Chimie organique : Préparation et sécurité

Pré-requis pour les travaux pratiques de chimie organique

• Les techniques de base utilisées en synthèse organique sont considérées comme acquises
• Ces techniques incluent le chauffage à reflux, la distillation, l'extraction, la filtration, l'évaporation et la recristallisation
• Les mécanismes réactionnels doivent être connus, discutés avant chaque manipulation et reportés dans le compte-rendu

Dangers et précautions en laboratoire de chimie organique

• Les solvants (éther éthylique, éther de pétrole, méthanol, benzène, éthanol, cyclohexane, toluène) sont inflammables et dangereux
• Certains solvants peuvent s'enflammer au contact d'une surface chaude
• Le port d'une blouse et de lunettes de protection est obligatoire
• Il ne faut jamais jeter de solvants inflammables à l'évier, mais les mettre dans des bidons étiquetés
• Il ne faut jamais ajouter de pierre ponce dans un solvant chaud, car cela provoquerait une ébullition brutale
• Il faut être prudent lors de la manipulation des solvants et ne jamais manipuler près d'une source de chaleur allumée
• Il est obligatoire de porter des lunettes dans le laboratoire, même avec des lunettes de vue, et le port de lentilles est interdit
• Il faut verser les produits réagissant violemment avec l'eau dans celle-ci en grand excès et jamais l'inverse (P2O5, H2SO4, PCl5, ...)
• Être vigilant avec les produits agressifs pour les yeux, la peau et les poumons (NaOH, KOH, H2SO4, HNO3, brome, phénol)
• En cas de projection, il faut laver abondamment à l'eau les parties atteintes et prévenir immédiatement l'enseignant
• Ne rien jeter à l'évier et mettre tous les déchets dans les bidons correspondants

Le compte-rendu de travaux pratiques

• Le compte-rendu doit synthétiser le travail réalisé pendant la séance
• Il doit être préparé en binôme, complété pendant la séance, puis remis à l'enseignant
• Il doit être rédigé dans un style scientifique clair et doit inclure :
  • Un titre succinct décrivant la manipulation
  • Le but de la manipulation, décrivant la synthèse réalisée
  • Le principe de la manipulation, situant la manipulation dans son contexte général
  • L'équation globale de la réaction, équilibrée avec les noms des réactifs et produits
  • Le mécanisme de la réaction, schématisant le chemin réactionnel
  • Le mode opératoire, décrivant le déroulement de la manipulation avec schémas et commentaires succincts
  • Les résultats, contenant les données obtenues (masse, volume, caractéristiques physiques) et le calcul du rendement
  • Un tableau récapitulatif, résumant les résultats avec les noms des réactifs et produits, leurs états physiques, masses, volumes, densités, nombres de moles, points de fusion/ébullition et rendement
  • L'interprétation des résultats (rendement, contrôle de pureté)
  • Une conclusion qui doit évaluer le travail réalisé et proposer des améliorations

Calcul du rendement d'une réaction en chimie organique

• Le calcul du rendement évalue l'efficacité d'une réaction chimique pour optimiser les conditions opératoires et atteindre un rendement de 100 % (idéal)
• Le rendement effectif est souvent inférieur à 100 % à cause de réactions indésirables et de pertes lors de l'isolement des produits

Définition du rendement

• Le rendement (p) est calculé par la formule (n obtenu / n idéal) × 100, où n obtenu est le nombre de moles du produit réellement obtenu et n idéal est le nombre de moles théoriquement attendu

Calcul du rendement - Étapes

• Écrire et équilibrer l'équation globale de la réaction
• Calculer le nombre de moles des réactifs pour déterminer le réactif limitant (celui qui serait consommé en premier)
• Calculer le nombre de moles théorique du produit attendu lorsque la réaction est complète
• Le réactif limitant est celui qui donne la plus faible quantité de produit (n idéal)
• Calculer le nombre de moles du produit obtenu réellement (n obtenu)
• Calculer le rendement à partir de la formule mentionnée

Importance du rendement

• Le but d'une synthèse est de transformer un réactif organique A en un produit cible P avec le meilleur rendement possible
• Le rendement est inférieur à 100 % à cause de réactions secondaires et de pertes lors de la manipulation

Détermination de la quantité initiale de matière

• La quantité de matière initiale de A (no) est déterminée avec précision
• Si A est un solide, no est déterminé en pesant une masse mo sur une balance de précision et en utilisant la formule no = mo / MA (où MA est la masse molaire de A)
• Si A est un liquide, no est déterminé en prélevant un volume Vo et en utilisant la formule no = (ρA * Vo) / MA, où ρA est la masse volumique de A

CCM : Séparation et identification

• La CCM (chromatographie sur couche mince) permet la séparation et l'identification des mélanges
• La séparation est basée sur la distribution du mélange entre une phase stationnaire et une phase mobile
• Des composés différents présenteront une différence de solubilité et d'adsorption, ce qui les sépare

Mode opératoire de la CCM

• Préparer une plaque CCM de 8 x 5 cm en la manipulant par les bords
• Tracer une ligne au crayon à 1 cm du bas et cocher des points espacés de 1 cm
• Préparer des solutions des composés à analyser dans un solvant approprié
• Déposer les échantillons sur les points marqués à l'aide de capillaires (1-2 mm de diamètre) et laisser sécher
• Préparer une cuve à CCM avec un solvant éluant (Acétate d'éthyle/Hexane 50/50) et éventuellement un papier filtre
• Déposer la plaque dans la cuve en veillant à ce que le solvant éluant soit en dessous de la ligne de dépôt et fermer la cuve
• Laisser le solvant éluant monter jusqu'à 1 cm du haut, retirer la plaque et marquer le front du solvant
• Après évaporation du solvant, visualiser les spots sous une lampe UV et les marquer au crayon

Manipulation : Synthèse et purification du Paracétamol

Objectifs

• Reconnaître le groupe fonctionnel amide
• Réaliser: filtration sous vide, cristallisation, recristallisation
• Calculer le rendement

Généralités

• Le paracétamol est un analgésique et antipyrétique, sans l'action anti-inflammatoire de l'aspirine
• Les amines réagissent avec les anhydrides d'acide pour former des amides (-CO-NH-)
• Le paracétamol (CH3-CO-NH-C6H4-OH) contient un noyau benzénique, une fonction amide et une fonction alcool
• La synthèse du paracétamol est réalisée par réaction de l'anhydride éthanoïque (CH3-CO)2O sur le 1-amino-4-hydroxybenzène (NH2-C6H4-OH)

Mode opératoire

• Préparer un bain-marie à 80°C
• Introduire 2,73g de para-aminophénol dans un ballon de 250mL
• Ajouter lentement 15 mL d'anhydride acétique (C4H6O3) tout en agitant
• Adapter un réfrigérant à boules
• Chauffer à 80°C en agitant jusqu'à dissolution complète (20 minutes)
• Préparer un mélange d'eau et de glace
• Laisser refroidir le mélange réactionnel à température ambiante, puis dans un bain d'eau glacée pour faire précipiter le paracétamol
• Filtrer le précipité sur büchner ou verre fritté sous vide
• Rincer avec de l'eau glacée
• Sécher les cristaux entre deux papiers filtre

Purification du paracétamol par recristallisation

• Dissoudre le paracétamol brut dans 20mL d'eau distillée bouillante
• Ajouter 5mL d'eau si nécessaire
• Laisser refroidir, puis placer dans un bain d'eau glacée
• Filtrer les cristaux sur Büchner
• Rincer les cristaux avec un peu d'eau glacée (paracétamol purifié) et sécher sur papier filtre

Analyse et caractérisation par CCM

• Placer l'éluant (3mL d'acétate d'éthyle, 2mL de cyclohexane, 0,5 mL d'acide formique) dans une cuve fermée
• Dissoudre du Doliprane broyé dans de l'éluant (T1) et du paracétamol purifié dans de l'éluant (T2)
• Tracer une ligne de dépôt sur une plaque de silice, déposer les solutions T1 et T2
• Laisser sécher, placer la plaque dans la cuve et laisser l'éluant monter
• Sortir la plaque, tracer la ligne de front, laisser sécher et observer sous lumière ultraviolette

Vérification de pureté du produit obtenu

• Contrôler la pureté du solide obtenu en mesurant son point de fusion à l'aide du banc de Kofler
• Comparer le point de fusion obtenu avec celui du produit pur
• Des recristallisations successives sont effectuées jusqu'à ce que le point de fusion devienne constant
• Les impuretés diminuent le point de fusion

Caractéristiques du paracétamol

• Le paracétamol se présente sous forme de cristaux blancs ou légèrement crème
• Sa pureté peut être vérifiée par la méthode du point de fusion, qui se situe autour de 169-170°C

Manipulation II: Synthèse de la p-Méthylacétophénone

Matériel et précautions

• Le matériel doit être parfaitement sec et propre
• Ne pas toucher les parties en contact avec les réactifs
• Réaliser le montage rapidement

Processus de la réaction

• Introduire 25 mL de toluène anhydre et 0.025 moles de chlorure d'aluminium dans un ballon bicol, équipé d'une ampoule à brome, d'un agitateur magnétique et d'un réfrigérant
• Ajouter goutte à goutte 0.025 moles de chlorure d'acétyle (élévation de température observée)
• Ajouter 50 mL d'eau glacée après l'addition, puis décanter
• Extraire avec 15 mL de toluène la phase aqueuse résultante
• Combiner les phases organiques, laver avec 50 mL de soude à 10%, puis éliminer la phase aqueuse
• Laver une seconde fois avec 50 mL d'eau
• Sécher sur sulfate de sodium
• Évaporer le toluène