Synthèse et caractérisation chimique

Objectif

Conduire une synthèse au laboratoire, purifier le produit et prouver son identité.

1. Les étapes d'une synthèse

1. Transformation : mélange des réactifs, chauffage à reflux (chauffe sans perte de matière, le réfrigérant condense les vapeurs). L'ajout de pierre ponce évite les à-coups d'ébullition.
2. Isolement : hydrolyse, extraction liquide-liquide en ampoule à décanter avec un solvant non miscible dans lequel le produit est très soluble, séchage sur sulfate de magnésium anhydre.
3. Purification : recristallisation (solide) ou distillation fractionnée (liquide), filtration sur Büchner.
4. Caractérisation et calcul du rendement.

2. Rendement

η = n(expérimental) / n(théorique maximal) × 100.

Le maximum théorique se calcule à partir du réactif limitant (plus petit rapport n_i/ν_i).

Exemple : synthèse de l'aspirine à partir de 2,00 g d'acide salicylique (M = 138 g·mol⁻¹), soit 1,45×10⁻² mol, avec l'anhydride éthanoïque en excès. Masse théorique d'aspirine (M = 180 g·mol⁻¹) : 2,61 g. Masse obtenue après recristallisation : 1,95 g ⇒ rendement de 75 %. Les pertes proviennent de la solubilité résiduelle et des transferts.

3. Caractérisation

• Température de fusion au banc Kofler : une valeur nette et conforme à la table (aspirine : 135 °C) signe un produit pur ; un solide impur fond plus bas et sur un intervalle large.
• Chromatographie sur couche mince (CCM) : Rf = distance parcourue par la substance / distance du front de solvant. Une seule tache à même hauteur que le témoin ⇒ produit unique et identifié.
• Spectroscopie infrarouge : identification des groupes caractéristiques — O–H alcool large 3200–3600 cm⁻¹, C=O ester 1735 cm⁻¹, C=O acide carboxylique 1710 cm⁻¹ avec O–H très large 2500–3200 cm⁻¹.
• RMN du proton : le déplacement chimique renseigne sur l'environnement, la courbe d'intégration sur le nombre de protons, la multiplicité (règle des n+1 pics) sur les voisins. Un triplet associé à un quadruplet caractérise un groupe éthyle.

4. Sécurité et chimie verte

Lecture obligatoire des pictogrammes SGH et des mentions de danger avant manipulation, travail sous hotte pour les solvants volatils, port des EPI. Les 12 principes de la chimie verte orientent les protocoles modernes : économie d'atomes, catalyse plutôt que réactifs stœchiométriques, solvants moins toxiques (eau, éthanol), limitation des déchets mesurée par le facteur E (masse de déchets / masse de produit).

À retenir

• Reflux, extraction, recristallisation : trois gestes clés.
• Le rendement se calcule à partir du réactif limitant.
• Kofler + CCM + IR/RMN = preuve de pureté et d'identité.