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Synthèse d'un médicament

La matière

Synthèse d'un médicament

1 heure

6 points

Intérêt du sujet • L'acide benzoïque a des propriétés antiseptiques, ce qui explique son utilisation comme médicament. Étudions sa synthèse en vérifiant sa formation par spectroscopie infrarouge et sa pureté par titrage conductimétrique.

 

Partie 1. Synthèse de l'acide benzoïque

L'acide benzoïque peut être synthétisé au laboratoire en deux étapes.

Dans un premier temps, des ions benzoate C6H5CO2 sont synthétisés par oxydation de l'alcool benzylique C6H5CH2OH par les ions permanganate MnO4 en milieu basique suivant la réaction d'équation :

3 C6H5CH2OH(aq) + 4MnO4(aq) → 3 C6H5CO2(aq) + 4MnO2(s) + 4H2O(l) + HO(aq) 

L'acide benzoïque est ensuite obtenu par une réaction acide-base mettant en jeu les ions benzoate C6H5CO2.

Protocole de synthèse :

Introduire dans un ballon 1 g de carbonate de sodium Na2CO3, 2,0 g de permanganate de potassium KMnO4, 50 mL d'eau, 2,0 mL d'alcool benzylique et 3 grains de pierre ponce, puis bien mélanger.

Faire chauffer à reflux le mélange réactionnel pendant 20 minutes environ.

Après refroidissement, filtrer sous vide le contenu du ballon et recueillir le filtrat dans un grand bécher (on élimine le solide MnO2(s) formé).

Sous la hotte, placer le bécher dans un mélange eau-glace puis ajouter, lentement et en agitant, environ 20 mL d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique (H3O+(aq) + Cl(aq)) à 5 mol · L–1 : on observe un léger dégagement gazeux de CO2, puis des cristaux blancs d'acide benzoïque apparaissent.

Recueillir ces cristaux par filtration sous vide et les rincer plusieurs fois avec un peu d'eau très froide pour les « laver ».

Placer ensuite les cristaux dans une soucoupe et les mettre à l'étuve jusqu'à ce qu'ils soient bien secs.

Données

Masses molaires moléculaires :

Tableau de 2 lignes, 4 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Espèces chimiques;C6H5CH2OH;KMnO4;C6H5CO2H;Corps du tableau de 1 lignes ;Ligne 1 : M(g · mol–1); 108; 158; 122;

Masse volumique de l'alcool benzylique : ρ = 1,04 g · mL–1.

Solubilité de l'acide benzoïque dans l'eau à 0 °C : s0° = 1,7 g · L–1 et à 20 °C : s20° = 2,9 g · L–1.

Couples acide-base : C6H5CO2H(aq) / C6H5CO2(aq) ; H3O+(aq) / H2O(l) ; H2O(l) / HO(aq) ; (CO2, H2O) / HCO3(aq) ; HCO3(aq) / CO32–(aq).

1. Quel est l'intérêt d'ajouter le carbonate de sodium, sachant qu'il n'intervient pas comme réactif ?

2. Montrer que les ions permanganate constituent le réactif limitant de la première étape de la synthèse dans ce protocole.

3. Écrire les équations des réactions qui se produisent lors de l'ajout d'acide chlorhydrique. Toutes ces réactions sont totales.

4. Pourquoi travaille-t-on dans un mélange eau-glace au moment de l'ajout de l'acide chlorhydrique ?

5. Après séchage à l'étuve, on obtient 0,97 g de produit brut.

Déterminer le rendement de la synthèse. Donner au moins deux arguments qui expliquent que l'on n'a pas atteint un rendement de 100 %.

Partie 2. Identification et pureté du produit formé

À l'issue de la synthèse

On réalise le spectre IR du produit brut obtenu et celui de l'alcool benzylique de départ. Ces deux spectres sont donnés ci-après.

pchT_2000_00_30C_01

pchT_2000_00_30C_01

On prélève une masse de 0,12 g du produit brut obtenu que l'on dissout dans environ 200 mL d'eau distillée. La solution obtenue est ensuite titrée par une solution d'hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) de concentration 1,0 × 10–1 mol · L–1. Le titrage est suivi par conductimétrie et conduit au graphe représenté ci-dessous.

pchT_2000_00_30C_02

Données

Extrait des tables IR :

Tableau de 5 lignes, 4 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : Type de liaison;Nombre d'onde en cm–1;Largeur de la bande;Intensité de l'absorption;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : O–H d'un groupe hydroxyle en phase condensée; 3 200-3 400; large; forte; Ligne 2 : C–H; 2 900–3 100; variable (bandes multiples); moyenne à forte; Ligne 3 : O–H d'un groupe carboxyle; 2 500-3 200; très large; moyenne à forte; Ligne 4 : C = O; 1 650-1 750; fine; forte;

Conductivités molaires ioniques à 25 oC :

Tableau de 2 lignes, 4 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Espèces ioniques; C6H5CO2 –; HO–; Na+; Ligne 2 : λ (mS · m² · mol–1); 3,23; 19,9; 5,01;

1. À partir de l'analyse rigoureuse de ces deux spectres, peut-on affirmer que l'on a bien le produit attendu ?

2. Quelle est la pureté du produit synthétisé ?

Vous détaillerez rigoureusement les étapes de votre démarche et donnerez une réponse quantitative.

 

Les clés du sujet

Le lien avec le programme

pchT_2000_00_30C_03

Les conseils du correcteur

Tableau de 2 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Partie 1. Synthèse de l'acide benzoïque; ▶ 1. Lisez bien les conditions dans lesquelles la synthèse est réalisée.▶ 2. Pensez à vous référer à l'équation de la réaction. Aidez-vous éventuellement d'un tableau d'avancement.▶ 3. Identifiez toutes les espèces basiques présentes dans le filtrat. Identifiez les couples acide-base mis en jeu et écrivez les équations des réactions acide-base qui ont lieu.; Ligne 2 : Partie 2. Identification et pureté du produit formé; ▶ 1. Identifiez les groupes caractéristiques présents sur les molécules.▶ 2. Écrivez la réaction support du titrage et exploitez la courbe. Justifiez bien vos choix. ;

Partie 1. Synthèse de l'acide benzoïque

1. Exploiter les informations données

La synthèse doit avoir lieu en milieu basique et le carbonate de sodium contient les ions carbonate CO32– qui appartiennent au couple HCO3(aq) / CO32–(aq). L'ion carbonate est la base du couple : les réactifs sont bien en milieu basique.

2. Déterminer le réactif limitant

Déterminons les quantités de matière initiales (ni) des réactifs.

Pour l'alcool benzylique :

n(alcool)i=m(alcool)M(alcool)=ρ(alcool)×V(alcool)m(alcool)1,04×2,0108=1,9×102 mol.

Pour les ions permanganate :

n(MnO4)i=m(KMnO4)M(KMnO4)=2,0158=1,3×102 mol.

En tenant compte des nombres stœchiométriques de l'équation de réaction :

3C6H5CH2OH(aq) + 4MnO4(aq) → 3 C6H5CO2(aq) + 4MnO2(s) + 4H2O(l) + HO(aq) 

Si l'alcool est limitant xmax=n(alcool)i3=1,9×102  3=6,3×103 mol

Si ce sont les ions permanganate : xmax=n(MnO4)i4=1,3×1024=3,2×103 mol.

On constate que n(alcool)i3>n(MnO4)i4 donc les ions permanganate sont bien le réactif limitant et xmax = 3,2 × 10–3 mol.

Le conseil de méthode

Reportez-vous à l'équation de la réaction : les réactifs ne réagissent pas mole à mole mais 3 moles d'alcool pour 4 moles d'ions MnO4. Déterminez alors l'avancement maximal pour chaque réactif et comparez-les.

Si l'alcool est limitant n(alcool)i3xmax = 0.

Si les ions MnO4 sont limitants n(MnO4)i –4xmax = 0.

3. Établir l'équation d'une réaction acide-base

3C6H5CH2OH(aq) + 4MnO4(aq) → 3 C6H5CO2(aq) + 4MnO2(s) + 4H2O(l) + HO(aq)

D'après la réaction , le filtrat contient des ions benzoate C6H5CO2, des ions hydroxyde HO. On trouve aussi de l'alcool benzylique non consommé (il était en excès) et des ions carbonate CO32–, initialement introduits, qui maintiennent un milieu basique.

Les ions H3O+ de l'acide chlorhydrique (couple : H3O+(aq) / H2O(l)) réagissent avec les bases présentes. Il faut donc identifier toutes les bases.

Les ions benzoate C6H5CO2(aq) constituent la base du couple C6H5CO2H / C6H5CO2. On a la réaction acide-base qui permet d'obtenir l'acide benzoïque : H3O+(aq) + C6H5CO2(aq) → C6H5CO2H(aq) + H2O(l)

Les ions hydroxyde HO(aq), base du couple H2O(l) / HO(aq) vont réagir suivant la réaction : H3O+(aq) + HO(aq) → 2H2O(l).

On a introduit initialement les ions carbonate CO32–(aq), base du couple HCO3(aq) / CO32–(aq) et on observe un dégagement gazeux de CO2, or CO2 appartient au couple (CO2, H2O) / HCO3(aq).

On constate que HCO3(aq) est une espèce chimique amphotère puisqu'elle appartient aux couples CO2(g) / HCO3(aq) et HCO3(aq) / CO32–(aq)

On a la réaction H3O+(aq) + CO32–(aq) → HCO3(aq) + H2O(l) puis H3O+(aq) + HCO3(aq) → (CO2, H2O) + H2O(l) : le gaz CO2 apparaît donc au cours de cette réaction (dégagement gazeux).

4. Exploiter les données sur la solubilité

La synthèse ayant lieu en milieu basique, on forme la base conjuguée, l'ion benzoate très soluble dans l'eau puisqu'il s'agit d'une espèce ionique. L'ajout d'acide chlorhydrique concentré permet de transformer cet ion en son acide conjugué, l'acide benzoïque qui, lui, est moins soluble dans l'eau et va donc précipiter : c'est la cristallisation. D'après les données, la solubilité de l'acide benzoïque diminue avec la température, donc on obtient le maximum de cristaux dans un mélange eau-glace.

5. Calculer un rendement

Pour déterminer le rendement, rendement=mexpmmax×100, il faut d'abord déterminer la masse maximale d'acide benzoïque que l'on devrait obtenir puis la comparer à la masse expérimentale obtenue. On sait (question 2) que xmax = 3,2 × 10–3 mol.

à noter

Ici, toutes les données sont à 2 chiffres significatifs, donc les résultats doivent l'être aussi.

D'après l'équation de la réaction :

n(C6H5CO2H)max = 3xmax = 3 × 3,2 × 10–3 

 = 9,6 × 10–3 mol

ce qui correspond à la masse :

m(C6H5CO2H)max = n(C6H5CO2H)max × M(C6H5CO2H) 

 = 9,6 × 10–3 × 122 = 1,2 g.

Rendement=mexpmmax×100=0,971,2×100=81 %.

Le rendement est inférieur à 100 %, ce qui peut avoir plusieurs raisons :

l'avancement maximal n'était peut-être pas atteint (on aurait dû chauffer plus longtemps) ;

les ions benzoate ne sont peut-être pas tous récupérés dans le filtrat ;

de l'acide benzoïque peut être resté en solution.

Partie 2. Identification et pureté du produit formé

1. Identifier des groupes caractéristiques sur un spectre IR

pchT_2000_00_30C_04

L'alcool benzylique possède le groupe hydroxyle –OH, caractéristique d'un alcool. Sur son spectre, on trouve une bande large et forte à 3 300 cm–1, caractéristique de la liaison O–H.

L'acide benzoïque possède un groupe carboxyle –CO2H. Le spectre du produit brut montre bien la présence d'une bande d'absorption intense pour un nombre d'onde σ = 1 680 cm–1 caractéristique de la liaison C = O et une bande très large et moyennement intense (3 300 – 2 600 cm–1) de la liaison O–H. De plus, on constate la disparition de la bande relative à la présence d'une liaison O–H d'un groupe hydroxyle, donc on peut penser qu'il ne reste pas de traces de l'alcool benzylique.

Le spectre IR du produit brut indique la présence d'un groupe carboxyle et confirme donc bien la présence de l'acide benzoïque.

2. Établir une démarche de résolution

On doit déterminer la masse d'acide benzoïque présente dans 0,12 g de produit brut. Pour cela, on réalise un titrage conductimétrique. Le résultat du titrage permet d'obtenir la masse d'acide benzoïque titré et on détermine sa pureté en la comparant à la masse de produit brut titré.

Établir l'équation de la réaction support du titrage

à noter

Une réaction de titrage doit être rapide, totale et unique. Il est impératif de mettre une simple flèche « → ».

La réaction titrante est la solution d'hydroxyde de sodium.

Il s'agit d'une réaction acide-base, avec un transfert d'ion H+. L'acide benzoïque réagit avec la base HO : l'acide cède un ion H+ et la base le capte selon la réaction

C6H5CO2H(aq) + HO(aq) → C6H5CO2(aq) + H2O.

Exploiter une courbe de titrage pour déterminer VE

La conductivité est liée à la concentration des ions en solution. Il faut donc tenir compte de l'ensemble des espèces ioniques. Lorsqu'on ajoute la solution titrante, on ajoute des ions hydroxyde HOet des ions sodium Na+ (spectateurs).

Avant l'équivalence. HO est limitant et réagit avec une molécule C6H5CO2H ; il se forme un ion C6H5CO2et un ion spectateur Na+ se retrouve dans le bécher. La solution voit sa conductivité augmentée car la solution contient de plus en plus d'ions.

Après l'équivalence. C'est désormais l'acide benzoïque qui est le réactif limitant et la solution titrante est en excès. Les concentrations en ion HO et Na+ augmentent (et celle de C6H5CO2 ne varie plus) donc la conductivité augmente.

Mais l'augmentation de la conductivité est plus forte qu'avant l'équivalence car les ions HO possèdent une plus grande conductivité molaire ionique que les ions C6H5CO2. L'équivalence est définie par le changement de réactif limitant. À l'équivalence, il y a donc une rupture de pente et l'intersection des deux droites donne la valeur du volume équivalent : VE = 9,8 mL.

pchT_2000_00_30C_05

Exploiter le titrage

À l'équivalence, tous les réactifs sont consommés : on a réalisé un mélange stœchiométrique.

D'après la réaction, les réactifs réagissent mole à mole

donc n(C6H5CO2H)titré = n(HO)E

d'où n(C6H5CO2H)titré = C × VE

 = Ctitrant × VE.

La masse est alors :

m(C6H5CO2H)titré = Ctitrant × VE × M(C6H5CO2H)

 = 1,0 × 10–1 × 9,8 × 10–3 × 122 = 0,12 g.

Avec deux chiffres significatifs, ce résultat est identique à la masse de produit brut dissous. Le produit formé est donc pur, ce qui confirme l'absence de l'alcool benzylique remarquée précédemment lors de la comparaison des spectres IR. Cette synthèse permet donc d'obtenir un produit pur.

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