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Élaborer des stratégies en synthèse organique⚓︎

1. Réactions sélectives et protection de fonctions⚓︎

Les molécules organiques complexes (comme les médicaments ou les principes actifs) possèdent souvent plusieurs groupes caractéristiques : on parle de molécules polyfonctionnelles. Lors d'une synthèse, un réactif peut potentiellement réagir avec plusieurs de ces groupes.

Chimiosélectivité

Une réaction est dite chimiosélective si, parmi plusieurs groupes caractéristiques présents au sein d'une ou de plusieurs molécules, un réactif réagit préférentiellement (ou exclusivement) avec l'un d'entre eux.

Si l'on souhaite faire réagir un groupe caractéristique particulier sans modifier les autres groupes sensibles de la molécule, on doit utiliser une stratégie de protection / déprotection.

Protection et déprotection

  • Protection : on transforme temporairement le groupe caractéristique sensible que l'on veut conserver en un autre groupe (le groupe protecteur) inerte vis-à-vis du réactif utilisé pour l'étape suivante.
  • Déprotection : une fois la réaction souhaitée effectuée sur le reste de la molécule, on restitue le groupe caractéristique initial en retirant le groupe protecteur.

Une telle stratégie ajoute deux étapes à la synthèse globale, ce qui peut faire baisser le rendement et augmenter l'impact environnemental.

Principe de la protection

Un chimiste souhaite réaliser une réaction sur le groupe carbonyle (cétone) d'une molécule qui possède également un groupe hydroxyle (alcool). Le réactif qu'il compte utiliser détruit le groupe hydroxyle.

  1. Pourquoi dit-on que le réactif utilisé n'est pas chimiosélectif ?
  2. Proposer une stratégie pour contourner ce problème.
Corrigé
  1. Le réactif n'est pas chimiosélectif car il réagit avec les deux fonctions de la molécule (la cétone et l'alcool) sans distinction.

  2. Il faut utiliser une stratégie de protection :

  3. Étape 1 : Protéger le groupe hydroxyle (alcool) avec un groupe protecteur inerte.

  4. Étape 2 : Réaliser la réaction souhaitée sur le groupe carbonyle (cétone).
  5. Étape 3 : Déprotéger l'alcool pour retrouver le groupe hydroxyle initial.

2. Rendement d'une synthèse⚓︎

Le rendement permet d'évaluer l'efficacité d'une synthèse chimique.

Rendement d'une réaction

Le rendement \( \eta \) (ou \( r \)) d'une synthèse est le rapport entre la quantité de matière de produit expérimentalement obtenue \( n_{\text{exp}} \) et la quantité de matière théorique maximale attendue \( n_{\text{th}} \) :

\( \eta = \frac{n_{\text{exp}}}{n_{\text{th}}} = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} \)

Le rendement s'exprime sans unité, souvent sous forme de pourcentage (multiplié par 100). Il est toujours inférieur ou égal à 1 (ou 100 %).

Dans le cas d'une synthèse multi-étapes (succession de plusieurs réactions), le rendement global est le produit des rendements de chaque étape.

\( \eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots \times \eta_n \)

Calcul de rendement

La synthèse de l'aspirine s'effectue en une étape à partir de l'acide salicylique. Pour une masse attendue théoriquement de \( m_{\text{th}} = 5,0 \text{ g} \) d'aspirine, un élève obtient expérimentalement une masse purifiée de \( m_{\text{exp}} = 3,8 \text{ g} \).

  1. Calculer le rendement de cette synthèse.
  2. Si cette synthèse s'insérait dans un processus à trois étapes ayant des rendements respectifs de 76 %, 85 % et 90 %, quel serait le rendement global ?
Corrigé
  1. Le rendement de l'étape est :
    \( \eta = \frac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{th}}} = \frac{3,8}{5,0} = 0,76 \)
    Le rendement est de 76 %.
  2. Le rendement global est le produit des rendements :
    \( \eta_{\text{global}} = 0,76 \times 0,85 \times 0,90 \approx 0,58 \)
    Le rendement global de cette synthèse serait de 58 %.

3. Optimisation d'une étape de synthèse⚓︎

En chimie industrielle ou en laboratoire, on cherche toujours à optimiser une synthèse, c'est-à-dire à la rendre plus rapide et avec un meilleur rendement.

Leviers d'optimisation

  • Améliorer la vitesse de réaction : On peut augmenter la température du milieu réactionnel (chauffage à reflux) ou ajouter un catalyseur adapté.
  • Améliorer le rendement (déplacer l'équilibre) : Si la transformation est limitée, on peut augmenter le rendement en introduisant un réactif en excès ou en éliminant un des produits au fur et à mesure de sa formation (par exemple, distillation de l'eau formée lors d'une estérification).

Optimisation d'une estérification

L'estérification entre l'acide éthanoïque et l'éthanol est lente et limitée.

  1. Comment accélérer cette synthèse sans modifier l'état final ?
  2. Comment déplacer l'équilibre pour améliorer le rendement ?
Corrigé
  1. Pour accélérer la synthèse, on peut chauffer le mélange réactionnel (souvent un chauffage à reflux pour éviter les pertes) et ajouter un catalyseur (comme quelques gouttes d'acide sulfurique concentré).
  2. Pour déplacer l'équilibre dans le sens direct et améliorer le rendement, on peut utiliser l'un des réactifs (l'acide ou l'alcool) en large excès, ou éliminer l'eau au fur et à mesure de sa formation.

4. Stratégie éco-compatible (Chimie verte)⚓︎

La chimie verte a pour but de concevoir des procédés chimiques qui réduisent ou éliminent l'utilisation et la synthèse de substances dangereuses, et qui minimisent l'impact sur l'environnement.

Parmi les 12 principes de la chimie verte, on retrouve notamment l'utilisation de ressources renouvelables, l'emploi de solvants non toxiques, la limitation des étapes de synthèse, et la maximisation de l'économie d'atomes.

Économie d'atomes (Utilisation Atomique)

L'économie d'atomes (ou Utilisation Atomique, UA) évalue la proportion d'atomes des réactifs qui se retrouvent dans le produit désiré.

\( \text{UA} = \frac{M_{\text{produit voulu}}}{\sum M_{\text{réactifs}}} \)

Où \( M \) représente la masse molaire des espèces, en tenant compte des coefficients stœchiométriques de l'équation de la réaction.

Plus l'UA est proche de 1 (ou 100 %), moins la réaction génère de sous-produits inutiles (déchets).

Calcul de l'Utilisation Atomique

Considérons la réaction de substitution nucléophile suivante pour former l'éthanol (\( \text{C}_2\text{H}_6\text{O} \), \( M = 46,0 \text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} \)) :

\( \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6\text{O} + \text{NaCl} \)

Données : \( M(\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}) = 64,5 \text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} \) et \( M(\text{NaOH}) = 40,0 \text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} \).

Calculer l'utilisation atomique de cette synthèse.

Corrigé

L'utilisation atomique est donnée par :
\( \text{UA} = \frac{M(\text{C}_2\text{H}_6\text{O})}{M(\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}) + M(\text{NaOH})} \)
\( \text{UA} = \frac{46,0}{64,5 + 40,0} = \frac{46,0}{104,5} \approx 0,44 \)

L'économie d'atomes n'est que de 44 %, ce qui signifie que 56 % de la masse des réactifs est transformée en sous-produit (\( \text{NaCl} \)).

Exercices d'application⚓︎

Analyse d'une stratégie de synthèse

Pour synthétiser le dipeptide Gly-Ala à partir des acides aminés Glycine et Alanine, on doit protéger le groupe amine de la Glycine et le groupe acide carboxylique de l'Alanine.

  1. Pourquoi ces étapes de protection sont-elles indispensables ?
  2. Quel est l'inconvénient principal de l'ajout de ces étapes sur l'impact environnemental de la synthèse ?
Corrigé
  1. Les acides aminés possèdent tous les deux un groupe amine et un groupe acide carboxylique. Sans protection, ils pourraient réagir entre eux de multiples façons (Gly-Gly, Ala-Ala, Ala-Gly...), formant un mélange de plusieurs dipeptides. La protection assure la chimiosélectivité pour n'obtenir que le dipeptide ciblé (Gly-Ala).
  2. L'ajout d'étapes de protection et de déprotection augmente la durée de la synthèse, consomme davantage de réactifs et de solvants, génère plus de déchets et diminue l'économie d'atomes, ce qui va à l'encontre des principes de la chimie verte.
Erreurs fréquentes
  • Confusion entre Rendement et Économie d'atomes : Le rendement compare la masse expérimentale obtenue à la masse maximale théorique (il dépend des manipulations). L'économie d'atomes (UA) est une valeur purement théorique qui dépend uniquement de l'équation de la réaction chimique choisie.
  • Additionner les rendements d'une synthèse multi-étapes : Le rendement global d'une synthèse à plusieurs étapes se multiplie (\( \eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots \)), il ne s'additionne pas. Un grand nombre d'étapes fait chuter drastiquement le rendement global.
  • Oublier les coefficients stœchiométriques dans le calcul de l'UA : Si un réactif a un coefficient 2 dans l'équation, il faut multiplier sa masse molaire par 2 au dénominateur de la formule de l'utilisation atomique.