Synthèse organique, chauffage à reflux, CCM et rendement
Dans une parfumerie de Grasse, un chimiste fabrique l'arôme de banane en laboratoire. Il part de quelques grammes de réactifs et il en ressort un liquide odorant. A-t-il récupéré tout ce que la réaction pouvait produire ? Et comment savoir si son produit est pur ? Dans cette page, tu vas voir comment on organise une synthèse, comment on la surveille et comment on mesure son efficacité.
Les quatre étapes d'une synthèse
Une synthèse est une suite d'opérations qui permet de fabriquer une espèce chimique à partir de réactifs. Le protocole se découpe toujours en quatre étapes.
| Étape | But | Exemples d'opérations |
|---|---|---|
| Transformation | faire réagir les réactifs | chauffage à reflux, agitation |
| Isolement | séparer le produit brut du mélange | filtration sur Büchner, extraction liquide-liquide, décantation |
| Purification | éliminer les impuretés | recristallisation, lavage, distillation |
| Analyse | vérifier l'identité et la pureté | CCM, température de fusion, spectre IR |
Exemple : pour l'arôme de banane (ester liquide), on chauffe à reflux l'alcool et l'acide, puis on verse le mélange dans de l'eau salée et on réalise une extraction liquide-liquide : l'ester, peu soluble dans l'eau et moins dense, forme la phase organique du dessus dans l'ampoule à décanter, que l'on sépare de la phase aqueuse. On la lave, on la sèche, puis on la purifie par distillation. Chaque choix s'appuie sur une propriété : solubilité, densité, température d'ébullition.
Autre exemple : un solide peu soluble dans l'eau froide se sépare par filtration sur Büchner. On le purifie ensuite par recristallisation : on le dissout dans un minimum de solvant chaud, puis on refroidit, et le produit pur cristallise.
Pour une synthèse organique, on distingue quatre étapes : transformation, isolement, purification, analyse. Associer à chacune une opération parmi : chauffage à reflux ;…
Pour une synthèse organique, on distingue quatre étapes : transformation, isolement, purification, analyse. Associer à chacune une opération parmi : chauffage à reflux ; recristallisation ; chromatographie sur couche mince ; filtration sur Büchner.
Le chauffage à reflux
Beaucoup de transformations sont lentes à température ambiante. Chauffer augmente la vitesse de réaction. Mais si on chauffe un mélange liquide dans un ballon ouvert, les espèces volatiles s'évaporent et on perd des réactifs et des produits.
Le chauffage à reflux résout le problème : on ajoute un réfrigérant à eau vertical au-dessus du ballon.
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Le chauffage accélère la transformation.
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Le réfrigérant condense les vapeurs, qui retombent dans le ballon. Il n'y a donc aucune perte de matière et on peut chauffer à l'ébullition aussi longtemps qu'il faut.
L'eau entre par le bas du réfrigérant et sort par le haut : ainsi la gaine reste pleine d'eau et le refroidissement est efficace.
Lors d'un chauffage à reflux, un réfrigérant à eau est placé verticalement au-dessus du ballon. a) Expliquer le rôle du chauffage. b) Expliquer le rôle du réfrigérant.
Lors d'un chauffage à reflux, un réfrigérant à eau est placé verticalement au-dessus du ballon.
- a) Expliquer le rôle du chauffage.
- b) Expliquer le rôle du réfrigérant.
Suivre une transformation par CCM
La chromatographie sur couche mince (CCM) sépare les espèces d'un mélange. On dépose des gouttes sur une plaque recouverte de silice, à la ligne de dépôt. La plaque trempe dans un éluant qui monte par capillarité. Chaque espèce migre plus ou moins haut selon son affinité pour la silice et pour l'éluant.
Sur la plaque ci-dessus, $R_f = \dfrac{7{,}5}{15} = 0{,}50$ pour le produit (le dessin n'est pas à l'échelle des exercices).
Pour suivre une synthèse, on dépose côte à côte les réactifs, le produit de référence et le mélange réactionnel prélevé à différents instants. Deux taches à la même hauteur correspondent à la même espèce. La transformation est terminée quand la tache du réactif limitant a disparu dans le mélange.
Une CCM d'une synthèse montre, après élution, trois taches : celle du produit de référence (rapport frontal $R_f = 0,55$), celle du mélange réactionnel à…
Une CCM d'une synthèse montre, après élution, trois taches : celle du produit de référence (rapport frontal $R_f = 0,55$), celle du mélange réactionnel à $t = 30\ \text{min}$ avec deux taches, l'une à $R_f = 0,55$ et l'autre à $R_f = 0,80$, correspondant au réactif.
- a) Définir le rapport frontal et calculer la distance parcourue par la tache du produit si le front de solvant a parcouru $6,0\ \text{cm}$.
- b) La transformation est-elle terminée ? Justifier.
Le rendement d'une synthèse
Une réaction ne donne pas toujours la quantité maximale de produit : il y a la transformation non totale, mais aussi les pertes lors de l'isolement et de la purification (produit resté sur les parois, dans le filtrat…).
Comme $\eta$ est un rapport de deux grandeurs de même nature, il peut aussi se calculer avec les masses : $m_{max} = n_{max} \times M$.
Un rendement est toujours inférieur ou égal à 100 %. Un résultat supérieur à 100 % révèle un produit impur (solvant, eau, réactif restant) ou une erreur de calcul.
Le rendement d'une synthèse est $\eta = n_{exp}/n_{max}$. Lors d'une synthèse, on peut obtenir au maximum $n_{max} = 0,050\ \text{mol}$ de produit. On en recueille…
Le rendement d'une synthèse est $\eta = n_{exp}/n_{max}$. Lors d'une synthèse, on peut obtenir au maximum $n_{max} = 0,050\ \text{mol}$ de produit. On en recueille $n_{exp} = 0,038\ \text{mol}$.
- a) Calculer le rendement en pourcentage.
- b) Un rendement peut-il dépasser 100 % ? Que faudrait-il en conclure ?
On synthétise l'éthanoate d'isoamyle (arôme de banane) à partir de $m_1 = 13,0\ \text{g}$ d'alcool isoamylique ($M = 88,0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'un excès…
On synthétise l'éthanoate d'isoamyle (arôme de banane) à partir de $m_1 = 13,0\ \text{g}$ d'alcool isoamylique ($M = 88,0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'un excès d'acide éthanoïque. Après purification, on obtient $m = 14,3\ \text{g}$ d'ester ($M = 130\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
- a) Calculer la quantité maximale d'ester.
- b) Calculer le rendement.
Pour synthétiser l'aspirine, on fait réagir $m_1 = 5,00\ \text{g}$ d'acide salicylique ($M = 138\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) avec $V = 10,0\ \text{mL}$ d'anhydride…
Pour synthétiser l'aspirine, on fait réagir $m_1 = 5,00\ \text{g}$ d'acide salicylique ($M = 138\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) avec $V = 10,0\ \text{mL}$ d'anhydride éthanoïque ($\rho = 1,08\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$, $M = 102\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$). La réaction est mole à mole. On obtient $m = 5,2\ \text{g}$ d'aspirine ($M = 180\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
- a) Déterminer le réactif limitant.
- b) Calculer le rendement.
Améliorer le rendement et contrôler la pureté
Pourquoi le rendement est-il limité ? À chaque étape on perd de la matière.
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Transformation : réaction non totale (l'estérification s'arrête avant la disparition du réactif limitant) ou trop courte.
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Isolement : produit resté sur le filtre, le verre, ou dissous dans l'eau de lavage.
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Purification : une partie du produit reste dissoute lors d'une recristallisation, ou est éliminée avec les impuretés.
Comment l'augmenter ?
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Utiliser un des réactifs en excès : le réactif limitant est consommé davantage.
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Éliminer un produit au fur et à mesure (par exemple l'eau d'une estérification).
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Chauffer plus longtemps ou plus fort : on accélère la réaction, mais attention, si la transformation est non totale, la durée seule n'augmente le rendement que jusqu'à l'état final.
La pureté se vérifie par une CCM (une seule tache) ou par la température de fusion mesurée au banc Kofler : un solide pur fond à une température précise, égale à la valeur de référence. Un solide impur fond à une température plus basse et sur un intervalle plus large.
On réalise l'estérification de $n_1 = 0,200\ \text{mol}$ d'acide éthanoïque par $n_2 = 0,200\ \text{mol}$ d'éthanol (…
On réalise l'estérification de $n_1 = 0,200\ \text{mol}$ d'acide éthanoïque par $n_2 = 0,200\ \text{mol}$ d'éthanol ($M(\text{ester}) = 88,0\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $\rho(\text{ester}) = 0,90\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$). Après isolement et purification, on recueille $V = 11,8\ \text{mL}$ d'ester.
- a) Calculer le rendement.
- b) Proposer deux modifications pour l'augmenter, en justifiant.
- c) Expliquer les pertes possibles à chaque étape (transformation, isolement, purification).
Une synthèse de paracétamol à partir de $m = 3,0\ \text{g}$ de 4-aminophénol ($M = 109\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'anhydride éthanoïque en excès (une mole de…
Une synthèse de paracétamol à partir de $m = 3,0\ \text{g}$ de 4-aminophénol ($M = 109\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) et d'anhydride éthanoïque en excès (une mole de 4-aminophénol conduit à une mole de paracétamol) donne $m' = 3,1\ \text{g}$ de solide brut, de point de fusion mesuré $152\ °\text{C}$. Le paracétamol pur ($M = 151\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) fond à $169\ °\text{C}$.
- a) Calculer le rendement du brut.
- b) Interpréter l'écart de température de fusion et en déduire une conclusion sur la pureté.
- c) Décrire une étape de purification adaptée et son effet attendu sur le rendement.
On compare deux protocoles pour une même synthèse. Protocole 1 : chauffage à reflux $30\ \text{min}$, rendement $62\ \%$. Protocole 2 : chauffage à reflux $2\ \text{h}$,…
On compare deux protocoles pour une même synthèse. Protocole 1 : chauffage à reflux $30\ \text{min}$, rendement $62\ \%$. Protocole 2 : chauffage à reflux $2\ \text{h}$, rendement $64\ \%$ avec les mêmes quantités.
- a) Interpréter l'évolution du rendement en termes de vitesse et d'état final.
- b) Justifier l'intérêt du reflux par rapport à un chauffage sans réfrigérant.
- c) Discuter, avec arguments, du protocole préférable d'un point de vue énergétique et économique.
Pour conclure : le chimiste de Grasse obtient moins d'arôme que la valeur théorique à cause de la réaction non totale et des pertes ; il mesure l'écart par le rendement et vérifie la pureté par CCM ou température de fusion.
L'essentiel
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Une synthèse comporte quatre étapes : transformation, isolement, purification, analyse.
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Le chauffage à reflux accélère la transformation sans perte de matière : le réfrigérant condense les vapeurs qui retombent dans le ballon.
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En CCM, $R_f = d/h$. Une tache du réactif encore visible signifie que la transformation n'est pas terminée.
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Le rendement est $\eta = n_{exp}/n_{max}$, avec $n_{max}$ déterminé à partir du réactif limitant ; il est toujours $\le 100\ \%$.
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Un solide pur a une température de fusion nette, égale à la valeur de référence ; purifier améliore la pureté mais diminue en général le rendement.