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Crème anesthésiante

France métropolitaine • Juin 2018

Exercice 3 spécifique • 5 points •  50 min

Crème anesthésiante

Les thèmes clés

Synthétiser des molécules

 

Certains actes médicaux sont douloureux  le confort du patient peut être amélioré par une anesthésie locale.

L'objectif de cet exercice est d'étudier la synthèse d'un anesthésiant, la lidocaïne, et quelques caractéristiques d'une crème anesthésiante contenant ce principe actif.

Données

Masse molaire moléculaire de la lidocaïne : 234,3 g ∙ mol–1.

Le rendement usuel de la synthèse de la lidocaïne est supérieur à 70 %.

Masse volumique de la crème anesthésiante : ρc = 1,0 g ∙ cm–3.

1. étude de la molécule de lidocaïne 15 min

Formules topologiques de la lidocaïne

Formule semi-développée simplifiée de la lidocaïne

Formule topologique complète (formule 1)

pchT_1806_07_00C_chem01

Formule topologique simplifiée (formule 2)

pchT_1806_07_00C_chem02

R est un groupement d'atomes

(formule 3)

pchT_1806_07_00C_chem03

R est un groupement d'atomes

1 Recopier, sur la copie, la formule topologique simplifiée de la molécule de lidocaïne (formule 2), entourer les groupes caractéristiques et nommer les familles chimiques correspondantes. (0,5 point)

2 Le tableau ci-dessous résume certaines informations contenues dans le spectre de RMN du proton de la lidocaïne. Les protons du groupement d'atomes R ne sont pas pris en compte.

Déplacement chimique

Multiplicité des signaux

δ = 1,1 ppm

Triplet

δ = 2,7 ppm

Quadruplet

δ = 3,2 ppm

Singulet

δ = 8,9 ppm

Singulet

D'après National Institute of Advance Industrial Science and Technology (sdbs.db.aist.go.jp)

Recopier, sur la copie, la formule semi-développée simplifiée de la molécule de lidocaïne (formule 3). Identifier sur cette formule le(s) groupe(s) de protons équivalents correspondant au quadruplet situé à 2,7 ppm et ceux correspondant au triplet situé à 1,1 ppm sur le spectre de RMN. Justifier. (0,75 point)

2. synthèse de la lidocaïne 20 min

L'équation de la réaction de synthèse de la lidocaïne est la suivante :

pchT_1806_07_00C_chem04

Protocole expérimental de la synthèse

Étape 1. Introduire 6,0 g (3,0 × 10–2 mol) de N-(2,6-diméthylphényl)chloroacétamide, noté A, dans un ballon de 250 mL. Ajouter 60 mL de toluène (solvant) et 15 mL (1,5 × 10–1 mol) de diéthylamine puis chauffer à reflux sous agitation pendant 1 h 30 min.

Étape 2. Après élimination de la diéthylamine restante et du chlorure de diéthylammonium formé du mélange réactionnel, traiter le milieu restant par ajout de 30 mL d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique concentré. À l'aide d'une ampoule à décanter, récupérer la phase aqueuse qui renferme la forme acide associée à la lidocaïne synthétisée.

Étape 3. Faire précipiter la lidocaïne à l'aide d'une solution d'hydroxyde de sodium.

Étape 4. Après filtration et séchage, on obtient une masse de lidocaïne mL = 5,6 g.

1 Mise en œuvre du protocole expérimental

1. Indiquer l'intérêt du chauffage à reflux utilisé dans l'étape 1. (0,5 point)

2. Vérifier que le réactif A est le réactif limitant du protocole mis en œuvre. (0,5 point)

3. Déterminer la valeur du rendement de la synthèse effectuée. ­Commenter. (0,75 point)

2 Mécanisme réactionnel de la synthèse

Première étape du mécanisme de la synthèse de la lidocaïne :

pchT_1806_07_00C_chem05

1. Que représentent les flèches courbes figurant sur cette première étape du mécanisme ? (0,25 point)

2. Identifier le site accepteur et le site donneur associés à la flèche (1). (0,25 point)

3. étude d'une crème anesthésiante 15 min

La crème étudiée contient 2,5 % en masse de lidocaïne. Lorsque la crème est appliquée sur la peau, les principes actifs diffusent à travers les couches de la peau avant d'atteindre des terminaisons nerveuses. On admet qu'une quantité de 10–7 mol de lidocaïne par cm2 de peau est suffisante pour l'anesthésie. L'épaisseur de crème généralement appliquée sur la peau est de l'ordre de 1 mm.

1 Vérifier que la quantité de matière de lidocaïne dans la crème étudiée est égale à 1,1 × 10–4 mol par centimètre cube de crème. (0,5 point)

2 Montrer qu'une épaisseur de 0,1 mm de crème anesthésiante sur une zone de 1 cm2 de peau est suffisante pour anesthésier cette zone. (1 point)

Les clés du sujet

Partie 1

2 Relisez la  fiche 6  en fin d'ouvrage.

Partie 2

1 2. Le réactif limitant est défini à partir de l'équation de la réaction et de ses coefficients stœchiométriques. Ici, l'équation impose qu'il y ait deux fois plus de diéthylamine que de réactif A. Vérifiez si c'est bien le cas à l'aide des données.

3. Un rendement de synthèse chimique est toujours défini par la relation :

R = masse obtenue expérimentalementmasse maximale théorique.

Partie 3

1 Utilisez la valeur de la masse volumique donnée en début d'énoncé et la relation ρc = massevolume puis la phrase « La crème étudiée contient 2,5 % en masse de lidocaïne ».

2 Calculez le volume de crème étalée sur la peau :

volume = surface × épaisseur.

Corrigé

1. étude de la molécule de lidocaïne

1 Reconnaître les groupes caractéristiques et les familles organiques

pchT_1806_07_00C_chem06

Le groupe entouré en rouge est le groupe caractéristique de la famille des amides alors que celui entouré en bleu est caractéristique de celle des amines.

2 Lier les groupes de protons équivalents à leurs signaux

pchT_1806_07_00C_chem07

D'après la règle des (n + 1)-uplets, le quadruplet est dû à un groupe de protons équivalents ayant trois protons voisins et le triplet est dû à un groupe ayant deux protons voisins. Sur la formule simplifiée de la lidocaïne, il y a quatre groupes de protons équivalents différents (entourés en vert, noir, rouge et bleu).

info

Un proton est un proton voisin s'il n'est séparé par un autre proton que de trois liaisons covalentes passant par des atomes de carbone.

D'après la définition des protons voisins, on peut déterminer le nombre des protons voisins de chaque groupe de protons équivalents :

le groupe entouré en vert ne possède aucun voisin et forme un singulet 

le groupe entouré en noir ne possède aucun voisin et forme un singulet 

les groupes entourés en bleu possèdent deux voisins (ceux en rouge) et forment des triplets : sur le spectre RMN, ils correspondent au triplet situé à 1,1 ppm 

les groupes entourés en rouge possèdent trois voisins (ceux en bleu) et forment des quadruplets : sur le spectre RMN, ils correspondent au quadruplet situé à 2,7 ppm.

2. synthèse de la lidocaïne

1 1. Connaître l'intérêt du chauffage à reflux

Le chauffage à reflux permet de chauffer le milieu réactionnel, donc d'accélérer la réaction, sans pour autant perdre de matière par évaporation.

2. Identifier un réactif limitant

On a introduit 3 × 10–2 mol du composé A pour 1,5 × 10–1 mol de diéthylamine, c'est-à-dire cinq fois plus de diéthylamine que du ­composé A. Or, d'après l'équation de la réaction, il faut deux fois plus de diéthylamine que du composé A.

La diéthylamine est donc en excès, ce qui signifie que le composé A est le réactif limitant.

3. Calculer un rendement

attention !

Pour la masse théorique maximale, prenez une notation différente de celle choisie dans l'énoncé pour la masse fabriquée expérimentalement (mL).

D'après l'équation de la réaction, la quantité maximale de lidocaïne formée est égale à celle du réactif A introduit à l'état initial : 3 × 10–2 mole.

La masse maximale de lidocaïne formée est donc :

mmax = 3 × 10–2 × 234,3 = 7,03 g

Calculons alors le rendement de la synthèse :

R = masse de lidocaïne expérimentalemasse théorique maximale=mLmmax=5,67,03=0,80=80 %.

2 1. Connaître la signification des flèches courbes

Une flèche courbe représente le déplacement d'un doublet électronique.

2. Identifier les sites accepteurs et donneurs

La flèche symbolisant un déplacement d'électrons, son origine est toujours un site donneur et sa pointe, un site accepteur. Ici, l'atome d'azote, et plus précisément le doublet non liant de l'atome d'azote est le site donneur et l'atome de carbone lié à celui de chlore du réactif A est le site accepteur.

3. étude d'une crème anesthésiante

1 Calculer une quantité de matière

D'après la masse volumique de la crème donnée dans l'énoncé, ρc = 1 g ∙ cm–3, 1 cm3 de crème correspond à 1 g de crème.

notez bien

Le « pourcentage en masse » (2,5 % ici) est une donnée très fréquente dans les exercices de chimie. Il faut connaître sa signification.

Or la crème étudiée contient 2,5 % en masse de lidocaïne, c'est-à-dire que 2,5 % de la masse de la crème est due à la lidocaïne. Donc, pour 1 cm3 de crème, on a :

2,5100 = 2,5 × 10–2 g de lidocaïne

On détermine alors la quantité de matière n de cette lidocaïne :

n=mM=0,025234,3=1,1×104 mol

2 Résoudre un problème

Calculons le volume de crème utilisée : une épaisseur de 0,1 mm de crème sur 1 cm2 de peau représente un volume de crème égal à 0,01 × 1 = 0,01 cm3.

Or, d'après la question précédente, 1 cm3 de crème contient 1,1 × 10–4 mol de lidocaïne, donc une épaisseur de 0,1 mm de crème sur 1 cm2 de peau contient 1,1 × 10–6 mol de lidocaïne.

D'après les données, « on admet qu'une quantité de 10–7 mol de lidocaïne par cm2 de peau est suffisante », or la quantité de matière 1,1 × 10–6 mol est supérieure à 107 mol, donc une épaisseur de 0,1 mm de crème sur une surface de 1 cm2 de peau est suffisante pour anesthésier cette zone.

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