CHAPITRE 7 : Chimie de synthèse et des nouveaux matériaux Flipbook PDF

La chimie organique est une branche de la chimie qui s’occupe de l’étude scientifique et de la transformation de molécul

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CHAPITRE 7 CHIMIE DE SYNTHESE ET DES NOUVEAUX MATERIAUX

CHIMIE 1S

La chimie organique est une branche de la chimie qui s’occupe de l’étude scientifique et de la transformation de molécules d’origine pétrolière ou vivante contenant principalement du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’azote.

David LATOUCHE Lycée Saint-Exupéry Mantes-la-Jolie

D. LATOUCHE

Thème n° 3 : « Agir »

CH7 Chimie 1S

Chapitre 7 Chimie de synthèse et nouveaux matériaux  Les composés organiques oxygénés (composés exclusivement de carbone, d’hydrogène et d’oxygène) sont à la base de nombreuses réactions en chimie organique, comme les synthèses de nouvelles molécules.  On distingue trois familles de molécules : les alcools (étudiés au chapitre 5), les aldéhydes, les cétones, et les acides carboxyliques.

1.2. Les cétones  Définition : Une cétone possède le groupe carbonyle situé dans la chaîne carbonée. La formule générale d’une cétone s’écrit : O R

Rappel : un groupe caractéristique est un groupe d'atomes qui donne des propriétés spécifiques aux molécules qui le possèdent. On dit que ces molécules forment une famille chimique. Exemple : Pour les alcools, c’est le groupe hydroxyle −OH.

C

R’

 Nomenclature : On nomme une cétone en remplaçant le e final de l'alcane dont elle dérive par la terminaison one précédée éventuellement de l'indice de position du carbone fonctionnel (carbone du groupe carbonyle). Exemples :

1. Famille des composés carbonylés Il existe deux familles de composés carbonylés, c’est-àdire possédant le groupe carbonyle : propanone O 2-méthylpropanal C

1.3. Identification des aldéhydes et des cétones

Ce sont les aldéhydes et les cétones. 1.1. Les aldéhydes  Définition : Un aldéhyde possède le groupe carbonyle situé en bout de chaîne carbonée. La formule générale d’un aldéhyde s’écrit :

 Test commun aux aldéhydes et aux cétones Les composés carbonylés (aldéhydes et cétones) se caractérisent à l'aide de la 2,4-dinitrophénylhydrazine (DNPH) avec laquelle ils donnent un précipité jaune orangé.  Tests caractéristiques des aldéhydes

O R

C

H

 Nomenclature : On nomme un aldéhyde en remplaçant le e final de l'alcane dont il dérive par la terminaison al. La chaîne carbonée d'un aldéhyde est numérotée à partir du carbone fonctionnel (le carbone du groupe carbonyle). Exemples :

éthanal

2-méthylpropanal

En présence d'un aldéhyde, le réactif de Schiff (fuschine décolorée par le dioxyde de soufre), qui est incolore prend une teinte rose violacée, à froid (voir ci-contre).

On emploie une solution de liqueur de Fehling (solution basique composés d’ions Cu2+ complexés par les ions tartrate T2–). Le complexe obtenu est bleu foncé, et est noté [Cu T2]2–. On introduit un volume double de liqueur de Fehling à celui d’un aldéhyde. On obtient le tube de gauche : mélange bleu clair. On chauffe doucement et on agite. On obtient le tube de droite : mélange orangé avec précipité orange foncé. C’est un précipité d’oxyde de cuivre Cu2O(s).

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Thème n° 3 : « Agir »

Un troisième test appelé réactif de Tollens (solution de nitrate d'argent ammoniacale) permet d’identifier les aldéhydes. Par chauffage modéré (50°C environ) le mélange avec un aldéhyde dans une verrerie très propre conduit à la formation d'un « miroir d'argent » sur les parois de la verrerie.

2. Famille des acides carboxyliques 2.1. Définition et nomenclature  Définition : Les molécules de cette famille présentent toutes le groupe carboxyle en bout de chaîne :

OH

O C

2.3. Solubilité  Les acides carboxyliques de petite chaîne carbonée (c'est-à-dire possédant moins de quatre atomes de carbone) sont très solubles dans l'eau. Leur solubilité décroît au fur et à mesure que la chaîne carbonée s'agrandit.  Cette solubilité s'explique par : - le caractère polaire du groupe carboxyle ; - la possibilité du groupe carboxyle de former des liaisons hydrogène avec l'eau.

 Une oxydation ménagée modifie uniquement le groupe caractéristique de la molécule ; le squelette carboné est inchangé.

La formule générale d’un acide carboxylique s’écrit :

R

Le caractère acide est marqué par la présence d'ion oxonium H3O+ en solution aqueuse. La mise en évidence expérimentale de ce caractère acide peut être faite à l'aide d'un pH-mètre (pH < 7 à 25°C) ou plus simplement à l'aide d'un indicateur coloré ou du papier pH.

3. Oxydation ménagée des alcools

O C

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 L’oxydant utilisé est en général une solution aqueuse de permanganate de potassium acidifiée.

OH

 Nomenclature : On nomme un acide carboxylique en remplaçant le e final de l'alcane dont il dérive par la terminaison oïque et en le faisant précéder du mot acide. On numérote la chaîne carbonée à partir du carbone fonctionnel (carbone du groupe carboxyle).

 Réactivité des alcools en fonction des conditions expérimentales :

Exemples :

Remarque : On utilise le sigle [o] pour symboliser une oxydation.

Acide éthanoïque

Acide méthylpropanoïque

2.2. Caractère acide  Leur solution aqueuse possède un caractère acide. Un acide carboxylique fait partie du couple acide/base : R−COOH / R−COO– acide carboxylique / ion carboxylate Exemple : CH3−COOH / CH3−COO– acide éthanoïque / ion éthanoate  L'équation générale de la carboxylique avec l'eau s'écrit :

réaction

d'un

R−COOH + H2O → R−COO– + H3O+

acide

Exemple : oxydation de l’éthanol par le permanganate de potassium On prépare deux tubes à essai contenant respectivement 1mL d'eau et 1mL d'éthanol (de gauche à droite sur l'image). On ajoute à chaque tube environ 1mL de la solution acidifiée de permanganate de potassium (éventuellement tiédit légèrement au bain marie). Dans le tube contenant l'éthanol, il y a décoloration de la solution de permanganate de potassium. Interprétation : Lors de la réaction, les ions permanganate (de teinte violette) sont réduits en ions manganèse Mn2+ (incolores). L’éthanol (CH3−CH2−OH), alcool primaire, est oxydé en éthanal (CH3−CHO, incolore). Les couples rédox mis en jeu sont :

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Thème n° 3 : « Agir »

✓MnO4–(aq) / Mn2+(aq) :

4.3. Synthèse et hémisynthèse biologiquement actives

MnO4–(aq) + 5 e- + 8 H+ = Mn2+(aq) + 4 H2O(l)

✓CH3−CHO(aq) / CH3−CH2−OH(aq) : CH3−CH2−OH(aq) = CH3−CHO(aq) + 2

H+

+2

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e–

✓CH3−COOH(aq) / CH3−CHO (aq) : CH3−CHO(aq) = CH3−COOH(aq) + 2H+ + 2 e– (si l’oxydant est en excès)  1er cas : MnO4–(aq) + 5 e– + 8 H+ = Mn2+(aq) + 4 H2O(l) : 2 CH3−CH2−OH(aq) = CH3−CHO(aq) + 2 H+ + 2 e– : 5 ________________________________________ 5 CH3−CH2−OH(aq) + 2 MnO4–(aq) + 6 H+ → 5 CH3−CHO(aq) + 2Mn2+(aq) + 8 H2O(l)  2ème cas : MnO4–(aq) + 5 e– + 8 H+ = Mn2+(aq) + 4 H2O(l) : 2 CH3−CHO(aq) = CH3−COOH(aq) + 2 H+ + 2 e– : 5 ________________________________________ 5 CH3−CHO(aq) + 2 MnO4–(aq) + 6 H+ → 5 CH3−COOH(aq) + 2 Mn2+(aq) + 3 H2O(l)

de

molécules

 Une molécule biologiquement active est une molécule qui a la propriété d'interagir avec l'organisme.  Il est possible de produire ces espèces : - par synthèse, à partir de molécules simples ; - par hémisynthèse, à partir d'espèces chimiques naturelles ayant une structure proche, appelées précurseurs. 4.4. Montage de chauffage à reflux Certaines synthèses sont lentes à température ambiante. Il est possible de les accélérer en chauffant le mélange réactionnel de manière à le porter à ébullition grâce à un dispositif de chauffage à reflux. Un réfrigérant vertical à eau refroidit et liquéfie les vapeurs formées évitant ainsi la perte des réactifs et des produits par vaporisation.

4. Elaboration de molécules complexes 4.1. Domaine complexes

de

développement

de

molécules

 L'élaboration de molécules à architecture complexe, à partir de produits simples et peu coûteux, constitue l'un des nouveaux défis de l'industrie chimique, qui fabrique les matières actives pour la pharmacie (synthèse des médicaments), l'agrochimie (phytosanitaires...), la parachimie (peintures, adhésifs...), la physique des matériaux (conduction, résistance aux contraintes, …) ...  La synthèse de molécules complexes consiste à construire des édifices moléculaires en utilisant des réactions répondant à un certain nombre de critères de sélectivité. L'allongement des synthèses augmente graduellement la complexité, donc la valeur commerciale d'une molécule. 4.2. Critères de la synthèse de molécules complexes La synthèse optimisée de molécules complexes doit répondre à cinq critères essentiels :  Obtenir des produits toujours plus performants et présentant un seul type de propriété, sans effets secondaires indésirables.  Reposer sur des procédés de synthèse "propres" donc respectueux de l'environnement et de rendement élevé, ce qui nécessite généralement de développer au maximum les processus catalytiques.  Diminuer le coût de revient d'une molécule en réduisant le nombre d'étapes d'une synthèse.  Minimiser les co-produits et les effluents.  Recycler les solvants.

 Sortie d’eau  Réfrigérant vertical à eau  Entrée d’eau  Ballon à fond rond  Chauffe-ballon électrique  Support élévateur 4.5. Rendement d’une synthèse  Lors d'une synthèse, la masse de produit obtenue est toujours inférieure à la masse attendue car les différentes étapes entraînent des pertes de produits.  Définition : Le rendement  d'une transformation chimique est le rapport, exprimé en pourcentage, entre la masse de produit effectivement obtenu et la masse maximale attendue, calculée avec l'hypothèse d'une réaction totale.  =

𝑚(𝑒𝑥𝑝é𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒) 𝑚 (𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛𝑑𝑢𝑒)

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Thème n° 3 : « Agir »

4.6. Chromatographie sur couche mince (CCM)  La chromatographie sur couche mince (C.C.M.) est une technique utilisée pour séparer et identifier les espèces chimiques contenues dans un mélange.

 Etape 1 : Préparation de la phase fixe On trace au crayon à papier une ligne de dépôt (ou ligne de base) horizontale sur un support poreux (papier buvard ou gel de silice déposé sur une plaque de verre) à environ 2 cm du bord inférieur. On dépose sur cette ligne une petite goutte du mélange à analyser ainsi qu’une petite goutte de chacune des espèces pures, appelées authentiques, dont on veut tester la présence dans le mélange.  Etape 2 : Elution Le support poreux (phase fixe) est plongé verticalement dans un solvant approprié appelé éluant (phase mobile) de telle façon que la ligne de dépôt se trouve au-dessus du niveau de ce dernier. Par capillarité, l’éluant va monter verticalement le long du support poreux. Lors de son passage, il entraîne plus ou moins avec lui les différentes espèces chimiques du mélange et les sépare les unes des autres sous forme de taches: plus une espèce chimique est soluble dans l’éluant, plus elle montera haut. Lorsque l’éluant arrive près du sommet, on retire le support et on le sèche.

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Les hauteurs h et H se mesurent sur le support à l’aide d’une règle graduée.

4.7. Pictogrammes de sécurité

5. Elaboration de nouveaux matériaux 5.1. Les polymères (matières plastiques)  Une polyaddition permet de synthétiser des grosses molécules (masse molaire supérieure à 10 000 g/mol), appelées polymères ou macromolécules, à partir de petites, appelées monomères.  Ecriture d’une réaction de polyaddition :

 Etape 3 : Révélation (si nécessaire) Les taches sur le support peuvent être invisibles. On peut alors les révéler par différentes méthodes (dites de révélation) : - photochimique (exposition aux rayons U.V.) ; - chimique (réaction avec une solution de permanganate de potassium ou avec de la vapeur de diode).  Etape 4 : Analyse du chromatogramme On procède au calcul du rapport frontal Rf et / ou à l’identification par comparaison des espèces chimiques. Deux espèces chimiques identiques auront les centres de leur tache situés à la même hauteur : elles possèderont donc le même rapport frontal. Le rapport frontal est le quotient de la hauteur h atteinte par le centre de la tache de substance considérée par la hauteur H atteinte par le front de l’éluant : Rf =



h H

5.2. Matériaux amorphes et cristallins  Un matériau cristallin présente un agencement régulier des entités élémentaires qui le compose et possède une température de fusion fixe lorsqu’il passe de l’état solide à l’état liquide. Les métaux et les minéraux sont des exemples de matériaux cristallins.

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Thème n° 3 : « Agir »

.

 Un matériau amorphe est figé, comme un solide, mais ses entités élémentaires constitutives, réparties de façon irrégulière, conduisent à une structure microscopique désordonnée, comme celle des liquides. Il présente une température de transition vitreuse au-delà de laquelle ils sont déformables. Les verres sont par exemple des matériaux amorphes : on dit deux qu’ils sont des « liquides qui ne coulent pas ». 5.3. La nanochimie  Les nanoparticules issues des nanotechnologies sont des particules dont l’une des dimensions est inférieure ou égale à 100 nm (1 nm = 10–9 m). A cette échelle, les propriétés de la matière changent : il en résulte de nouvelles applications dans de très nombreux domaines (textiles, cosmétiques, médicaments…).  Par exemple, les « nanovecteurs » tels que les liposomes sont des « nanomédicaments » qui protègent le principe actif et le transportent directement jusqu’aux cellules cibles. Cela permet de limiter les effets secondaires indésirables (effets secondaires) puisque le principe actif est délivré d’une manière ciblée à plus petite dose.

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Thème n° 3 : « Agir »

CH7 Chimie 1S

 Exercice d’application 1 1. 2. 3. 4.

Indiquer la nature des groupes caractéristiques présents dans les molécules ci-après. En déduire la famille à laquelle appartient chacune de ces molécules. Donner le nom en utilisant la nomenclature officielle de ces molécules. Lorsqu’il s’agit d’un alcool, vous indiquerez sa classe. OH

a)

O

O b)

OH

c)

O

d)

OH OH e)

f)

g)

O

h) O

O

 Exercice d’application 2 Donner la formule semi-développée des molécules dont les noms suivent : a) pentan–3–ol d) propanone

b) acide–2–méthylbutanoïque e) pentan–3–one

c) 2–éthylbutanal

 Exercice d’application 3 On dispose, au laboratoire de sciences physiques du lycée, de 5 flacons contenant chacun une espèce chimique dont les étiquettes ont été mélangées. Les espèces chimiques contenues dans les flacons sont : le propan–1–ol ; le 2–méthylbutan–2–ol ; la propanone ; le butanal et l’acide éthanoïque. Afin d’attribuer la bonne étiquette au bon flacon, on procède à une série de tests chimiques dont les résultats sont consignés dans le tableau ci-dessous : Numéro du flacon

Test

Résultats

1

Papier pH

pH < 7

2

2,4–DNPH

positif

2

Liqueur de Fehling

positif

3

2,4–DNPH

positif

3

Liqueur de Fehling Solution acidifiée de permanganate de potassium Solution acidifiée de permanganate de potassium

négatif

4 5

1. A quelle famille appartient chaque molécule ? 2. Identifier l’espèce chimique présente dans chaque flacon.

positif négatif

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Thème n° 3 : « Agir »

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 Exercice d’application 4 Compléter les équations chimiques suivantes : OH

[o] défaut

[o] OH

excès

OH [o] défaut OH [o] excès OH [o]

OH

excès Vous donnerez l’écriture topologique ainsi que la famille chimique des produits obtenus.

 Exercice d’application 5 Donner la formule semi-développée ainsi que la classe des alcools permettant d’obtenir les produits suivants par oxydation ménagée : O O O 1. H

4.

OH

2.

O

O

3. O

HO

 Exercice d’application 6 L’aspirine est le nom commercial d’un célèbre médicament synthétisé, pour la première fois en 1897, par le chimiste allemand Felix Hoffmann. Il s’agit de l’acide acétylsalicylique, obtenu à partir d’acide salicylique et d’anhydride éthanoïque. L’équation chimique de cette réaction de synthèse est la suivante :

O O C OH OH

+ CH3

O

O

C

C O

OH

=

+ O CH3

anhydride éthanoïque

C H3C

OH

C O

acide salicylique

O

C

aspirine

CH3

acide éthanoïque

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Thème n° 3 : « Agir »

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Un groupe d’élèves réalise au laboratoire la synthèse de l’aspirine selon le protocole expérimental suivant :  Introduire dans un ballon 5,0 g d’acide salicylique, 10 mL d’anhydride éthanoïque à 10 mol.L–1, et quelques gouttes d’acide sulfurique (catalyseur).  Réaliser un montage de chauffage à reflux et chauffer pendant une vingtaine de minutes.  Ajouter à la fin de la synthèse, de l’eau froide dans le milieu réactionnel.  Filtrer, sur un dispositif de filtration sous vide (büchner), le mélange obtenu et récupérer les cristaux d’aspirine.  Les cristaux récupérés sont impurs. Les purifier par recristallisation. Filtrer de nouveau sur büchner et peser les cristaux récupérés. 1. Sur la bouteille d’anhydride éthanoïque, on trouve les pictogrammes de sécurité suivants :

a) Rappeler la signification de ces pictogrammes de sécurité. b) Que faut-il porter afin de garantir sa sécurité ? 2. Identifier et nommer les groupes caractéristiques de la molécule d’acide salicylique. 3. Quel est le rôle de l’acide sulfurique ? 4. Vérifier que l’anhydride éthanoïque est en excès au début de la transformation chimique et compléter le tableau d’avancement suivant : O O C

Equation chimique

OH

OH

+ CH3

O

O

C

C O

C

=

Avancement 0 x xf

+

O

CH3

C O

Etat initial intermédiaire final

O OH C H3C

CH3

Quantités de matière

5. La masse de cristaux d’aspirine obtenue est de 6,0 g. Quel est le rendement de la synthèse ? Données : M(H) = 1,00 g.mol–1 ; M(C) = 12,0 g.mol–1 ; M(O) = 16,0 g.mol–1

 Exercice d’application 7 Ecrire l’équation chimique associée à la polymérisation des molécules suivantes : 1.

CH 2

CH 2

2.

3. Ecrire la formule des monomères permettant de synthétiser les polymères suivants :

OH

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Thème n° 3 : « Agir »

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