Synthèse du paracétamol

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux
Type : Exercice | Année : 2014 | Académie : Afrique
Corpus Corpus 1
Synthèse du paracétamol

Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux

pchT_1406_01_01C

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40

Afrique • Juin 2014

Exercice 1 • 9 points

Le paracétamol ou para-acétyl-amino-phénol est un antipyrétique, entre autres, synthétisé pour la première fois par Harmon Northrop Morse en 1878. Jusque-là les antipyrétiques étaient obtenus à partir de préparations réalisées avec des écorces de Cinchona ou de Saule. Le paracétamol découvert par Morse ne fut commercialisé qu’une cinquantaine d’années plus tard sous le nom de paracétamol.

Remarque : Le genre Cinchona rassemble en vérité une vingtaine d’espèces d’arbres ou d’arbustes, tous originaires d’Amérique du Sud.

La synthèse du paracétamol peut être réalisée au laboratoire à partir du para-aminophénol et de l’anhydride éthanoïque. L’équation de la réaction de la synthèse est la suivante :


 

Les différentes phases d’un protocole de synthèse sont décrites ci-après.

  • Phase n° 1

Dans un erlenmeyer de 150 mL, introduire 2,7 g de para-aminophénol, 25 mL d’eau distillée, 2 mL d’acide éthanoïque pur prélevés à la pipette graduée, et un barreau aimanté. Adapter sur l’erlenmeyer un réfrigérant à air et plonger pendant 10 minutes dans un bain-marie à 80 °C placé sur un agitateur magnétique chauffant.

  • Phase n° 2

Ramener la solution à température ambiante puis, sous la hotte, enlever le réfrigérant à air et ajouter lentement 3,5 mL d’anhydride éthanoïque au mélange précédent.

L’addition terminée, adapter le réfrigérant à air et placer à nouveau le mélange au bain-marie à 80 °C pendant 10 minutes.

  • Phase n° 3

Refroidir le mélange réactionnel dans un bain d’eau glacée et attendre la cristallisation complète. Amorcer, le cas échéant, la formation du paracétamol solide à l’aide d’un agitateur en verre.

Filtrer les cristaux sur Büchner (sous pression réduite).

Rincer le solide avec un minimum d’eau glacée, puis le récupérer dans un erlenmeyer.

  • Phase n° 4

Dans l’erlenmeyer contenant le solide, introduire au maximum 20 mL d’eau distillée et chauffer le mélange placé sur un agitateur magnétique chauffant jusqu’à dissolution complète du solide.

Laisser refroidir lentement jusqu’à l’amorce de la cristallisation, puis la terminer dans un mélange eau-glace.

Filtrer sous pression réduite les cristaux obtenus et les récupérer dans une coupelle.

Sécher les cristaux dans une étuve à 80 °C, puis peser le solide obtenu.

  • Phase n° 5

Éluant : mélange CHCI3 (chloroforme) et CH3OH (méthanol) ; 60/40 en volume.

Échantillons :

  • 1 mL d’éluant + une pointe de spatule de 4-aminophénol ;
  • 1 mL d’éluant + une pointe de spatule de paracétamol synthétisé et purifié ;
  • 1 mL d’éluant + une pointe de spatule de paracétamol du commerce.

Révélation sous UV (λ = 254 nm).

Données

  • Électronégativité (échelle de Pauling) de quelques éléments chimiques
 

Numéro atomique

Nom

Symbole

Électronégativité (Pauling)

1

Hydrogène

H

2,20

6

Carbone

C

2,55

7

Azote

N

3,04

8

Oxygène

O

3,44

 
  • Données physico-chimiques
 

Composé

Aspect à 25 °C et sous 105 Pa

Risques

Solubilité dans l’eau

Temp. de fusion en °C

Temp. d’ébullition en °C

Masse molaire en g · mol–1

Para-aminophénol

Solide blanc

• 8 g · L–1à 20 °C

• 33 g · L–1à 60 °C

• 85 g · L–1à 100 °C

Solubilité accrue en solution aqueuse d’acide éthanoïque

186

284

109

Anhydride éthanoïque

Liquide incolore de densité 1,08

Réagit avec l’eau en donnant l’acide dont il est issu

– 73

136

102

Paracétamol

Solide blanc

• 10 g · L–1à 20 °C

• 250 g · L–1à 100 °C

168

388

151

Acide éthanoïque

Liquide incolore de densité 1,05

Très grande solubilité de 0 °C à 100 °C

17

118

60

 

1 Recopier, avec soin sur votre copie, les molécules de para-aminophénol et de paracétamol, et entourer les groupes caractéristiques sur ces deux molécules. Préciser les familles de composés qui leur sont associées. (1 point)

2 Identifier, en justifiant votre réponse, les deux sites donneurs de doublets d’électrons présents sur la molécule de para-aminophénol. (0,5 point)

3 Le mécanisme simplifié de la réaction de synthèse du paracétamol peut être modélisé par les trois étapes représentées ci-dessous.

Étape n° 1


 

Étape n° 2


 

Étape n° 3


 

1. Reproduire sur votre copie, l’étape n° 1 de ce mécanisme et représenter la (ou les) flèche(s) courbe(s) qui rend(ent) compte de l’obtention de l’intermédiaire A. Justifier votre schéma. (1 point)

2. Indiquer la catégorie de chacune des réactions des trois étapes du mécanisme. (1,5 point)

4 Un autre déplacement de doublets d’électrons pourrait intervenir dans l’étape 1 et produire un intermédiaire B différent de l’intermédiaire A.

1. Représenter ce déplacement de doublets d’électrons, en reproduisant sur votre copie cette première étape qui conduirait à l’intermédiaire B.

2. À partir de cet intermédiaire B, et en supposant deux étapes analogues aux étapes 2 et 3, donner la formule topologique du produit final E qui serait alors formé. (0,5 point)

5 En réalité, seul le paracétamol est obtenu lors de la mise en œuvre de ce protocole de synthèse. Quelle propriété possède donc cette réaction entre le para-aminophénol et l’anhydride éthanoïque ? (0,5 point)

6 Analyse du protocole expérimental

1. Donner un nom à chacune des cinq phases du protocole expérimental de synthèse mis en œuvre au laboratoire. (1 point)

2. À l’aide de vos connaissances et des documents fournis, justifier le choix des techniques utilisées dans les phases 3 et 4 du protocole expérimental, en rédigeant un texte précis et concis. (1 point)

3. Déterminer la masse maximale de paracétamol qui peut être obtenue à partir du protocole expérimental mis en œuvre. Expliciter votre démarche pour la déterminer. (1 point)

Les clés du sujet

Notions et compétences en jeu

Synthèse organique • Étude de protocole • Mécanisme réactionnel.

Conseils du correcteur

2 Cherchez les sites riches en électrons (soit grâce à des doublets non liants soit grâce à leur électronégativité élevée).

31. Repérez les modifications entre les réactifs et les produits. Regardez notamment ce qui se passe au niveau de l’atome d’azote du para-aminophénol et de l’atome d’oxygène de l’anhydride. Les mouvements vont toujours du doublet vers le site déficitaire.

41. Revenez à la réponse à la question (2) et faites réagir l’autre site donneur de doublet électronique sur le même site accepteur.

62. D’après les données, la solubilité du paracétamol diminue avec la température.

3. Lorsqu’on a une espèce liquide, il faut utiliser la densité (ou la masse volumique) pour calculer la quantité .

Corrigé
Corrigé

1 Identifier les groupes caractéristiques et les familles de composés organiques


 

Remarque : Pour être plus précis, quand un groupe OH est porté par un carbone compris dans un cycle aromatique, on parle d’un phénol. Cependant cette distinction est hors programme.

Les familles associées aux groupes hydroxyle, amine et amide sont respectivement les familles des alcools, des amines et des amides.

2 Identifier les sites donneurs de doublet

Notez bien

L’identification de ces deux sites est confirmée par les données (énoncé) de l’électronégativité. En effet, l’électronégativité des atomes d’azote et d’oxygène est supérieure à celle des atomes de carbone et d’hydrogène.

Dans la molécule de para-aminophénol, les sites donneurs de doublets d’électrons sont l’atome d’azote (un doublet non liant) et l’atome d’oxygène (deux doublets non liants).

31. Envisager un mécanisme réactionnel possible


 

Dans cette étape, l’azote du groupe amine du para-aminophénol est un site nucléophile, donneur de doublet électronique. Il attaque donc un site déficitaire en électrons : ici l’atome de carbone lié à deux atomes d’oxygène, plus électronégatifs que lui. Un des doublets de la double liaison se replie alors sur l’atome d’oxygène, très électronégatif, qui porte alors une charge « moins » supplémentaire.

2. Déterminer la catégorie de réaction chimique

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 y a ni l’un, ni l’autre.

  • L’étape no 1 correspond à une réaction d’addition, justifiée par le fait qu’il y a disparition d’une liaison double (ou plutôt transformation d’une double en une simple) ; de plus, à partir de deux réactifs on aboutit à un seul produit.
  • L’étape no 2 est une réaction d’élimination : il y a apparition d’une liaison double ; de plus, on aboutit à deux produits en partant d’un seul réactif.
  • L’étape no 3 est une réaction acido-basique puisqu’il s’agit d’un transfert de proton (donné par l’azote et accepté par l’oxygène).

41. Déduire un produit de réaction à partir d’un mécanisme réactionnel


 

Attention !

Les flèches courbes partent toujours d’un doublet d’électrons (schéma ci-dessus).

Un autre mécanisme réactionnel possible est le déplacement d’un des doublets de l’atome d’oxygène présent dans le para-aminophénol, ce qui donnerait un intermédiaire B, au lieu du déplacement de l’atome d’azote qui donne l’intermédiaire A (voir réponse à la question 31).

2. Déduire le produit d’une réaction par analogie

En supposant que les étapes no 2 et no 3 soient analogues à celles présentées dans l’énoncé pour la synthèse du paracétamol, en partant de l’intermédiaire B, on obtiendrait alors le produit E ci-dessous.


 

5 Connaître les propriétés de sélectivité des réactions chimiques

Cette réaction se fait spécifiquement sur un groupe fonctionnel : il s’agit donc d’une réaction chimio-sélective.

61. Déterminer la finalité d’opérations expérimentales

  • Phase no 1 : Il s’agit d’une étape de dissolution. Le para-aminophénol est dissous dans une solution aqueuse acide, certainement pour pouvoir favoriser la rencontre des réactifs par la suite.
  • Phase no 2 : Ici c’est la réaction de synthèse à proprement parler. Les deux réactifs sont mis en contact dans un dispositif de chauffage à reflux.
  • Phase no 3 : Il s’agit d’une extraction du paracétamol formé par une cristallisation puis d’une filtration sous vide.
  • Phase no 4 : C’est la purification du solide obtenu par recristallisation.
  • Phase no 5 : C’est une étape double d’identification mais aussi de vérification de la pureté du paracétamol à l’aide d’une chromatographie.

2. Justifier un protocole expérimental

La phase no 3 consiste en une recristallisation du paracétamol dans un bain d’eau glacée. Elle se justifie pleinement car le paracétamol est bien moins soluble dans l’eau froide que dans l’eau chaude (données). En abaissant la température du solvant, on minimise la solubilité du paracétamol qui précipite (autrement dit devient solide). Le fait de gratter le contenant permet d’amorcer la cristallisation mais ce n’est pas une obligation.

La filtration sous Buchner permet de séparer le solide, que l’on veut ­garder, du mélange réactionnel ne contenant que très peu de para­cétamol, le peu qui n’est pas précipité (à cause de la solubilité, faible mais non nulle).

Il s’agit ensuite de rincer le solide avec « un minimum d’eau glacée », en effet on ne souhaite pas en perdre par dissolution donc on ne le rince que dans très peu d’eau et celle-ci est glacée car la solubilité du para­cétamol y est faible.

La phase no 4 consiste à purifier le solide récupéré en phase no 3. Ce solide est versé dans de l’eau qui est chauffée jusqu’à la dissolution totale du solide. On diminue alors la température de la solution de façon progressive et le plus lentement possible.

La cristallisation est faite de façon très lente pour minimiser les impuretés piégées dans le réseau cristallin naissant. En versant le solide dans de l’eau chaude, on augmente sa solubilité et donc il se dissout et les impuretés qui avaient été piégées lors de la première cristallisation sont « libérées » dans la solution aqueuse.

Le terme « maximum » pour les 20 mL d’eau distillée est important ; en effet il ne faut pas dissoudre le solide dans trop d’eau car il serait alors difficile de tout refaire cristalliser lors du refroidissement. Malheureusement, on constate, d’après les données, que le para-aminophénol est aussi peu soluble à froid donc il risque de suivre la même cristallisation que le paracétamol durant toutes ses étapes (s’il en reste après la synthèse).

Le séchage dans l’étuve permet d’éliminer les traces d’eau restantes avec le solide cristallisé.

3. Détermination de la masse de produit synthétisée

On indiquera « para » pour les données concernant le para-amino­phénol, « anh » pour celles concernant l’anhydride.

Quantités initiales des réactifs :

ni(para) == 2,5 × 10–2 mol

Notez bien

Pour un liquide pur, on a le nombre de moles grâce à n= ou n=.

Attention, ce n’est pas valable pour une espèce en solution ! À ce moment, on revient sur n=C × V.

Étant donnés les coefficients stœchiométriques (1 et 1), on peut déduire que le para-aminophénol est le réactif limitant et donc que si l’on considère la réaction totale, on pourra former :

nmax= 2,5 × 10–2 mol de paracétamol.

On en déduit donc la masse maximale de paracétamol attendue :

mmax=nmax × M(paracétamol) = 2,5 × 10–2 × 151 =3,8 g.