phase liquide. L’exemple ci-dessous révèle la présence d’impuretés dans le produit synthétisé.


Spectroscopie (voir fiches dédiées).

Banc Kofler, pour un solide. Ce banc présente une variation de température le long de sa surface. En y déposant notre échantillon solide, on peut alors voir pour quelle température celui-ci commence à fondre. Si cette température correspond à celle vue dans la littérature, il est pur. Sinon, il comporte des impuretés (qui ont une température de fusion différente de notre composé synthétisé).

Autres tests : mesure de la masse volumique du produit formé, tests mettant en évidence (ou pas) des traces de réactifs, etc.

Aspect quantitatif : estimation du rendement de la manipulation défini par :


 
est la quantité de matière produite (en mol) que l’on a récupérée en fin de manipulation, et la quantité de matière théorique que l’on aurait obtenu dans le cas de manipulations parfaites : réaction totale, aucune perte au niveau de chaque étape, etc. Le rendement est un nombre compris entre 0 et 1. Il est possible de l’exprimer sous la forme d’un pourcentage.
L'essentiel
Une synthèse en chimie organique se déroule en plusieurs étapes :
La réaction de synthèse en elle-même, où il faut réfléchir en amont à certains aspects : choix des réactifs, quantités mises en jeu, utilisation d’un solvant, d’un catalyseur. Selon l’intensité de chauffage requise, choix du montage : chauffage à reflux, bain-marie.
Extraction du composé synthétisé. Selon son état physique (solide/liquide) ou ses propriétés physico-chimiques (densité, solubilité dans tel ou tel solvant), on choisit alors la technique à mettre en œuvre : extraction liquide-liquide, filtration sous vide.
Purification, afin de se débarrasser d’éventuelles impuretés (traces de réactifs, de solvant..). Là aussi, diverses techniques existent : distillation fractionnée, recristallisation
Contrôle de qualité. Afin d’estimer la pureté du produit, on fait appel à des tests : chromatographie sur couche mince, spectroscopie, banc Kofler. Aussi, on calcule le rendement de la manipulation par la relation . La pureté du produit formé et le rendement sont deux critères qui permettent d’évaluer le soin apporté à une synthèse.

Vous avez déjà mis une note à ce cours.

Découvrez les autres cours offerts par Maxicours !

Découvrez Maxicours

Comment as-tu trouvé ce cours ?

Évalue ce cours !

 

Découvrez
Maxicours

Des profs en ligne

Géographie

Des profs en ligne

  • 6j/7 de 17h à 20h
  • Par chat, audio, vidéo
  • Sur les 10 matières principales

Des ressources riches

  • Fiches, vidéos de cours
  • Exercices & corrigés
  • Modules de révisions Bac et Brevet

Des outils ludiques

  • Coach virtuel
  • Quiz interactifs
  • Planning de révision

Des tableaux de bord

  • Suivi de la progression
  • Score d’assiduité
  • Une interface Parents

En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l'utilisation de Cookies ou autres traceurs pour améliorer et personnaliser votre navigation sur le site, réaliser des statistiques et mesures d'audiences, vous proposer des produits et services ciblés et adaptés à vos centres d'intérêt et vous offrir des fonctionnalités relatives aux réseaux et médias sociaux.