Travaux pratiques de chimie organique PDF

UNIVERSITE CADI AYYAD FACULTE DE MEDECINE ET DE PHARMACIE MARRAKECH TRAVAUX PRATIQUES CHIMIE ORGANIQUE II -- 2èmeAnnée de pharmacie -- Pr A. BENHARREF Pr N. FDIL Pr M. A. EL AMIRI Pr S. SABIR...

UNIVERSITE CADI AYYAD FACULTE DE MEDECINE ET DE PHARMACIE MARRAKECH TRAVAUX PRATIQUES CHIMIE ORGANIQUE II -- 2èmeAnnée de pharmacie -- Pr A. BENHARREF Pr N. FDIL Pr M. A. EL AMIRI Pr S. SABIR Année universitaire 2024– 2025  SEANCES DE TRAVAUX PRATIQUES SEANCE I: Synthèse et purification du Paracétamol SEANCE II: Synthèse et purification du p-Méthylacétophénone 1 I. Pré-requis Au cours de ces travaux pratiques, les techniques de base utilisées dans la synthèse organique seront considérées comme acquises et ne seront pas rappelées (voir polycopié de travaux pratiques de chimie organique I), c’est-à-dire :  chauffage à reflux  distillation  extraction  filtration  évaporation  recristallisation  etc… Les mécanismes réactionnels devront être connus et discutés avant chaque manipulation et seront reportés sur le compte-rendu. II. Dangers divers et précautions à prendre dans un laboratoire de chimie organique II.1. Incendies Les solvants (éther éthylique, éther de pétrole, méthanol, benzène, éthanol, cyclohexane, toluène, etc) sont inflammables et dangereux. La plupart peuvent s’enflammer par simple contact avec une surface chaude (plaque chauffante, chauffe-ballon …). II.2. Précautions 1. Le port d’une blouse et des lunettes de protection est rigoureusement obligatoire. 2. Ne jamais jeter des solvants inflammables à l’évier. Mettre les résidus de solvants dans les bidons étiquetés. 3. Ne jamais ajouter de pierre ponce dans un solvant chaud, cela provoquerait une ébullition brutale. 4. Etre particulièrement prudent pendant la manipulation des solvants. Ne jamais manipuler à côté d’une source de chaleur allumée. 5. De nombreuses réactions sont violentes et peuvent provoquer des projections dangereuses ; aussi il est obligatoire de porter constamment des lunettes dans le laboratoire, même si vous portez des lunettes de vue. Le port des lentilles de contact est interdit (possibilité d’altération irréversible en cas de vapeurs ou de projections). 6. Verser tous les produits réagissant violemment avec l’eau dans celle-ci en grand excès et ne jamais faire l’inverse (P2O5, H2SO4, PCl5, …). 2 7. Attention aux produits agressifs pour l’œil, la peau, et les poumons : NaOH, KOH, H2SO4, HNO3, brome, phénol, etc … (en cas de projections d’un des produits, laver abondamment à l’eau les parties attaquées sauf indications contraires, et effectuer les soins appropriés). Prévenir immédiatement l’enseignant(e). II.3. Déchets Ne rien jeter à l’évier. Tous les déchets doivent être mis dans les bidons correspondants (voir avec l’enseignant(e)). III. Le compte-rendu Le compte-rendu est un document qui comporte une synthèse de tout le travail réalisé pendant la séance des travaux pratiques. Il doit être préparé au préalable par chaque binôme, puis complété lors de la séance avant d’être remis à l’enseignant à la fin de la séance. Le compte-rendu doit être rédigé dans un style scientifique clair en évitant les styles littéraires. Il doit comprendre les parties suivantes : -Le titre : il doit être très succinct et décrit la manipulation réalisée. -Le but de la manipulation : il doit décrire la synthèse réalisée, d’une façon précise et sans trop de détails. -Le principe de la manipulation : il doit mettre la manipulation dans son contexte générale en citant ses éléments de base. -L’équation globale de la réaction : elle doit être présentée d’une façon équilibrée avec les noms des réactifs et des produits en mentionnant sur les flèches d’une manière symbolique les conditions opératoire principales (durée, température,…). -Le mécanisme de la réaction : il décrira par un schéma simple, le chemin réactionnel partant des réactifs et aboutissant aux produits finaux, en mentionnant les intermédiaires réactionnels et en précisant les déplacements des doublets électroniques par des flèches incurvées. -Le mode opératoire : dans cette partie, on décrira le déroulement de la manipulation par des schémas simples annotés et accompagnés si nécessaire de commentaires explicatifs très succincts. -Les résultats : cette partie doit contenir les données obtenues d’une façon directe à la fin de la manipulation (masse ou volume des produits préparés, leurs caractéristiques physiques,…) avec le détail du calcul du rendement de la réaction -Le tableau récapitulatif : tous les résultats seront résumés dans un tableau comportant les noms des réactifs et des produits, leurs états physiques, leurs masses ou volumes, les densités et les nombres de moles correspondants, les points de fusion (avant et après purification s’il y a lieu) ou les points d’ébullition, le rendement,…). 3 Tableau de données & résultats : Réactif 1 Réactif 2 Produit Formule brute Masse molaire Densité Volume Masse des réactifs Nombre de moles Points de fusion (brut et purifié) ou d’ébullition Masse théorique du produit Masse expérimentale du produit (brut et purifié) Rendement (produit brut et purifié) - L’interprétation : dans cette partie, on analysera les résultats obtenus (rendement, contrôle de pureté, CCM,…) en les commentant d’une façon scientifique simple et résumée. - La conclusion : Le compte-rendu se termine par une conclusion qui doit statuer sur le but fixé et apporter une évaluation personnelle du travail réalisé (on pourra comparer les résultats obtenus avec les résultats théoriques, propositions d’améliorations à apporter à la manipulation). IV. Calcul d’un rendement d’une réaction en Chimie Organique Le calcul du rendement a pour but d’évaluer l’efficacité d’une réaction chimique ; ce qui permettra au chimiste d’optimiser les conditions opératoires afin de s’approcher le plus près possible de 100% (rendement idéal). Le rendement effectif est généralement inférieur à 100 à cause de plusieurs facteurs tels que les réactions indésirables, les pertes lors des diverses étapes de l’isolement des produits (transvasions, extraction, filtration, séchage, recristallisation…). 4 IV.1. Définition du rendement 𝑛 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 Le rendement d’une réaction chimique d’un produit considéré, est ρ= × 100 (équation 1) 𝑛 𝑖𝑑é𝑎𝑙 n obtenu est le nombre de mole du produit attendu que l’on a obtenu réellement. n idéal est le nombre de mole du produit attendu que l’on aurait obtenu dans le cas idéal où: - la réaction aurait été totale ; - Il n’y aurait pas de pertes de matière dans aucune des étapes de l’isolement du produit. IV.2. Calcul du rendement Le calcul du rendement passe par différentes étapes : a. Écrire l’équation globale de la réaction chimique puis l’équilibrer ; b. Calculer le nombre de moles des réactifs afin de déterminer le réactif limitant. Le réactif limitant de la réaction est celui qui serait totalement consommé en premier, si la réaction avait été complète. Si la réaction est réalisée à partir de plusieurs réactifs, on calculera 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). c. Calculer le nombre de mole du produit attendu que l’on a obtenu réellement (n obtenu). d. Calculer le rendement à partir de l’équation 1. 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%, car il peut y avoir des réactions secondaires, qui consomment inutilement les réactifs et il peut y avoir des pertes dans chaque étape de la manipulation (lors de la séparation, la purification, le séchage…). Comment défini t-on et calcule-t-on le rendement? Tout d’abord, la quantité de matière initiale de A de masse molaire MA que l’on introduit dans le montage notée n0, est précisément déterminée, en général par la pesée d’une masse m0 de A sur une balance de précision si A est un solide: Si A est un liquide, on peut aussi réaliser une pesée, mais il est souvent plus commode de prélever un volume V0, par exemple avec une pipette graduée. Si ρA est la masse volumique de A, alors la quantité 5 du P obtenue après réaction, séparation, purification, est déterminée de la même manière et notée nP. On écrit alors l’équation chimique de la réaction de synthèse, par exemple : A+B P+Q La quantité maximale théorique de P nmax correspond à la quantité de P que l’on peut espérer obtenir si la réaction de synthèse atteint son avancement maximal. V. Séparation et identification par CCM La CCM ou chromatographie sur couche mince est une méthode qui permet la séparation et l'identification des mélanges de deux ou plusieurs composés. La séparation est accomplie par la distribution du mélange entre deux phases : une phase stationnaire et une phase mobile. La technique se base sur le principe que des composés différents présenteront une différence au niveau de leurs solubilité et adsorption aux deux phases ; ce qui fait que chaque composé avance à une vitesse qui lui est propre et qui permet de le séparer des autres composés et par suite de l’identifier. V.1. Mode opératoire Préparer soigneusement une plaque CCM de dimension 8 x 5 cm en la manipulant uniquement par les bords. A l’aide d’un crayon et une règle, tracer légèrement une ligne à travers la plaque à environ 1 cm du bas (voir figure1). En traçant la plaque, veillez à ne pas perturber l'adsorbant avec le crayon, cochez légèrement sur la ligne tracée des points espacés d’environ 1 cm ; sur lesquels les échantillons seront déposés par la suite. Figure 1 : Préparation de la plaque CCM 6 V.2. Préparation des échantillons Des solutions des composés à analyser seront préparées par dissolution dans un solvant approprié. V.3. Dépôt des échantillons sur la plaque CCM A l’aide de capillaires, déposer soigneusement les échantillons sur les points correspondants sur la plaque (pour éviter d’éventuelles contaminations, chaque échantillon sera déposé par un capillaire qui lui est propre) ; les spots doivent être de petite dimension (1-2 mm de diamètre). Laisser sécher complètement le solvant dans les spots. V.4. Développement de la plaque CCM Préparer une cuve à CCM (qui doit être propre et sèche) en y versant le solvant éluant (Acétate d’éthyle/Hexane 50/50). On pourra placer, verticalement, dans la cuve un papier filtre dont le bas sera immergé dans le solvant éluant. Figure 2 : développement de la plaque CCM A l’aide d’une pince brucelles déposer délicatement la plaque dans la cuve le plus verticalement possible ; veiller à ne pas trop perturber la surface du solvant éluant et à ce que le niveau de ce dernier soit au-dessous de la ligne de dépôt (Figure 2). Fermer le couvercle de la cuve et laisser développer la plaque. Lorsque le front du solvant éluant est à environ 1 cm du haut de la plaque, retirer-la et marquer légèrement par un crayon la position du front du solvant puis laisser sécher. V.5. Visualisation des spots Une fois le solvant évaporé de la plaque, visualisez sous une lampe UV. Marquer, à l’aide d’un crayon, les différents spots de la plaque. 7  Manipulation I: Synthèse et purification du Paracétamol MANIPULATION I. Objectifs -Reconnaître le groupe fonctionnel amide. -Réaliser les opérations suivantes : filtration sous vide, cristallisation, recristallisation. -Calculer un rendement. II. Généralités Le paracétamol est une molécule entrant dans la composition des médicaments comme le Doliprane, le Dafalgan…. Le paracétamol a les mêmes propriétés analgésiques et antipyrétiques que l’aspirine. En revanche, il est dépourvu d’action anti-inflammatoire et ne présente pas les effets indésirables de l’aspirine. Les amines de formules R–NH2 réagissent avec les anhydrides d’acide pour conduire à des amides dont la formule comporte le groupe caractéristique–CO-NH-. La transformation associée à cette réaction est rapide et totale. Le paracétamol a pour formule: CH3-CO-NH-C6H4-OH. Ce composé organique comprend un noyau benzénique, une fonction amide et une fonction alcool. C’est un solide blanc, fondant à 168°C et peu soluble dans l’eau. La synthèse du paracétamol (voir réaction A ci-dessous) est réalisée par réaction de l'anhydride éthanoïque de formule (CH3-CO)2O, sur le 1-amino-4-hydroxybenzène (para amino-phénol) de formule ( NH2-C6H4-OH). Cette réaction est exothermique et produit également de l'acide éthanoïque. Réaction A 8 III. Mode opératoire III.1. Préparation préliminaire - Allumer la plaque chauffante et mettre de l’eau à chauffer dans un cristallisoir pour le bain marie - Mettre dans le bain marie un thermomètre pour surveiller la température (celle-ci ne doit pas dépasser 80°C) III.2. Préparation du mélange réactionnel Dans un ballon de 250mL, introduire successivement : - 2,73g de para-aminophénol, - Ajoutez lentement environ 15 mL d'anhydride acétique (C4H6O3) (mesuré avec l’éprouvette graduée de 50 mL) à température ambiante tout en agitant. - Adapter un réfrigérant à boules - Chauffer à 80°C en agitant jusqu’à dissolution complète (pendant environ 20 minutes) - Pendant que vous chauffez, préparer dans un autre cristallisoir un mélange d’eau et de glace III.3. Formation du paracétamol Après la réaction, laissez refroidir le mélange à température ambiante. Puis refroidir le mélange dans un bain d’eau glacée : le paracétamol formé précipite (il faut compter environ 10 min); on l’appelle paracétamol brut. III.4. Filtration - Filtrer le précipité sur büchner ou sur verre fritté en tirant sous vide avec la trompe à eau ou une pompe à vide. - Rincer avec de l’eau glacée - Récupérer les cristaux entre deux morceaux de papier-filtre pour les sécher Montage de filtration sur büchner 9 III.5. Purification du paracétamol par recristallisation Introduire le paracétamol brut dans un bécher de 100mL avec 20mL d’eau distillée - Porter à ébullition tout en agitant à l’aide d’une baguette en verre. - Si la dissolution n’est pas complète, ajouter 5mL d’eau. - Après dissolution complète à chaud, laisser refroidir, puis placer dans un bain d’eau glacée (attendre l’apparition des cristaux). - Filtrer sur Büchner les cristaux obtenus. - Rincer les cristaux avec un peu d’eau glacée. C’est du paracétamol purifié - Sécher sur papier filtre III.6. Analyse et caractérisation par chromatographie sur couche mince CCM - Placer l’éluant (3mL d’acétate d’éthyle, 2mL de cyclohexane et 0,5 mL d’acide formique) dans une cuve à chromatographie fermée. - Dans 2 tubes à essais notés T1, T2, introduire environ 1 mL d’éluant et dissoudre une pointe de spatule de : Doliprane broyé (à l’aide d’un mortier) dans T1 Paracétamol purifié dans T2 - Sur une plaque de silice, tracer au crayon la ligne de dépôt à environ 1,5 cm du bord inférieur, y mettre 2 croix équidistantes notée T1 et T2. - Déposer à l’aide d’un cure dent une microgoutte des 2 solutions précédentes. - Laissez sécher la plaque de chromatographie. - Placer la plaque dans la cuve que l’on referme aussitôt. - Lorsque l’éluant a atteint 1cm du bord supérieur, sortir la plaque, tracer la ligne de front. - Laisser sécher et observer la plaque en lumière ultraviolette. - Entourer les taches révélées d’un trait crayon. III.7. Vérification de pureté du produit obtenu La pureté du solide obtenu est contrôlée par la prise de son point de fusion à l’aide du banc kofler (Appareil pour mesurer le point de fusion) (Figure 3). Si le composé est connu, le point de fusion obtenu est comparé à celui du produit pur. Sinon on fait des recristallisations successives jusqu’à ce que le point de fusion demeure constant. En général, les impuretés font diminuer le point de fusion. 10   Le paracétamol se présente sous forme de cristaux blancs ou légèrement crème.  La pureté peut être vérifiée par méthode de point de fusion, qui se situe autour de 169-170°C. Figure 3. Banc kofler IV. Exploitation de l’expérience 1) Pourquoi doit-on rincer à l’eau glacée? 2) Pourquoi parle-t-on de paracétamol brut? 3) a) Calculer le nombre de moles de para-aminophénol mis en jeu: npara b) A l’aide de la densité, calculer le nombre de moles d’anhydride éthanoïque mis en jeu: nanh c) On suppose que la réaction A est totale, établir un tableau d’avancement puis calculer x max et trouver le réactif limitant. d) Calculer la masse théorique de paracétamol: mth 4) Après avoir séché le produit à l’étuve pendant quelques heures, on obtient une masse de paracétamol de m=2,66g a) En déduire le rendement de cette synthèse. b) Pourquoi n’est-il pas de 100% ? 5) Joindre le chromatogramme obtenu au rapport: -Identifier les tâches. - Interpréter le chromatogramme et conclure. 11 Données: Acide éthanoïque: Corrosif, inflammable. Para-aminophénol: Toxique par inhalation et contact cutané. Anhydride éthanoïque: Corrosif, inflammable et lacrymogène. Densité: Anhydride éthanoïque : d = 1,08 à 20°C Solubilités dans l’eau : Anhydride éthanoïque : infinie, réagit avec l’eau Para-aminophénol : 8g.L-1 à 20°C ; 33g.L-1 à 60°C ; 85g.L-1 à 100°C Paracétamol :10g.L-1 à20°C;250g.L-1 à100°C Para-aminophénol Anhydride Paracétamol éthanoïque Aspect physique Solide Liquide Solide Solubilité dans l’eau Peu soluble dans l’eau ---- Insoluble à chaud à froid, soluble à chaud comme à froid Masse molaire 109 g.mol-1 102 g.mol-1 151 g.mol-1 Température de 186°C -73°C 168°C fusion Température ---- 136°C ---- d’ébullition Relation entre la masse volumique, la masse et la volume : Masse volumique : C'est une propriété physique qui exprime la masse d'un matériau par unité de volume. Elle est généralement notée par la lettre grecque ρ(rho) et s'exprime en kilogrammes par mètre cube (kg/m³) dans le système international d'unités (SI). ρ= m/V où m c’est la masse et V c’est le volume. 12 Relation entre la densité et la masse volumique: Densité : En général, la densité se réfère à la masse volumique d'un matériau par rapport à celle de l'eau à une température donnée (généralement 4°C). La densité est un rapport sans unité, souvent exprimé en "d"où la densité d'un matériau peut être plus grande ou plus petite que "1". Par exemple, si la densité d'un matériau est 2, cela signifie qu'il est deux fois plus dense que l'eau. D= ρmatériau/ ρeau En résumé, la masse volumique est une mesure absolue, tandis que la densité est un rapport qui compare cette masse volumique à celle d'un standard, comme l'eau. 13  Manipulation II: Synthèse de la p-Méthylacétophénone I. Réaction : II. Manipulation :  Le matériel parfaitement sec et propre se trouve dans l’étuve.  Ne pas toucher avec les doigts les parties qui sont en contact avec les réactifs.  Réaliser le montage le plus vite possible.  Dans un ballon bicol équipé d’une ampoule à brome, d’un agitateur magnétique et d’un réfrigérant. Introduire 25 mL de toluène anhydre et 0.025 moles de chlorure d’aluminium.  Par l’ampoule à brome, ajouter goutte à goutte tout en agitant 0.025 moles de chlorure d’acétyle (on observe une élévation de température).  Une fois l’addition terminée, ajouter 50 mL d’eau glacée, puis décanter.  Extraire, la phase aqueuse obtenue, avec 15 mL de Toluène.  Remettre les deux phases organiques obtenues dans l’ampoule à décanter puis laver avec 50 mL de soude à 10%, (si on lave donc on doit ensuite éliminer la phase aqueuse et garder la phase organique ?  Laver une seconde fois avec 50mL d’eau.  Eliminer la phase aqueuse.  Sécher la solution organique sur sulfate de sodium.  Evaporer le toluène. 14 III. Résultats et interprétations 1- Donner le type de cette réaction et son nom. 2- Quel est le rôle du chlorure d’aluminium. 3- Lors de l’ajout du chlorure d’acétyle on observe une élévation de température. Expliquer ? 4- Donner le mécanisme de la réaction. 5- Déterminer quel est le réactif limitant. 6- Calculer le rendement de la réaction. 7- Interpréter les résultats de la CCM. IV. Conclusion Données : Composé Toluène Chlorure Chlorure p-Méthylacétophénone d’acétyle d’aluminium Masse molaire 92.13 78.49 133.34 134.17 g/mol Masse volumique 0.867 1.11 - 1.005 g/cm3 15