C9. Synthèses organiques

• Identifier, dans un protocole, les opérations réalisées pour optimiser la vitesse de formation d’un produit.
• Justifier l’augmentation du rendement d’une synthèse par introduction d’un excès d’un réactif ou par élimination d’un produit du milieu réactionnel.
• Mettre en œuvre un protocole de synthèse pour étudier l’influence de la modification des conditions expérimentales sur le rendement ou la vitesse.

Lors d’une synthèse en chimie organique, le chimiste a tout intérêt à optimiser à la fois la vitesse de la réaction et son rendement. Pour cela, il peut faire varier les conditions opératoires de la synthèse.

Optimisation de la vitesse de réaction

Nous avons déjà parlé de cinétique chimique au chapitre C4. Pour rendre une réaction plus rapide, il est possible de modifier un facteur cinétique tel que la concentration des réactifs ou la température du milieu réactionnel.

Il est également important d’utiliser un catalyseur adapté lorsque cela est possible.

Optimisation du rendement

Nous avons vu en première que le rendement $*\eta*$ d’une synthèse est le rapport de la qdm $*n_{exp}*$ de produit expérimentalement formé sur la qdm maximale $*n_\max*$ de produit que l’on peut former si la réaction a taux d’avancement de 100 %.

Et vu que qdm et masse sont proportionnelles, on peut aussi faire le rapport des masses, ça nous donnera la même chose.

Un chimiste à tout intérêt à optimiser le rendement de sa synthèse, pour économiser de la matière première (les réactifs, les solvants, etc.) et de l’énergie (car, rappelez-vous, la plupart du temps il faut chauffer le mélange réactionnel pour que la synthèse se fasse.

Effets (limités) d’un catalyseur

Vous le savez, l’utilisation d’un catalyseur ne change rien à l’état d’équilibre d’un système chimique (bien qu’il puisse éventuellement limiter le risque de réactions « parasites » non désirées susceptibles de consommer des réactifs – et donc de faire baisser le rendement d’une synthèse.

Travailler proprement

Après la réaction de synthèse, il y a les étapes d’extraction et de purification de l’espèce synthétisée. Ces étapes doivent être optimisées pour perdre le minimum possible de produits synthétisés. Les optimisations possibles ne peuvent pas être décrites dans ce cours. Elles sont trop nombreuses et dépendent grandement de la synthèse réalisée.

Déplacer l’équilibre chimique

Voici le principal moyen d’action pour améliorer le rendement d’une synthèse. Ce n’est qu’une application de ce qu’on a vu au chapitre C5. Imaginons la réaction non totale suivante : $µ a\ce{A} + b\ce{B} \rightleftarrows c\ce{C} + d\ce{D} µ$ Supposons que le réactif $*\ce{A}*$ est cher et doit être économisé et que le réactif $*\ce{B}*$ est bon marché. Supposons encore que le produit $*\ce{C}*$ est l’espèce que nous souhaitons synthétiser (D est alors qualifé de sous-produit de la réaction).

On dispose de plusieurs moyens pour déplacer l’équilibre de la réaction. Rappelons que le quotient de réaction $µ Q_r = \dfrac {[\ce{C}][\ce{D}]}{[\ce{A}][\ce{B}]} µ$ tend vers la constante d’équilibre $*K*$ de cette réaction. Comment faire pour obtenir l’avancement de réaction le plus élevé possible ?

Plusieurs stratégies sont possibles :

• Utiliser une grande quantité de $*\ce{B}*$ pour faire diminuer $*Q_r*$ et donc forcer la réaction vers un taux d’avancement plus élevé.
• Extraire $*\ce{C}*$ et/ou $*\ce{D}*$ à mesure de leur formation dans le réacteur (par distillation, par exemple). Cela contribue également à diminuer $*Q_r*$ et force la réaction à aller vers un taux d’avancement plus élevé.

• Élaborer une séquence réactionnelle de synthèse d’une espèce à partir d’une banque de réactions.
• Identifier des réactions d’oxydo-réduction, acide-base, de substitution, d’addition, d’élimination.
• Identifier des étapes de protection/déprotection et justifier leur intérêt, à partir d’une banque de réactions.
• Mettre en œuvre un protocole de synthèse conduisant à la modification d’un groupe caractéristique ou d’une chaîne carbonée.

Synthèses écoresponsables.
Discuter l’impact environnemental d’une synthèse et proposer des améliorations à l’aide de données fournies, par exemple en termes d’énergie, de formation et valorisation de sous-produits et de choix des réactifs et solvants.
Mettre en œuvre une extraction liquide-liquide.
Réaliser le montage des dispositifs de chauffage à reflux et de distillation fractionnée et les mettre en œuvre.
Mettre en œuvre un dispositif pour estimer une température de changement d’état.
Réaliser une filtration simple ou sous pression réduite, un lavage, un séchage.
Réaliser une chromatographie sur couche mince.
Respecter les règles de sécurité lors de l’utilisation de produits chimiques et de verrerie.
Respecter le mode d’élimination d’une espèce chimique ou d’un mélange pour minimiser l’impact sur l’environnement.