1.1. Transformation des réactifs en produits
― Milieu réactionnel : mise en présence des réactifs.
― Agitation : agitateur magnétique et/ou pierre ponce (évite les grosses bulles).
― Chauffage : souvent nécessaire.
― Montage à refluxpermet de chauffer à l’ébullition sans perte de matière : peut alors être utile. (doc 1)
Exemple : Synthèse de l'arôme de banane
Protocole : Dans un ballon, introduire :
- 60 ml d'acide éthanoïquenommé aussi acétique
- 40 ml de 3-méthylbutan-1-olnommé aussi alcool isoamylique
- 40 gouttes d'acide sulfurique - catalyseuraccélère une réaction sans modifier l'état d’équilibre
- 4 ou 5 grains de pierre ponce
- Réaliser le montage du chauffage à reflux → doc 1
- Faire circuler l'eau froide dans le réfrigérant
- Porter le mélange à ébullition pendant 25 min
- Débrancher puis enlever le chauffe-ballon, laisser refroidir le mélange réactionnel
Autre protocole : Utiliser un four à micro-ondes. Moins d'énergie. Meilleur rendement
Synthèse de l'éthanoate de 3-methylbutyle
Réaction entre l'acide éthanoïque
et le 3-méthylbutan-1-ol
1.2. Isoler le produit synthétisé
1.2.1 Le produit synthétisé est un liquide non miscible avec le milieu
Si l’espèce chimique à isoler est un liquide non miscible avec le mélange réactionnel, on peut l’isoler par décantation (doc 2).
Protocole : Cas de la synthèse de l'arôme de banane
- Après chauffage à reflux, verser le milieu réactionnel dans une ampoule à décanter.
- Ajouter de l'eau froide pour solubiliser l'acide éthanoïque résiduel et l’acide sulfurique.
- Agiter, puis laisser décanter.
- L’éthanoate de 3-méthylbutyle (phase organique, moins dense que l’eau) surnage.
- Éliminer la phase aqueuse (en bas de l’ampoule).
doc 2 : ampoule à décanter
1.2.2 Le produit synthétisé est un liquide miscible avec le milieu
Si l’espèce chimique à isoler est un liquide miscible avec le mélange réactionnel, on peut l’isoler par distillation fractionnée (doc 3).
Cela est possible si la température d'ébullition de l'espèce à isoler est (nettement) plus basse que celles des autres constituants du mélange.
Protocole : Cas de l'acétate de méthyle, soluble dans l'eau
Dans une synthèse de l'acétate de méthyle (estérification de l'acide acétique avec du méthanol + acide), on obtient :
- L'acétate de méthyle : point d’ébullition : 57°C
- Du méthanol (64,7°C)
- De l’eau (100°C)
- De l’acide acétique non réagi (118°C)
L'acétate de méthyle peut être séparé de l’eau et de l’acide acétique résiduel.
doc 3 : distillation fractionnée
1.2.3 Le produit synthétisé est un solide
Un entonnoir Büchner est utilisé pour la filtration sous vide, permettant de séparer un produit solide de son milieu réactionnel (doc 4).
Protocole : Cas de l'aspirine (paracétamol aussi...)
- L’aspirine s'obtient en chauffant l’acide salicylique et l’anhydride acétique (+ H2SO4)
- De l’eau froide hydrolyse l’excès d’anhydride acétique
- L’aspirine se précipite sous forme de cristaux blancs
- Préparer l’entonnoir Büchner avec papier filtre humide
- Connecter la fiole à vide à la trompe à eau (aspiration)
- Verser doucement le mélange dans l’entonnoir
- L’aspirine solide reste sur le filtre tandis que le liquide est aspiré
doc 4 : entonnoir Büchner pour filtration sous vide
1.2.4 Le produit synthétisé est dissous
- La technique d'extraction liquide/liquide (§ 3.2 du ch. 6) serait alors pertinente.
- Le relargage est parfois utilisé.
Protocole : Cas du savon de Marseille 😎 😉
- Avec la réaction chimique entre l'huile d'olive et la soude NaOH, le savon se forme (sel de sodium d’acide gras) et de la glycérine.
- À cette étape, on doit isoler le savon de la solution de réaction. Les maîtres savonniers ajoutent du sel marin. En effet, le savon étant insoluble dans l’eau salée, cela entraîne la descente au fond de la cuve de la lessive de soude en excès. Le savon se sépare d’une partie de son eau et reste en surface. Cette opération se nomme le relargage.
La purification. Après avoir isolé le produit souhaité, il convient d'éliminer d'éventuelles "impuretés" (réactifs non transformés, sous-produits, excès de solvants, etc.)
EXEMPLES :
– Lavage 💧 : Laver le produit avec de l’eau ou une solution aqueuse permet d’éliminer les impuretés solubles (exemple : laver un ester avec de l’eau pour enlever l’acide carboxylique restant).
On peut aussi utiliser une solution basique ou acide pour neutraliser des traces d’acide ou de base.
– Séchage : L'eau 💧 elle-même doit être éliminée. Le séchage d’une phase organique peut se faire en introduisant un solide ionique anhydre.
– Recristallisation : Si le produit est un solide (exemple : certains savons), on le dissout dans un solvant chaud, puis on le laisse recristalliser en refroidissant, ce qui permet d’obtenir des cristaux plus purs.
Pour identifier le produit de synthèse obtenu, on utilise différentes techniques d'analyse basées sur ses propriétés caractéristiques. Voici cinq exemples de propriétés couramment utilisées pour l'identification.
– Température de fusion et d’ébullition : Chaque composé pur a une température de fusion (mesurable au banc Köfler) et d'ébullition spécifique. Comparer ces valeurs avec celles des bases de données.
– Spectroscopie infrarouge (IR) : Permet d'identifier les groupes fonctionnels présents dans la molécule §3 du ch.7.
– Chromatographie (CCM) : Permet de comparer la rétention du composé avec des références connues et d’évaluer sa pureté.
– Masse volumique : Exprimée en g/mL ou g/cm³, elle permet d’identifier un composé en le comparant aux valeurs de référence.
Le rendement d’une réaction de synthèse rend compte de l’efficacité avec laquelle les réactifs ont été transformés en produit souhaité.
Le rendement est le rapport entre la quantité de produit obtenu expérimentalement et la quantité maximale théorique que l’on pourrait obtenir si la réaction était parfaite (totale et sans perte).
Il s’exprime en pourcentage selon la formule :
\( \displaystyle\mathsfit{η\ =\ \frac{m_{exp}}{m_{max}}} \)
ou en quantités de matière :
\( \displaystyle\mathsfit{η\ =\ \frac{n_{exp}}{n_{max}}} \)
Ce nombre sans unité est compris entre 0 et 1. η x 100 exprimera le rendement en pourcentage (%).
Exercice : Rendement d'une synthèse de l'arôme de banane.
On réalise la synthèse de l’éthanoate de 3‑méthylbutyle en faisant réagir 0,5 mol d’acide éthanoïque et 0,5 mol d’alcool 3‑méthylbutan‑1‑ol en présence d’un catalyseur. Après purification, on récupère un volume V = 44,8 mL d'ester.
Données :
Masse molaire de l’éthanoate de 3-méthylbutyle : M = 130 g/mol
Masse volumique de l’éthanoate de 3-méthylbutyle : ρ = 0,87 g/mL
1. Quelle masse d'ester a été obtenue expérimentalement ?
2. Calculer la masse théorique de ce même produit.
3. Quel est le rendement de cette réaction ?