Synthèses organiques

 

 

I. Sécurité et coût

1. Sécurité

Dans un laboratoire, des règles assurent la sécurité :

*      La tenue vestimentaire doit être adaptée (blouse, lunettes, gants, cheveux attachés).

*      Il faut limiter les déplacements (ne pas courir, ne pas renverser).

*      Il faut respecter les précautions à prendre en fonction des risques liés aux réactifs.

*      Il faut réaliser des montages sûrs (température, pression, verrerie bien fixée).

*      Il faut respecter le traitement des déchets (ne pas jeter n'importe quoi à l'évier, utiliser les poubelles adaptées).

 

2. Coût

Le coût d'une synthèse s'estime à partir des prix des réactifs et des solvants. En cas de chauffage fort ou prolongé, le coût énergétique occasionné doit être pris en compte.

 

 

II. Analyse des protocoles

1. Espèces chimiques mises en jeu

Un protocole décrit les espèces chimiques (réactifs, solvant et catalyseur) à introduire et leurs quantités respectives.

 

2. Paramètres expérimentaux

Le choix des paramètres expérimentaux dépend de plusieurs facteurs :

Montage à reflux

*      La température permet de jouer sur l'état physique des composés et est un facteur cinétique.

*      La durée de réaction est un compromis (une durée longue permet de consommer la totalité des réactifs, mais on ne peut attendre trop longtemps).

*      Le solvant assure la solubilisation des réactifs.

*      le pH, pour les réactions en solution aqueuse, peut jouer sur la solubilité des réactifs, être un facteur cinétique ou provoquer des réactions parasites.

 

3. Montage

Le choix du montage dépend des paramètres expérimentaux. Citons par exemple :

*      L'agitation homogénéise les concentrations et la température. Elle aide aussi à solubiliser les réactifs

*      L'ampoule de coulée permet d'ajouter l'un des réactifs progressivement (pour limiter un échauffement nuisible par exemple).

*      Le montage à reflux permet d'augmenter la température du milieu sans perte par évaporation.

*      Des grains de pierre ponce régulent l'ébullition.

 

2.4 Traitement du milieu réactionnel

Lorsque la réaction est terminée, il faut isoler le produit désiré du milieu réactionnel.

*      L'extraction avec une ampoule à décanter tire profit de la différence de solubilité des espèces chimiques dans deux solvants non miscibles. Elle permet soit le lavage d'une phase organique, si les impuretés sont solubles en phase aqueuse, soit l'extraction du produit cherché d'une phase aqueuse.

 

Décantation

Lavage

 

Filtration

*      Le séchage de la phase organique par le sulfate de magnésium ou de sodium anhydre capte les traces d'eau présentes en fin d'extraction ou de lavage.

*      L'évaporation du solvant tire profit des faibles températures d'ébullition des solvants courants.

*      La filtration (sous vide ou non) sépare un solide de la phase liquide.

 

5. Purification

Pour retirer la totalité des impuretés, il faut purifier le produit :

*      La distillation permet la séparation de constituants d'un mélange liquide dont les températures d'ébullition sont différentes.

*      La recristallisation élimine des impuretés présentes dans un solide en jouant sur les différences de solubilité du produit et des impuretés dans un solvant en fonction de la température.

*      La chromatographie sur colonne sépare les constituants d'un mélange comme le permet une CCM. L'avantage de la colonne est de pouvoir récupérer les produits en bas de colonne.

 

6. Analyse

Les analyses permettent d'identifier et de contrôler la pureté du produit ; citons :

*      La chromatographie sur couche mince (CCM).

*      La réalisation de spectres IR, RMN du proton, UV-visible.

*      La vérification de la température de fusion.

 

7. Rendement

Définition : Le rendement d'une synthèse est le rapport entre la quantité de matière de produit effectivement obtenue et la quantité de matière qui pourrait théoriquement se former.

r= n exp n th MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaamaaL4babaGaaGPaVlaaykW7caWGYbGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGUbWaaSbaaSqaaiGacwgacaGG4bGaaiiCaaqabaaakeaacaWGUbWaaSbaaSqaaiaadshacaWGObaabeaaaaGccaaMc8UaaGPaVlaaykW7aaaaaa@4950@  avec { n exp  : quantité de matière de produit obtenue après purification (mol) n th : quantité de matière de produit pour un avancement maximal (mol)  MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=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@B661@

 

 

III. Sélectivité en chimie organique

Protection de fonctions

1. Réactifs chimiosélectifs

Certaines molécules organiques, dites polyfonctionnelles, présentent plusieurs groupes caractéristiques. Ces groupes sont susceptibles d'être transformés au cours d’une même réaction

Exemple : Soit la molécule de 3-hydroxybutanal

Cette molécule polyfonctionnelle possède une fonction aldéhyde et une fonction alcool.

L’oxydation de cette molécule (par un oxydant comme Mn O 4 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad2eacaWGUbGaam4tamaaDaaaleaacaaI0aaabaGaeyOeI0caaaaa@3CA3@  ) peut conduire à une molécule où les deux groupe son oxydés:

acide 3-oxobutanoïque

Un réactif chimiosélectif (comme les ions Ag+) permet, quand il existe, d'oxyder le groupe CHO sans transformer le OH. Le produit est alors obtenu est alors l’acide 3-hydroxybutanoïque:

 

Définition : Un réactif est chimiosélectif si, réagissant sur un composé polyfonctionnel, il ne provoque la transformation que de certains groupes caractéristiques.

 

2. Protection de fonctions

Si aucun réactif chimiosélectif n'est disponible, il faut mettre en place une stratégie de protection de fonction.

Exemple (voir ci-contre)

Pour oxyder le groupe CHO du 3-hydroxybutanal sans modifier son groupe OH, il faut:

*      Transformer le groupe OH de A en un groupe OCOCH3, appelé groupement protecteur.

*      Oxyder le groupe CHO en COOH.

*      Déprotéger pour retrouver le groupe OH.

 

Remarque : ici, la fonction alcool est protégée sous forme d'ester, mais il existe une très grande palette de groupements protecteurs adaptés à chaque fonction à protéger.

 

3. Application de la protection à la synthèse peptidique

Dans le cas de la synthèse peptidique, les composés polyfonctionnels sont les acides α MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiabeg7aHbaa@39D1@  -aminés qui possèdent des groupes amino NH2 et carboxyle COOH.

Exemple :

L’alanine et l’isoleucine peuvent réagir ensemble de deux façons différentes :

ou

 

Pour former le dipeptide alanine-isoleucine, les groupes d'atomes qui doivent réagir sont en bleu et ceux qu'il faut donc protéger sont en rouge.

Les étapes sont les suivantes :

*      Protection du groupe NH2 de l’alanine par une groupe GP1 (groupe de protection n°1).

*      Protection du groupe COOH de l’isoleucine par un groupe GP2.

*      Réaction et formation de la liaison peptidique

*      Réaction de déprotection