Protocole de synthèse, reflux, CCM et rendement
Dans un laboratoire, on veut fabriquer l'arôme de banane qu'on utilise dans les bonbons. Il suffit de mélanger deux liquides, mais on n'obtient jamais autant de produit que la réaction le laisserait espérer. Comment organiser une synthèse, comment savoir si elle est terminée, et comment mesurer son efficacité ?
Les quatre étapes d'une synthèse
Synthétiser une espèce chimique, c'est la fabriquer à partir d'autres espèces. Un protocole de synthèse suit toujours le même fil.
| Étape | But | Exemples d'opérations |
|---|---|---|
| Transformation | Faire réagir les réactifs | Chauffage à reflux, agitation |
| Isolement | Séparer le produit brut du milieu réactionnel | 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 |
Chaque opération est choisie grâce aux propriétés physico-chimiques des espèces : solubilité, température de fusion ou d'ébullition, polarité. Par exemple, un solide peu soluble dans l'eau froide est récupéré par filtration sur Büchner, puis purifié par recristallisation dans l'eau chaude.
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 : c'est le rôle du chauffage. Mais à chaud, les liquides s'évaporent : on perdrait des réactifs.
Le montage à reflux règle le problème : un réfrigérant à eau, placé verticalement au-dessus du ballon, condense les vapeurs, qui retombent dans le ballon.
Le reflux est préférable à un simple chauffage : la température reste celle de l'ébullition du mélange, constante, et aucune matière ne s'échappe. L'eau entre par le bas et sort par le haut, pour que le réfrigérant soit toujours rempli. On ajoute souvent des grains de pierre ponce pour réguler l'ébullition.
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 la transformation par CCM
La chromatographie sur couche mince (CCM) sépare les espèces d'un mélange. On dépose des gouttes sur une plaque, qu'on place dans une cuve contenant un peu d'éluant. L'éluant monte par capillarité et entraîne les espèces plus ou moins loin, selon leur polarité et leur solubilité dans l'éluant. On révèle ensuite les taches (lampe UV, révélateur).
Le rapport frontal d'une espèce est
$$R_f = \frac{d}{D}$$où $d$ est la distance parcourue par la tache et $D$ celle du front de l'éluant, toutes deux mesurées depuis la ligne de dépôt. $R_f$ est sans unité et compris entre 0 et 1.
À retenir : deux taches de même hauteur dans le même éluant correspondent (en général) à la même espèce. Le $R_f$ identifie donc une espèce par comparaison avec une référence.
Pour savoir si la transformation est terminée, on prélève le milieu au cours du temps. Quand la tache du réactif limitant a disparu du mélange, la transformation est terminée. Une tache qui reste visible indique qu'il reste du réactif.
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
On ne récupère jamais toute la quantité de produit prévue : la transformation peut être non totale, et on perd de la matière lors de l'isolement et de la purification.
$n_{max}$ se déduit de l'avancement maximal : on repère le réactif limitant avec le tableau d'avancement, puis on applique les proportions stœchiométriques. Le rendement d'une synthèse ne peut pas dépasser 100 % : une valeur supérieure signale un produit impur ou une erreur de calcul.
Quand le produit est un liquide, on passe par la masse volumique : $m = \rho \times V$, puis $n = m/M$. De même, pour un réactif liquide, $n = \dfrac{\rho \times V}{M}$.
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 et discuter un protocole
Un rendement faible a plusieurs causes possibles.
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Transformation : réaction non totale (estérification), durée trop courte, température trop basse.
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Isolement : produit resté sur le filtre ou dans la phase aqueuse, évaporation.
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Purification : une recristallisation élimine les impuretés mais dissout aussi un peu de produit, donc diminue le rendement.
Pour augmenter le rendement, on peut : utiliser l'un des réactifs en excès (le limitant est alors consommé davantage), éliminer un produit au fur et à mesure, allonger la durée, chauffer à reflux.
Pour discuter la qualité du produit, on mesure sa température de fusion. Une impureté abaisse et étale la fusion : si la température mesurée est inférieure à la valeur de référence, le solide n'est pas pur. Une recristallisation le purifie, mais fait perdre un peu de produit : on gagne en pureté, on perd en rendement.
Enfin, la durée du reflux influence la vitesse, pas l'état final : une réaction non totale s'arrête à un état final, et chauffer plus longtemps ne l'améliore guère. Prolonger le chauffage a aussi un coût en énergie et en argent.
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.
Retour au début : on n'obtient jamais autant d'arôme que prévu parce que la transformation n'est pas totale et que l'on perd de la matière à chaque étape. Le rendement chiffre cet écart.
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 réaction, et le réfrigérant à eau condense les vapeurs qui retombent dans le ballon : pas de perte de matière.
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La CCM permet d'identifier les espèces et de suivre la transformation : $R_f = d/D$. Elle est terminée quand la tache du réactif limitant a disparu.
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Rendement : $\eta = n_{exp}/n_{max}$, toujours entre 0 et 100 %. $n_{max}$ vient du réactif limitant.
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Purifier augmente la pureté mais diminue le rendement. La température de fusion renseigne sur la pureté.