La synthèse d'espèces chimiques est un procédé complexe. Les molécules possèdent de nombreux groupes d'atomes susceptibles de réagir dans un milieu réactionnel. Les expérimentateurs doivent élaborer une succession d'étapes à partir des réactifs pour arriver au produit voulu. Ce processus d'élaboration définit la stratégie en synthèse organique.
Ces synthèses ne se font cependant pas sans conséquences et il est devenu impératif d'évaluer et de réduire l'impact de la chimie sur l'environnement.
La stratégie en synthèse organique
Les étapes d'une synthèse
Une synthèse chimique se réalise en suivant un protocole expérimental.
Protocole expérimental
Le protocole expérimental d'une synthèse chimique définit l'ensemble des étapes et les manipulations associées à chacune de ces étapes dans un ordre chronologique afin de produire une molécule spécifique.
Le rendement d'une synthèse
Le rendement traduit l'efficacité d'une synthèse chimique.
Rendement
Le rendement, noté R (ou \eta ), est le rapport suivant :
R=\dfrac{n_{produit}}{n_{max}}
Avec :
- R le rendement de la réaction (sans unité ou en pourcentage)
- n_{produit} la quantité de matière du produit synthétisé purifié (en mol)
- n_{max} la quantité de matière obtenue si la réaction était totale (en mol)
On effectue la synthèse de l'aspirine. Après purification, la synthèse a permis de produire 2,5.10-2 mole d'aspirine. Si la réaction avait été totale, on aurait pu obtenir 3,5.10-2 mole d'aspirine. Le rendement de cette réaction est donc de :
R=\dfrac{n_{produit}}{n_{max}}
R=\dfrac{2{,}5.10^{-2}}{3{,}5.10^{-2}}
R=0{,}71=71 %
Le rendement peut aussi se calculer à partir du rapport des masses au lieu du rapport des quantités de matière.
Le choix des techniques pour mener la synthèse
L'utilisation du chauffage à reflux
Le montage à reflux sert à chauffer le milieu réactionnel afin d'augmenter la vitesse de la réaction sans perte de matière grâce à l'utilisation d'un réfrigérant (à air ou à eau) qui permet la recondensation des vapeurs.
Le choix du montage à reflux dépend :
- Du caractère exothermique de la réaction
- De la température d'ébullition des réactifs et des produits
La méthode d'extraction
Le choix de la méthode d'extraction dépend de la solubilité du produit de synthèse à extraire :
- Si le produit est soluble dans le milieu réactionnel, on procède à une extraction liquide-liquide par solvant suivi d'une séparation par décantation.
- Si le produit est partiellement insoluble dans le milieu réactionnel, on effectue une cristallisation suivie d'une séparation par filtration.
La méthode de purification
Le choix de la méthode de purification dépend de l'état du produit synthétisé après l'extraction :
- Si le produit est liquide, on le purifie par distillation.
- Si le produit est solide, on le purifie par recristallisation.
La méthode d'analyse
L'analyse du produit peut se faire en utilisant de nombreuses méthodes quel que soit le produit :
- La mesure de la température de fusion (pour un solide)
- La mesure de l'indice de réfraction
- L'analyse spectroscopique (UV-visible, IR, RMN)
- L'analyse chimique par chromatographie (sur couche mince ou en phase gazeuse)
La sélectivité en chimie organique
Les composés polyfonctionnels
Au cours d'une synthèse organique, le protocole expérimental peut faire intervenir des composés polyfonctionnels.
Composés polyfonctionnels
Un composé polyfonctionnel est un composé organique possédant plusieurs groupes fonctionnels identiques ou non.
La molécule de para-aminophénol intervient dans la synthèse du paracétamol. Voici sa formule semi-développée :
Cette molécule est un composé polyfonctionnel comportant une fonction amine et une fonction alcool.
De tels composés sont problématiques car il peut exister autant de produits de synthèse qu'il n'y a de groupes fonctionnels sur le réactif. Il existe deux solutions pour contrôler la façon dont ces composés vont réagir :
- La chimiosélectivité
- La protection de fonctions
La chimiosélectivité
Chimiosélectivité
La chimiosélectivité consiste à prévoir, dans son protocole expérimental, des réactions qui vont mener à l'obtention d'un seul produit préférentiellement.
Pour réaliser une réaction chimiosélective, on utilise un réactif chimiosélectif.
Réactif chimiosélectif
Un réactif est dit chimiosélectif s'il ne réagit qu'avec un seul groupe fonctionnel préférentiellement.
La synthèse du paracétamol consiste à faire réagir le para-aminophénol avec l'anhydride acétique selon l'équation bilan suivante :
L'anhydride acétique pourrait réagir avec la fonction alcool ou la fonction amine qui sont tous les deux des sites donneurs d'électrons. Mais l'anhydride réagit préférablement avec la fonction amine. C'est un réactif chimiosélectif.
La protection de fonctions
Le principe
La protection de fonctions consiste à protéger les groupes fonctionnels qui ne doivent pas réagir au cours de la synthèse envisagée. Elle se déroule en trois étapes :
- Protection des fonctions : on fait réagir le composé polyfonctionnel de façon à ce que les groupes fonctionnels à protéger soient rendus inactifs chimiquement.
- Réalisation de la synthèse : seuls les groupes fonctionnels non protégés réagissent.
- Déprotection des fonctions : on réalise une dernière réaction pour rendre les groupes protégés de nouveau actifs.
L'application à la synthèse peptidique
Synthèse peptidique
La synthèse peptidique est la synthèse qui permet la formation de peptides qui sont des macromolécules composées par des enchaînements d'acides alpha-aminés reliés entre eux par liaisons peptidiques.
Acide alpha-aminé
Un acide alpha-aminé est une molécule contenant une fonction acide carboxylique et une fonction amine :
\textcolor{Red}{NH_2}\ce{-R}-\textcolor{Blue}{COOH}
Voici l'équation de la réaction traduisant la formation d'un dipeptide à partir de deux acides alpha-aminés (R_1 et R_2) :
\ce{NH2-R_1}-\textcolor{Blue}{COOH}+ \textcolor{Red}{NH_2} \ce{-R_2-COOH}\ce{->}\ce{NH2-R_1}-\textcolor{Blue}{CO}-\textcolor{Red}{NH} \ce{-R_2-COOH}+\ce{H2O}
À partir de deux acides alpha-aminés, on peut obtenir quatre dipeptides différents :
- L'association de deux acides alpha-aminés R_1
- L'association de deux acides alpha-aminés R_2
- L'association de l'acide alpha-aminé R_1 par sa fonction acide avec l'acide alpha-aminé R_2 par sa fonction amine (décrite par l'équation ci-dessus).
- L'association de l'acide alpha-aminé R_1 par sa fonction amine avec l'acide alpha-aminé R_2 par sa fonction acide.
Il est donc nécessaire de protéger les fonctions qui ne doivent pas réagir pour construire un certain type d'enchaînement.
La synthèse organique et la chimie durable
Chimie durable
La chimie durable (ou chimie verte) est un ensemble de concepts appliqués à la synthèse chimique ayant pour objectifs :
- D'optimiser le coût énergétique
- D'économiser les ressources naturelles
- De réduire l'impact des rejets sur l'environnement
La chimie et l'environnement
Les synthèses organiques ont un impact sur l'environnement très important car elles consomment de l'énergie et font intervenir des produits toxiques. C'est sur ce constat qu'a été développé le concept d'économie d'atomes.
Économie d'atomes (ou utilisation atomique UA)
L'économie d'atomes permet d'évaluer le coût énergétique et environnemental de l'insertion de groupes d'atomes caractéristiques dans le produit synthétisé.
- Une réaction au cours de laquelle les groupes d'atomes d'une même molécule se réarrangent entre eux (modification de chaîne et de fonction) par simple chauffe se fait avec une économie d'atome de 100%.
- Une réaction de substitution aura une économie d'atomes moindre car il a fallu utiliser un réactif qui a introduit des atomes supplémentaires au sein de la molécule de départ .
Les solvants utilisés ont aussi un impact considérable sur l'environnement. Il convient donc à l'expérimentateur de choisir le solvant le plus propre possible et de réduire leur quantité.
La chimie et les ressources
La chimie durable encourage à recourir à des synthèses dont le coût énergétique est faible car elles se réalisent dans des conditions proches des conditions naturelles de pression et de température. C'est le principe de la chimie douce.
L'utilisation de biocatalyseurs est l'un des concepts de la chimie douce. Le biocatalyseur permet de réaliser la réaction en économisant l'énergie nécessaire tout en restant dans des milieux réactionnels "propres" (pas de solvants organiques par exemple).
L'utilisation de ressources renouvelables (comme la biomasse) permet aussi d'économiser les ressources naturelles et de réduire la consommation des énergies fossiles.
La revalorisation des sous-produits et des réactifs en excès
Les sous-produits de réaction ou les réactifs qui restent après la synthèse sont plus ou moins toxiques. L'un des objectifs de la chimie durable est de recycler au maximum ces espèces ou, à défaut, de minimiser leur utilisation en trouvant de nouvelles voies de synthèse.