pchT_2100_07_02C
Sujet complet 1 • Exercice 3
SPRINT FINAL
29
Sujet spécimen 2021 n° 1 • exercice 3
Four à micro-ondes pour synthèse organique
Intérêt du sujet • Le four à micro-ondes peut aussi servir pour effectuer des réactions chimiques évoluées comme dans cet exercice. Entraînez-vous sur le rendement en chimie organique !
Ph © Elnur Amikishiyev - Stock-adobe.com
Un dispositif de chauffage est nécessaire pour réaliser de nombreuses synthèses organiques. Le montage à reflux est couramment utilisé au laboratoire ou dans l'industrie. Cependant depuis les années 1980, les fours micro-ondes domestiques constituent une alternative.
L'objectif de cet exercice est d'étudier la synthèse d'un principe actif utilisé dans le traitement de l'épilepsie : la phénytoïne.
Les trois étapes de cette synthèse sont représentées ci-dessous.
Figure 1. Schéma de synthèse de la phénytoïne
Données
Partie 1. Préparation de la benzoïne (Étape 1) ⏱ 22 min
On utilise un four à micro-ondes pour réaliser l'étape 1 de la synthèse qui est catalysée par le chlorure de thiamine.
Le protocole expérimental simplifié est le suivant :
a) dans un erlenmeyer de 100 mL, introduire 1,35 g de chlorure de thiamine, environ 4 mL d'eau, 15 mL d'éthanol à 95 %, 7,0 mL d'une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium (K+(aq) ; HO–(aq)) de concentration 1,1 mol · L–1 puis agiter à température ambiante ;
b) ajouter 2,0 mL de benzaldéhyde ;
c) recouvrir d'un entonnoir et chauffer à l'aide d'un four à micro-ondes pendant 1 min à la puissance de 600 W, sortir du four et laisser cristalliser à température ambiante puis refroidir dans un bain eau-glace ;
d) filtrer sur Büchner, laver les cristaux avec de l'eau glacée et les rincer avec un mélange refroidi eau-éthanol ; on obtient des cristaux blancs ;
e) purifier le produit à l'aide d'une recristallisation dans l'éthanol.
On réalise deux chromatographies sur couche mince (CCM) des cristaux obtenus : une avant l'étape de recristallisation et une après cette étape. L'éluant utilisé est un mélange d'éther de pétrole et d'acétate d'éthyle. La révélation s'effectue sous une lampe UV et les dépôts proviennent de solutions diluées d'un facteur 100 dans l'acétate d'éthyle.
Figure 2. Reproduction des plaques de chromatographie sur couche mince (CCM) avant et après purification
▶ 1. Recopier la formule topologique de la benzoïne. Entourer les groupes caractéristiques et nommer les familles fonctionnelles correspondantes. (0,5 point)
▶ 2. Déterminer la valeur de la masse d'hydroxyde de potassium solide à prélever pour préparer les 100,0 mL de solution aqueuse d'hydroxyde de potassium utilisée dans l'étape a. (0,5 point)
▶ 3. Donner l'état physique du produit obtenu à la fin de l'étape c du protocole expérimental. (0,25 point)
▶ 4. Indiquer la plaque qui correspond à la CCM effectuée avant la purification. Justifier. (0,5 point)
▶ 5. Proposer une autre méthode d'identification du produit obtenu en fin de synthèse. (0,5 point)
Partie 2. Préparation du benzile (Étape 2) ⏱ 8 min
L'étape 2 de la synthèse est une oxydation de la benzoïne qui permet de former du benzile.
▶ 1. Donner la formule brute de la benzoïne. (0,25 point)
▶ 2. Justifier, à partir de la demi-équation électronique associée au couple oxydant / réducteur benzile / benzoïne, que l'étape 2 correspond bien à une oxydation de la benzoïne. (0,5 point)
Partie 3. Préparation de la phénytoïne (Étape 3) ⏱ 20 min
L'étape 3 de la synthèse se réalise également à l'aide d'un four à micro-ondes, en milieu basique, en utilisant l'éthanol comme solvant. On introduit 1,00 g de benzile et 0,450 g d'urée. Après réaction, on obtient une masse de 1,11 g de phénytoïne.
Figure 3. Équation de réaction modélisant l'étape 3 de la synthèse
Calculer le rendement de l'étape 3 de la synthèse de la phénytoïne. (2 points)
Les clés du sujet
Le lien avec le programme
Les conseils du correcteur
Partie 1. Préparation de la benzoïne (Étape 1)
▶ 1. Identifier groupes et familles de la chimie organique
La molécule de benzoïne comporte deux groupes fonctionnels différents : le groupe entouré en rouge est le groupe hydroxyle et caractérise la famille des alcools ; le groupe entouré en bleu est le groupe carbonyle ici caractéristique de la famille des cétones.
▶ 2. Calculer la masse lors d'un protocole
à noter
Vous pouvez présenter les calculs tout au long de votre raisonnement ou, comme ici, à la fin.
La solution d'hydroxyde de potassium utilisée dans l'étape a a une concentration molaire égale à 1,1 mol · L–1. Donc, pour en préparer 100 mL, il faut prévoir 0,11 mol d'hydroxyde de potassium, c'est-à-dire 6,2 g.
Calculs : m(KOH) = n(KOH) × M(KOH)
= .
▶ 3. Déduire l'état physique d'une espèce chimique
Il est précisé dans le protocole qu'il y a eu cristallisation, le produit obtenu est donc solide.
▶ 4. Interpréter une CCM
La plaque 2 est la plaque correspondant à l'avant purification. En effet, on peut y remarquer qu'il reste du benzaldéhyde dans le produit de la réaction (au-dessus de la croix P).
Au contraire, la plaque 1 montre un produit P uniquement composé de benzoïne. Ceci en supposant que toutes les espèces soient visibles sur le chromatogramme.
▶ 5. Connaître les méthodes d'identification de chimie organique
Le banc de Köffler aurait pu être utilisé pour cette identification. Son principe est basé sur la température de fusion des espèces chimiques.
Partie 2. Préparation du benzile (Étape 2)
▶ 1. Écrire une formule brute
La formule brute de la benzoïne est C14H12O2.
▶ 2. Justifier l'oxydation d'une espèce
à noter
Il est toujours plus facile d'écrire des équations de réaction avec les formules brutes plutôt qu'avec les formules topologiques.
Écrivons d'abord la formule brute du benzile :
C14H10O2
On peut alors écrire la demi-équation électronique associée au couple benzile / benzoïne :
C14H12O2 ⇔ C14H10O2 + 2e– + 2H+
On constate que la benzoïne cède deux électrons lors de la transformation, il s'agit donc bien d'une oxydation.
Partie 3. Préparation de la phénytoïne (Étape 3)
attention
Il faut connaître la définition et la formule du rendement de synthèse chimique :
R = .
Le rendement d'une synthèse chimique est le rapport de la quantité obtenue réellement du produit visé sur celle obtenue théoriquement dans des conditions parfaites.
Le calcul peut aussi être fait avec les masses correspondantes. C'est ce que nous présentons ci-dessous.
Tout d'abord les quantités de matière des réactifs à l'état initial :
ni(urée) =
ni(benzile) =
attention
Détaillez bien vos raisonnements pour les questions plus difficiles et moins directes.
D'après les coefficients stœchiométriques de l'équation de la réaction, il faut autant d'urée que de benzile pour être dans les conditions stœchiométriques. L'urée est donc en excès et l'on ne pourra former au maximum que 4,8 × 10–3 mol de phénytoïne ce qui correspond à m(phénytoïne) = n × M = 1,2 g de phénytoïne.
Le rendement est donc : R =
Autre méthode
à noter
Ici, l'eau n'est pas le solvant (c'est l'éthanol) donc on doit remplir la colonne correspondante dans le tableau d'avancement.
Pour calculer la masse théorique dans des conditions parfaites, on pouvait aussi dresser le tableau d'avancement suivant.
