Autour de la synthèse de l’ibuprofène

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Economiser les ressources et respecter l'environnement
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Autour de la synthèse de l’ibuprofène
 
 

Économiser les ressources et respecter l’environnement

Corrigé

39

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Sujet inédit

Exercice • 4 points

L’ibuprofène est un analgésique et un anti-inflammatoire. La molécule a été découverte dans les années 1960 par la société Boots qui en a breveté sa synthèse.

Dans les années 1990, la société BHC a mis au point un procédé « vert », c’est-à-dire reposant sur les principes d’une chimie qui réduit la pollution à la source et qui est plus respectueuse de l’environnement. Dans cette optique, la chimie verte propose un nouveau concept d’efficacité qui prend en compte la minimisation de la quantité de déchets produits.

On utilise comme indicateur de l’efficacité d’un procédé son utilisation atomique (UA). Lors d’une synthèse, on classe les atomes en deux catégories, ceux qui entrent dans la constitution de la molécule cible, ici l’ibuprofène, et ceux qui se retrouvent dans les sous-produits (déchets). L’utilisation atomique, encore appelée économie atomique, est le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits apparaissant dans l’équation de la réaction. Le pourcentage en masse obtenu est le pourcentage en masse des atomes de réactifs incorporés dans le produit désiré ; le reste constitue les déchets à traiter par recyclage ou destruction ; ce qui résulte en un impact environnemental et financier.

1. Étude économique des synthèses de l’ibuprofène

La synthèse de l’ibuprofène par le procédé Boots met en œuvre 6 réactions.

Le tableau ci-dessous présente le bilan des atomes entrant dans la synthèse.

 

Masse totale des réactifs de la synthèse

Masse des atomes utilisés dans l’ibuprofène

Masse des atomes non utilisés dans l’ibuprofène

C20H42NO10ClNa 514,5 g · mol‒1

C13H18O2

206 g · mol‒1

C7H24NO8ClNa 308,5 g · mol‒1

 

La synthèse de l’ibuprofène par le procédé BHC s’effectue en 3 étapes et fait appel à des réactions catalysées. Le sous-produit obtenu au cours de la première étape est l’acide éthanoïque. Il est séparé du mélange réactionnel et purifié.

 

Masse totale des réactifs de la synthèse

Masse des atomes utilisés dans l’ibuprofène

Masse des atomes non utilisés dans l’ibuprofène

C15H22O4

266 g · mol‒1

C13H18O2

206 g · mol‒1

C2H4O2

60 g · mol‒1

 

 

1 Dans l’étape 1, justifier le sens de la flèche pour expliquer le mécanisme réactionnel. (0,5 point)

2 L’étape 2 est une hydrogénation catalytique de la liaison .. S’agit-il d’une réaction de substitution, d’addition ou d’élimination ? Quel est l’avantage d’une telle réaction ? (0,5 point)

3 L’étape 3 conduit à l’ibuprofène. Nommer le groupe caractéristique présent sur cette molécule. (0,25 point)

4 Déterminer la valeur de l’utilisation atomique UA pour chacun des procédés. (0,5 point)

5 En quoi la synthèse BHC est beaucoup plus efficace que la synthèse Boots ? Justifier et argumenter. (0,75 point)

2. Dosage pH-métrique de l’ibuprofène

On souhaite vérifier la masse d’ibuprofène présente dans un comprimé.

Préparation de la solution aqueuse d’ibuprofène

On broie puis on dissout un comprimé d’ibuprofène dans 30 mL d’éthanol. Les excipients y sont insolubles. On filtre alors sous vide le mélange. Le filtrat contenant l’ibuprofène dissous est dilué dans 70 mL d’eau. On obtient une solution S d’ibuprofène dont on admet qu’elle a le même comportement qu’une solution aqueuse.

Réalisation du dosage pH-métrique de l’ibuprofène

On dose l’ibuprofène contenu dans la solution S à l’aide d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (Na++ HO) de concentration en soluté apporté cB= 5,00 × 10–2 mol · L‒1.

La mesure du pH permet de tracer les courbes pH =f(VB) et la courbe dérivée (figure 1 ci-après).

1 À l’aide de la formule de l’ibuprofène, expliquer pourquoi il est possible de doser la solution S par une solution d’hydroxyde de sodium. (0,25 point)

2 On note l’ibuprofène AH. Écrire l’équation de la réaction support du dosage. (0,25 point)

3 À l’aide du graphique de la figure 1, montrer qu’aux erreurs de mesure près, le volume versé à l’équivalence est VBE= 9,4 mL. (0,25 point)

4 Parmi les propositions ci-dessous, choisir, en la justifiant, l’expression littérale correcte pour déterminer la masse effective m d’ibuprofène dans le comprimé où Mi est la masse molaire de l’ibuprofène. (0,25 point)

a. m = cBVBEMib.m = cBMiVBEc.m = MiVBEcbd.m = cBVBEMi

5 Calculer la masse effective m d’ibuprofène dans le comprimé. (0,25 point)

6 Ce résultat est-il en accord avec l’indication portée sur la boîte : « La masse du comprimé d’«ibuprofène 100 mg » est de 300 mg ». (0,25 point)


 

Figure 1

Découvrir le sujet

  • Rappel sur l’utilisation atomique (UA) :

UA=M(produitrecherché)jMproduitj=M(produitdrecherché)iM(réactifi)

  • La production d’ibuprofène est souvent couplée à celle de l’acide éthanoïque CH3COOH (sous-produit formé dans le procédé BHC) car celui-ci est un composé de base de l’industrie chimique.
  • Molécule d’ibuprofène

Conseils du correcteur

Partie 1

1 Polarisez les liaisons à partir de la connaissance de l’électronégativité des atomes pour expliquer le mécanisme réactionnel.

2 À partir de l’étude des réactifs et des produits formés, identifiez les grandes catégories de réaction. Soyez conscient que certaines d’entre elles sont peu propices aux principes de la chimie verte, comme l’élimination ou la substitution, qui génèrent des déchets.

4 Maîtrisez bien la définition de l’utilisation atomique pour la calculer et savoir interpréter sa valeur.

Partie 2

2 Vous devez connaître parfaitement le principe d’un titrage direct, savoir établir la relation à l’équivalence entre les réactifs, et savoir exploiter une courbe pH-métrique.

Corrigé

1. Étude économique des synthèses de l’ibuprofène

1 Dans l’étape 1, l’isobutyl-benzène est une molécule où le groupement isobutyle porte une charge δ+ compensée par une charge δ sur le carbone en position para du noyau phényle. Ce qui fait de ce carbone un centre nucléophile. L’anhydride acétique (CH3CO)2O comporte, lui, deux carbones électrophiles, ceux des liaisons C‗O, d’autant plus électrophiles que l’oxygène qui relie les deux groupements COCH3 contribue à l’augmentation de leurs charges δ+. Une liaison se crée entre le carbone nucléophile de l’isobutyl-benzène et un des carbones électrophiles de l’anhydride acétique, c’est ce processus qu’indique la flèche. L’anhydride acétique se scinde et relâche alors un ion CH3COO qui va se combiner avec un H+ de l’ex-isobutyl-benzène pour former une molécule d’acide acétique. L’isobutyl-benzène acquiert un groupement COCH3 en position para ; il reconstitue son noyau phényle en se restabilisant ; la nouvelle liaison double C‗O participe d’ailleurs à cette stabilisation.

2 L’étape 2 est une hydrogénation catalytique de la liaison . Il s’agit d’une réaction d’addition car H2 se fixe sur la double liaison. Cette réaction présente l’avantage de ne pas produire de déchet. Tous les atomes présents dans les réactifs se retrouvent dans le produit recherché. De plus, la réaction est catalysée, elle est donc plus rapide et consomme moins d’énergie.

3 Le groupe caractéristique présent sur la molécule d’ibuprofène est le groupe carboxyle présent dans les acides carboxyliques.

4 En appliquant la définition donnée, on écrit :

UA(Boots)=Mproduitmassedesréactifs=206514,5=0,40.

UA(BHC)=Mproduitmassedesréactifs=206266=0,77.

Dans le procédé Boots, seulement 40 % des atomes des réactifs se retrouvent dans le produit attendu, donc 60 % sont sous forme de déchet.

Dans le procédé BHC, en revanche, 77 % des atomes se retrouvent dans l’ibuprofène, il n’y a que 23 % de déchets.

5 La synthèse BHC est bien plus efficace que la synthèse Boots pour plusieurs raisons.

  • Elle ne comprend que trois étapes contre six pour le procédé Boots, le débit de la chaîne de synthèse est alors plus important, ce qui est un avantage économique pour le fabricant.
  • Cette synthèse se déroule en trois étapes et fait appel à des réactions catalysées plus rapides et moins coûteuses en temps et énergie.
  • Elle présente une UA de 77 % (contre 40 % pour le procédé Boots) ; le gain offert par ce procédé vert est considérable. Il faut de plus noter que le sous-produit obtenu au cours de l’étape 1, qui est le seul sous-produit, est l’acide éthanoïque. « Il est séparé du mélange réactionnel et purifié : la production d’ibuprofène est souvent couplée à celle d’acide éthanoïque ». L’utilisation atomique peut donc être considérée comme égale à 100 %. Ce procédé vert permet, dans ce cas particulier, de réduire la quantité de déchets à retraiter à zéro.

Il est important de remarquer que cette synthèse n’est pas seulement moins polluante, elle permet également au fabricant de réduire ses dépenses, ce qui est économiquement viable et indispensable dans le monde industriel.

2. Dosage pH-métrique de l’ibuprofène

1 L’ibuprofène possède un groupe caractéristique carboxyle qui présente des propriétés acides. C’est donc un acide. L’ion hydroxyde au contraire est une base, c’est pourquoi on peut réaliser une réaction acido-basique.

2 L’équation de la réaction support du dosage s’écrit :

AH(aq)+ HO(aq) → A(aq)+ H2O(ℓ)

3 La courbe dérivée dpHdVB passe par un maximum dont l’abscisse donne la valeur du volume d’hydroxyde de sodium versé à l’équivalence, soit VBE= 9,4 mL.


 

4 À l’équivalence de la réaction de titrage, les réactifs ont totalement réagi donc n(AH)initiale=n(HO)verséeE.

soit mMi=cBVBE donc m=cBVBEMi.

La bonne proposition est donc la d).

5m = 5,00 × 10−2 × 9,4 × 10−3 × 206 = 5,00 × 9,4 × 2,06 × 10−3

m = 97 × 10−3 g =97 mg.

6 Calculons l’écart relatif pour comparer le résultat expérimental à l’indication du fabriquant ; un comprimé contient 100 mg d’ibuprofène.

Écart%=10097100×100=3%.

Ce résultat est tout à fait en accord avec la masse de 100 mg annoncée.