Molécule d’ibuprofène

Merci !

Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Pondichéry
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Molécule d’ibuprofène
 
 

Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux

Corrigé

39

Agir

pchT_1304_12_02C

 

Pondichéry • Avril 2013

Exercice 2 • 9,5 points


 

L’ibuprofène est une molécule de formule brute C13H18O2. Son nom en nomenclature officielle est acide 2-(4-isobutylphényl)propanoïque.

De par ses propriétés anti-inflammatoire, antalgique et antipyrétique, elle constitue le principe actif de divers médicaments.

Cet exercice comporte trois parties indépendantes conduisant à étudier la structure de la molécule d’ibuprofène, sa synthèse dans le cadre de la chimie verte et le dosage d’un médicament.

1. La molécule d’ibuprofène

1 Sur la formule semi-développée de l’ibuprofène de la figure 1 de l’annexe, entourer le groupe caractéristique associé à la fonction acide carboxylique.

2 La molécule d’ibuprofène est chirale.

1. Expliquer la cause de cette chiralité en la nommant et en la repérant sur la figure 2 de l’annexe.

2. Cette chiralité entraîne l’existence de deux énantiomères de l’ibuprofène. Comment reconnaître si des molécules sont énantiomères ? Aucun schéma n’est attendu.

3. Sur la figure 3 de l’annexe, la représentation de Cram de l’un des deux énantiomères de l’ibuprofène est fournie, mais elle est inachevée. Compléter cette représentation et schématiser le deuxième énantiomère.

3 Diverses techniques d’analyse ont permis de connaître la structure de la molécule d’ibuprofène. Les spectroscopies IR (infrarouge) et de RMN (résonance magnétique nucléaire) en sont deux exemples.

Document 1

Spectre infrarouge de l’ibuprofène


 
Document 2

Bandes d’absorption IR de quelques types de liaisons chimiques

 

Type de liaison

Nombre d’onde (cm–1)

Largeur de la bande

Intensité d’absorption

OH sans liaison hydrogène

3 580-3 650

Fine

Forte

OH avec liaison hydrogène

3 200-3 300

Large

Forte

OH d’un acide carboxylique

2 500-3 200

Large

Variable

CH des groupes CH2, CH3, CH dans les alcanes, les alcènes et les cycles aromatiques

2 900-3 100

Variables (bandes multiples)

Variable

CC dans un cycle aromatique

1 500-1 600

Fine

Moyenne

CO d’un acide carboxylique

1 700-1 725

Fine

Forte

 
Document 3

Spectre RMN de l’ibuprofène


 
Document 4

Déplacement chimique δ en ppm (partie par million)


 

1. Donner l’origine des bandes d’absorption 1 et 2 du spectre infrarouge IR (document 1) en exploitant les données du document 2.

2. Sur la formule semi-développée de l’ibuprofène de la figure 4 de l’annexe, entourer la ou les atomes d’hydrogène associés au signal (g) du spectre RMN. Justifier votre réponse à l’aide du document 4.

3. Le signal (g) est un signal singulet. Expliquer pourquoi.

4. Sur la formule semi-développée de l’ibuprofène de la figure 5 de l’annexe, entourer la ou les atomes d’hydrogène associés au signal (a) du spectre RMN. Justifier votre réponse.

5. Le signal (a) est un doublet. Justifier cette multiplicité.

2. Synthèse de l’ibuprofène

Les procédés BHC et Boots sont deux méthodes de fabrication de l’ibuprofène. Le but de cette partie est de comparer ces deux techniques dans le cadre de la chimie verte.

Document 5

La chimie verte

La chimie verte s’inscrit dans une logique de développement durable et de recherche permanente de sécurité optimale. Pour cela, les processus mis en jeu doivent éliminer ou au moins réduire l’utilisation de substances nocives pour l’homme et l’environnement. Les synthèses chimiques doivent privilégier des méthodes produisant le minimum de substances dérivées inutiles, surtout si elles sont polluantes.

Classiquement, pour évaluer l’efficacité d’une synthèse chimique, on détermine son rendement sans se préoccuper des quantités de sous-produits formés. Dans le cadre de la chimie verte, pour prendre en compte la minimisation des quantités de déchets, on définit un indicateur appelé « utilisation atomique » (UA). L’utilisation atomique UA est définie comme le rapport de la masse molaire du produit souhaité, sur la somme des masses molaires de tous les produits :

UA=M(produitsouhaité)iMj(produit)

La conservation de la masse conduit à une deuxième expression de cet indicateur :

UA=M(produitsouhaité)jMj(réactif)

Plus cet indicateur UA est proche de 1, plus le procédé est économe en termes d’utilisation des atomes et moins la synthèse génère de déchets.

Exemple : on synthétise le produit P par réaction entre R et S. Au cours de la transformation, il se forme aussi les espèces Y et Z selon l’équation de la réaction :

rR + s S → P + yY + zZ

r, s, y et z sont les nombres stœchiométriques. L’utilisation atomique s’exprime par :

UA=M(P)M(P)+yM(Y)+zM(Z) ou  UA=M(P)rM(R)+sM(S)

1 Le procédé BHC, dont l’utilisation atomique est de 77 %, met en jeu trois étapes faisant appel à des transformations catalysées :

  • Étape 1

 

La formule brute de la molécule 2 est C12H16O.

  • Étape 2

 
  • Étape 3

 

1. Déterminer la formule brute de la molécule 1.

2. La réaction de l’étape 2 est-elle une substitution, une addition ou une élimination ? Justifier votre réponse.

3. L’électronégativité du carbone est inférieure à celle de l’oxygène. Le carbone de la liaison CO de la molécule 2 est-il un site donneur ou accepteur de doublet d’électrons ? Expliquer.

2 Calculer la valeur de l’utilisation atomique du procédé Boots mettant en jeu six étapes dont le bilan global est traduit par l’équation de réaction suivante :

C10H14 + C4H6O3 + C2H5ONa + C4H7ClO2 + H3O+ + NH2OH

+ 2H2O → C13H18O2 + sous-produits

Données : Masses molaires M

 

Espèce

H2O

H3O+

NH2OH

C2H5ONa

M(g  mol−1)

18,0

19,0

33,0

68,0

 
 

Espèce

C4H6O3

C4H7ClO2

C10H14

C13H18O2

M(g  mol−1)

102,0

122,5

134,0

206,0

 

3 Indiquer, en justifiant votre réponse, quel est le procédé de synthèse de l’ibuprofène répondant le mieux à la minimisation des déchets recherchée dans le cadre de la chimie verte.

3. Dosage de l’ibuprofène dans un médicament

L’étiquette d’un médicament classé dans la catégorie pharmaco-thérapeutique « antiinflammatoire non stéroïdien » fournit les informations suivantes.

Composition

Ibuprofène400 mg

Excipients : amidon de maïs, silice colloïdale anhydre, amidon prégélatinisé, acide stéarique.

Forme pharmaceutique

Comprimé enrobé (boîte de 30)

Pour vérifier, la quantité d’ibuprofène contenu dans un comprimé, on procède à un titrage acido-basique selon le protocole suivant.

  • Étape 1. Préparation de la solution aqueuse d’ibuprofène

On broie le comprimé contenant l’ibuprofène dans 20 mL d’éthanol. On filtre le mélange obtenu. Le filtrat, contenant l’ibuprofène, est ensuite dilué dans de l’eau afin d’obtenir VS = 100 mL de solution S. On admettra que cette solution S d’ibuprofène a le même comportement qu’une solution aqueuse.

  • Étape 2. Titrage acido-basique

La totalité du volume VS de solution S est dosé à l’aide d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (Na+ + HO) de concentration CB = 1,50 × 10–1 mol ⋅ L–1. L’indicateur coloré de fin de réaction est la phénolphtaléine. L’équivalence est détectée pour 12,8 mL de solution d’hydroxyde de sodium.

Données

Phénolphtaléine : incolore pour pH < 8,2 ; zone de virage pour pH compris entre 8,2 et 10 ; rose pour pH > 10.

 

Substance

Solubilité dans l’eau

Solubilité dans l’éthanol

ibuprofène noté RCOOH

très faible

importante

base conjuguée notée RCOO

importante

excipients

pratiquement nulle

pratiquement nulle

éthanol

forte

 

Écart relatif entre une valeur expérimentale Gexp et une valeur attendue Ga d’une grandeur quelconque G, |GexpGaGa|.

1 Justifier l’usage de l’éthanol dans le protocole.

2 Écrire l’équation de la réaction support de dosage.

3 Comment repère-t-on expérimentalement l’équivalence lors du titrage ?

4 Déterminer la valeur de la masse d’ibuprofène dans un comprimé, déterminée par ce dosage.

5 Calculer l’écart relatif entre la masse mesurée et la masse annoncée par l’étiquette.

Annexe


 

Figure 1 (question 1)


 

Figure 2 (question 21.)


 

Figure 3 (question 23.)


 

Figure 4 (question 32.)


 

Figure 5 (question 34.)

Notions et compétences en jeu

Connaître la stéréoisomérie • Savoir interpréter des spectres IR et RMN • Savoir utiliser des résultats d’un titrage • Savoir identifier des sites électrophiles et nucléophiles.

Les conseils du correcteur

Partie 1

21. et 2. Utilisez les définitions d’un carbone asymétrique et d’un énantiomère.

31. Déterminez d’abord la position des pics puis référez-vous au tableau du document 2.

4. L’aire des signaux est proportionnelle au nombre de protons participant au signal.

Partie 2

12. Repérez les doubles liaisons dans les réactifs puis dans les produits.

Partie 3

2 Il s’agit d’un dosage acido-basique, déterminez l’acide et la base.

4 À l’équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.

Corrigé

1. La molécule d’ibuprofène

1 Reconnaître la fonction acide carboxylique


 

21. Reconnaître un carbone asymétrique


 

Cette molécule est chirale car elle possède un atome de carbone asymétrique repéré par l’astérisque sur la figure. Un carbone asymétrique est un carbone lié à quatre groupes d’atomes différents.

2. Définir l’énantiomérie

Deux molécules sont énantiomères si elles sont images l’une de l’autre dans un miroir.

3. Représenter l’énantiomère d’une molécule


 

31. Interpréter un spectre IR

Le spectre de l’ibuprofène présente un pic très fin vers 1 700 cm–1 et une bande d’absorption entre 2 900 et 3 100 cm–1. Avec le document 2, on identifie le pic d’absorption comme étant celui de la liaison C‗O et la bande caractéristique celle des liaisons C—H des groupes CH2, CH3 et cycles aromatiques. L’ibuprofène possède en effet toutes ces liaisons.

2. Repérer l’atome d’hydrogène responsable d’un signal sur un spectre RMN


 

Le signal (g) se trouve à un déplacement de 12 ppm. D’après le document 4, il ne peut s’agir que du H d’un groupe carboxyle.

3. Interpréter un spectre RMN

 

Notez bien

Lorsque le proton (ou les protons) sont liés à un atome autre que le carbone, il n’a JAMAIS de voisin. On parle alors de blindage.

La multiplicité d’un signal est due au nombre de proton(s) voisin(s) de l’atome H responsable du signal. Ici, le H est lié à un atome d’oxygène : il n’a par conséquent aucun voisin.

Appliquons la règle des (n + 1)-uplets. Ici (0 + 1 = 1) donc un seul pic, c’est-à-dire un singulet.

4. Repérer les groupes d’atomes d’hydrogène responsables d’un signal RMN


 

D’après le document 3, l’aire du signal (a) est six fois plus importante que celle du signal (g). On sait de plus (question 3.) que le signal (g) n’est dû qu’à un seul proton. L’aire des signaux étant proportionnelle au nombre de protons participant au signal, le signal (a) est donc dû à six protons.

Il n’y a qu’un seul groupe de six protons équivalents dans la molécule d’ibuprofène (les deux groupes CH3).

5. Interpréter un spectre RMN

Le groupe des six protons équivalents (les deux groupes CH3) n’a qu’un seul proton voisin (celui du groupe CH). Le signal correspondant est alors un doublet en raison de la règle des (n + 1)-uplets.

2. Synthèse de l’ibuprofène

11. Déterminer une formule brute

La molécule 1 a pour formule brute C10H14.

 

Notez bien

Dans une élimination, il y a toujours création d’une liaison double (ou d’un cycle). Dans une addition, il y a toujours perte d’une liaison double. Dans une substitution, il n’y a ni l’un, ni l’autre.

2. Reconnaître le type d’une réaction

Il s’agit d’une réaction d’addition puisqu’il y a perte d’une liaison double.

3. Identifier un site accepteur de doublet d’électrons (électrophile)

Comme l’électronégativité du carbone est inférieure à celle de l’oxygène, l’atome d’oxygène est porteur d’une charge fictive δ et celui de carbone d’une charge fictive δ+. Cet atome de carbone est donc déficitaire en électrons, c’est un site accepteur de doublet d’électrons.

2 Calculer l’utilisation atomique

UA= M(produit souhaité)jMj(réactif)

=  M(C13H18O2)M(C10H14)+M(C4H6O3)+M(C2H5ONa)+M(C4H7ClO2)+M(H3O+)+M(NH2OH)+2M(H2O)

= 206,0134,0+102,0+68,0+122,5+19,0+33,0+2×18,0

= 0,400

= 40,0 %

3 Conclure sur le procédé le plus économe

« Plus UA est proche de 1, plus le procédé est économe en termes d’utilisation d’atomes et moins la synthèse génère de déchets ». Le procédé Boots a une UA de 40 % alors que le procédé BHC a une UA de 77 %. C’est le procédé BHC qui minimise le plus les déchets.

3. Dosage de l’ibuprofène dans un médicament

1 Justifier du choix d’un protocole

D’après le tableau de données, l’ibuprofène est très peu soluble dans l’eau alors qu’il l’est beaucoup dans l’éthanol. Pour le solubiliser, on le dissout donc dans l’éthanol.

2 Écrire une équation de réaction

Il s’agit de la réaction entre l’ibuprofène, noté RCOOH, et l’ion hydroxyde :

RCOOH(aq) + HO(aq) → RCOO(aq) + H2O(l)

3 Repérer l’équivalence

L’ajout de la phénolphtaléine permet de visualiser l’équivalence du titrage par son changement de couleur : initialement incolore, elle devient rose lors de l’équivalence.

4 Déterminer une masse dissoute à partir des résultats d’un titrage

Par définition, l’équivalence se produit lorsque les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques.

On a alors ni(RCOOH) = ni(HO)

d’où ni(RCOOH) = CB × VEVE est le volume d’hydroxyde de sodium versé à l’équivalence.

La masse d’ibuprofène déterminée par ce dosage est donc :

mibuprofène= ni(RCOOH) × M(C13H18O2)

= CB × VE × M(C13H18O2) = 1,50 × 10–1 × 12,8 × 10–3 × 206

= 0,396 g

5 Calculer un écart relatif

 

Attention

Quand vous utilisez une valeur calculée précédemment, ne prenez pas sa valeur arrondie mais sa valeur exacte. Ici prendre 0,39552 et non 0,396.

La valeur attendue est donnée sur l’étiquette du médicament, 400 mg.

G = |GexpGaGa|=0,395520,40,4 = 0,0112 = 1,12 %