Un exemple de chimie verte : la synthèse de l’ibuprofène

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Economiser les ressources et respecter l'environnement
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Antilles, Guyane
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Un exemple de chimie verte : la synthèse de l’ibuprofène
 
 

Économiser les ressources et respecter l’environnement

pchT_1309_04_01C

Agir

35

CORRIGE

 

Antilles, Guyane • Septembre 2013

Exercice 2 • 11 points

L’ibuprofène est la substance active de nombreux médicaments de la classe des anti-inflammatoires non stéroïdiens. Cet anti-inflammatoire est aussi un analgésique (anti-douleur) et un antipyrétique (lutte contre la fièvre). On l’utilise par exemple pour soulager l’arthrite, les maux de tête ou encore les courbatures.

Dans les années 1960, les laboratoires Boots développent l’ibuprofène de formule brute C13H18O2 et proposent une voie de synthèse en six étapes (voir documents 1 et 2).

Dans les années 1990, la société BHC met au point un procédé reposant sur les principes de la chimie verte, une chimie qui réduit la pollution à la source et qui est plus respectueuse de l’environnement. La nouvelle voie de synthèse, beaucoup plus efficace que la voie traditionnelle, ne met en jeu que trois étapes (étapes 1, 2 et 3 du document 1). Ainsi la quantité du sous-produit est considérablement réduite, de plus l’unique sous-produit formé est valorisé.

D’après http://fr.wilipedia.org/wiki/Ibuprofene et http://culturesciences.chimie.ens.fr/node/787

Les trois parties sont indépendantes.

1. Description de l’ibuprofène

La molécule d’ibuprofène possède deux stéréoisomères, notés R et S, représentés ci-dessous.

1 Quel est le nom du groupe caractéristique oxygéné que comporte l’ibuprofène ? Quelle est la fonction chimique correspondante ? (0,5 point)

2 Quel qualificatif utilise-t-on pour désigner l’atome de carbone noté 2 sur les représentations ci-dessus ? (0,5 point)

3 Les molécules R et S sont-elles identiques, énantiomères ou diastéréoisomères ? Justifier. (0,5 point)

2. Analyse des voies de synthèse

Utilisation atomique : définition

L’efficacité d’un procédé est traditionnellement mesurée par le rendement chimique (qui ne tient pas compte de la quantité de sous-produits formés). Dans une optique de réduction de la pollution à la source, la chimie verte propose une évolution du concept d’efficacité qui prend en compte la minimisation de la quantité de déchets. L’indicateur de l’efficacité d’un procédé est l’« utilisation atomique (UA) ».

L’utilisation atomique est définie comme le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits qui apparaissent dans l’équation stœchiométrique. Si les sous-produits de la réaction ne sont pas tous identifiés, alors la conservation de la matière permet de remplacer le dénominateur par la somme des masses molaires de tous les réactifs :

Utilisation atomique :

D’après : http//culturesciences.chimie.ens.fr/node/787

1 L’utilisation atomique du procédé des laboratoires Boots est UA1 = 0,40 = 40 %. On montre que l’utilisation atomique UA2 du procédé de la société BHC vaut environ 77 %. Conclure. (0,5 point)

2 Dans le procédé BHC (document 1), les espèces Ni et Pd (étapes 2 et 3) ne sont pas des réactifs. De quel type d’espèces s’agit-il ? Quel est leur rôle ? (0,5 point)

3 L’étape 1 des procédés Boots et BHC est identique. Il y a formation du composé représenté sur le document 1, et d’acide éthanoïque, non représenté. S’agit-il d’une addition, d’une élimination ou d’une substitution ? (0,5 point)

4 À quelle grande catégorie de réactions l’étape 5 (document 2) du procédé Boots appartient-elle ? (0,5 point)

Document 1

Procédés Boots et BHC


 
Document 2

Détail des étapes 2 à 6 du procédé Boots


 

3. Titrage d’un comprimé d’ibuprofène

Afin de réaliser le titrage de l’ibuprofène contenu dans un comprimé d’« ibuprofène 400 mg » :

  • on réduit en poudre le comprimé dans un mortier à l’aide d’un pilon ;
  • on sépare la molécule active des excipients par dissolution dans l’éthanol que l’on évapore ensuite (les excipients sont insolubles dans l’éthanol) ;
  • on introduit la poudre obtenue dans un bécher et on ajoute environ 40 mL d’eau distillée ;
  • le titrage est effectué à l’aide d’une burette graduée contenant une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium de concentration molaire apportée cb= 0,20 mol∙L-1. Le titrage est suivi par pH-métrie (les courbes obtenues sont tracées dans le document 3 ci-après).
Document 3

Courbes pH = f(Vb) et


 

1 Réaliser un schéma du montage permettant d’effectuer le titrage. (1 point)

2 Définir l’équivalence d’un titrage. (0,5 point)

3 On rentre dans un tableur-grapheur les différentes valeurs du pH mesurées en fonction du volume Vb de solution d’hydroxyde de sodium ajoutée. On utilise les fonctionnalités du tableur-grapheur pour dériver le pH par rapport à Vb, la grandeur obtenue est notée .

Les courbes tracées suite au titrage pH-métrique sont :

pH =f(Vb) et  (document 3).

1. Parmi les courbes 1 et 2, quelle est celle qui représente pH =f(Vb) et celle qui représente  ? Justifier. (0,5 point)

2. Déterminer la valeur du volume équivalent VE par une méthode de votre choix. (0,5 point)

4 On note, à présent, l’ibuprofène comme : R–COOH.

À quel couple acide/base appartient l’ion hydroxyde HO– ? (0,5 point)

5 Écrire l’équation de la réaction support du titrage. (0,5 point)

6 Quelles caractéristiques doit posséder une réaction chimique pour être utilisée lors d’un titrage ? (0,5 point)

7 Le pKA du couple auquel appartient l’ibuprofène est, à 25 °C :

pKA = 4,5.

Placer sur un diagramme les domaines de prédominance des espèces du couple R–COOH/R–COO–.

En utilisant le document 3, déterminer quelle espèce prédomine en début de titrage. (0,5 point)

8 La solution d’hydroxyde de sodium (de concentration cb) est initialement placée dans la burette. Calculer le pH de cette solution aqueuse dans l’hypothèse d’une solution diluée. Quelles précautions d’utilisation convient-il de prendre ? Justifier. (1 point)

9 À l’aide des réponses aux questions 32 et 5, déterminer la quantité de matières d’ions hydroxyde nE(HO–) versée à l’équivalence et en déduire la quantité de matière ni(ibu) d’ibuprofène titré. (0,5 point)

10 Déduire des résultats précédents la masse m d’ibuprofène titré, et comparer cette dernière à la valeur attendue. (0,5 point)

11 On souhaite évaluer l’incertitude U(m) sur la masse m liée aux différentes sources d’erreurs avec un niveau de confiance de 95 %. Dans ces conditions :

  • l’incertitude sur la mesure du volume versé par cette burette est

Uvol = 0,16 mL ;

  • l’incertitude sur la concentration en hydroxyde de sodium est

Ucb = 0,010 .

L’incertitude U(m) sur la masse est alors telle que :

.

Présenter le résultat de la valeur de la masse m sous la forme :

m =m ± U(m). (0,5 point)

12 Parmi les indicateurs colorés acido-basiques proposés dans le tableau ci-après, quel est celui qui est le mieux adapté au titrage précédent ? Justifier. (0,5 point)

 

Indicateur coloré

Couleur acide

Zone de virage

Couleur basique

Vert de bromocrésol

Jaune

3,8-5,4

Bleu

Phénolphtaléine

Incolore

8,2-10

Rose

Jaune d’alizarine

Jaune

10,1-12,0

Rouge-orangé
 

Données

  • Masse molaire de l’ibuprofène : M(C13H18O2) = 206 .
  • Produit ionique de l’eau : Ke = 1,0 × 10–14 à 25 °C.

Notions et compétences en jeu

Connaître les groupes caractéristiques et la géométrie des molécules organiques • Connaître les mécanismes réactionnels • Connaître les propriétés des titrages • Calculer des incertitudes de mesure.

Conseils du correcteur

Partie 2

3 Repérez les différences entre les molécules.

Partie 3

8 Déterminez la concentration en ions H3O+.

q Utilisez les formules founies dans la question.

Corrigé

1. Description de l’ibuprofène

1 Reconnaître des groupes caractéristiques

Le groupe caractéristique oxygéné de la molécule d’ibuprofène est le groupe carboxyle. Il correspond à la fonction acide carboxylique.

 

Notez bien

Pour que des molécules soient diastéréoisomères, il faut qu’elles comportent au moins deux carbones asymétriques.

2 Reconnaître un carbone asymétrique

L’atome de carbone noté 2 est un carbone tétra­édrique relié à quatre groupements différents. C’est un carbone asymétrique.

3 Reconnaître les stéréo-isoméries

Les molécules R et S sont images l’une de l’autre dans un miroir et elles possèdent 1 carbone asymétrique. Ce sont donc des énantiomères.

2. Analyse des voies de synthèse

1 Extraire des informations

D’après le document 1, un procédé est d’autant plus efficace et d’autant moins polluant si son UA (utilisation atomique) est importante. Le procédé Boots est donc moins efficace et plus polluant que le procédé BHC : UA1<UA2.

2 Connaître le rôle d’un catalyseur

 

À retenir

La catalyse est toujours recherchée en chimie verte.

Ni et Pd sont des symboles d’atomes, il s’agit respectivement de nickel et de palladium. Ces espèces ne participent pas à l’écriture de la réaction chimique. Elles ont pour rôle d’augmenter la vitesse de la réaction. Ce sont des catalyseurs.

3 Reconnaître les mécanismes réactionnels


 

 

Dans l’étape 1, sur le cycle aromatique, un atome d’hydrogène est remplacé par un groupement carbonylé. C’est donc une substitution.

4 Reconnaître les mécanismes réactionnels

Dans l’étape 5 le groupement :


 

est remplacé par le groupement :


 

Il y a élimination d’une molécule d’eau et création d’une liaison triple au lieu d’une double. C’est donc une réaction d’élimination (ici de déshydratation).

3. Titrage d’un comprimé d’ibuprofène

1 Réaliser un schéma de montage


 

2 Connaître la définition de l’équivalence

Par définition, au moment de l’équivalence, les réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques. Cela correspond aussi au changement de réactif limitant.

3 1. Exploiter un graphe

Le dosage réalisé est celui d’un acide par une base, on doit donc avoir un pH qui augmente au fur et à mesure de l’ajout de la solution titrante. Cela correspond donc à la courbe 1.

L’autre courbe correspond à la variation du pH en fonction du volume soit .

2. Faire une lecture graphique

Sur la courbe 1, on peut utiliser la méthode des tangentes parallèles. Sur la courbe 2, il faut déterminer à quel volume correspond le maximum de la courbe. Quelle que soit la méthode, on lit :

VE= 9,7 mL.

4 Connaître les couples de l’eau

L’ion hydroxyde est la base du couple H2O / HO-.

5 Connaître les réactions acide-base

R-COOH + HO- → R-COO-+ H2O

6 Connaître les conditions d’un titrage

 

À retenir

Les réactions de titrage sont toujours totales donc à écrire avec une flèche simple.

Pour être support d’un titrage, la réaction chimique doit être totale et rapide.

7 Réaliser un diagramme de prédominance


 

D’après la courbe 1 du document 3, le pH au début du titrage vaut 2,7. L’espèce qui prédomine est donc l’espèce acide R-COOH.

8 Calculer le pH d’une solution. Connaître les conditions de sécurité

D’après les données du texte, cb= 0,20 mol.L-1. On a donc :

[HO-] = 2,0 × 10-1 mol∙L-1.

Par définition du produit ionique de l’eau :

Ke= [HO-][H3O+ ] = 1,0 × 10-14

On a donc [H3O+ ] = mol.L-1

Par définition du pH :

pH = – log[H3O+ ] = – log(5,0 × 10-14) =13,3.

La solution utilisée pour le titrage est donc très concentrée. Pour l’utiliser, il faut mettre des gants, des lunettes de protection et porter une blouse.

9 Déterminer une quantité de matière à l’aide d’un titrage

D’après l’équation obtenue en (, à l’équivalence, on a :

ni(ibu) =nE(HO-) =cbVE= 2,0 × 10-1 × 9,7 × 10-3=1,94×10-3mol.

10 Calculer une masse

mi(ibu) =ni(ibu) × M(ibu) = 1,94 × 10-3 × 206 = 0,400 g =400 mg.

C’est une valeur égale à la valeur attendue. Le comprimé titré est indiqué comme « ibuprofène 400 mg ».

11 Calculer une incertitude

On utilise la relation donnée :

 

Attention

L’incertitude est à arrondir par excès et toujours avec un seul chiffre significatif après la virgule.

donc U(m) = 0,053m = 0,053 × 400 = 21 mg.

Le titrage a donc permis de déterminer une masse d’ibuprofène dans un comprimé telle que :

m = (4,0 ± 0,3) × 102 mg.

12 Choisir un indicateur coloré

D’après la courbe 1 du document 3, à l’équivalence, le pH est aux alentours de 9. Il faut donc choisir un indicateur coloré dont la zone de virage contient le pH à l’équivalence. La phénolphtaléine (zone de virage 8,2-10) doit convenir.