Synthèse d’une espèce chimique

L’arôme de banane d’un bonbon, l’aspirine, le nylon ou le paracétamol sont des espèces chimiques synthétisées : fabriquées en laboratoire ou en usine plutôt qu’extraites d’un produit naturel. Une espèce synthétique peut être identique à une espèce naturelle (la vanilline de synthèse est la même molécule que celle de la gousse) ou artificielle, sans équivalent dans la nature. La démarche de synthèse, au programme de seconde puis de terminale en France, suit toujours les mêmes étapes.

Les quatre étapes

On termine souvent par le calcul du rendement.

Étape 1 : le chauffage à reflux

Beaucoup de réactions organiques sont lentes à température ambiante. Chauffer les accélère (voir cinétique chimique), mais risque de faire perdre des espèces volatiles. Le chauffage à reflux résout ce problème.

Montage : un ballon contenant les réactifs et quelques grains de pierre ponce est placé dans un chauffe-ballon ; au-dessus, un réfrigérant à boules (ou droit) vertical, parcouru par de l’eau froide qui entre par le bas et sort par le haut.

• Les vapeurs montent dans le réfrigérant, s’y condensent et retombent dans le ballon.
• On chauffe longtemps sans perte de matière.
• Le montage reste ouvert en haut pour éviter toute surpression.

Un catalyseur, comme l’acide sulfurique pour une estérification, accélère encore la réaction (voir catalyseur).

Étape 2 : l’isolement

• Si le produit est solide, on le récupère par filtration, souvent sous vide sur Büchner, après refroidissement dans un bain d’eau glacée pour le faire cristalliser.
• Si le produit est liquide et peu soluble dans l’eau, on le sépare par décantation ou extraction liquide-liquide. On peut ajouter de l’eau salée (relargage), qui diminue la solubilité du produit organique dans la phase aqueuse.

Étape 3 : la purification

• Recristallisation (solides) : on dissout le produit brut dans un minimum de solvant chaud, puis on laisse refroidir ; le produit recristallise pur, les impuretés restant dissoutes.
• Lavage (liquides) : à l’ampoule à décanter, avec de l’eau ou une solution d’hydrogénocarbonate de sodium pour neutraliser l’acide restant.
• Séchage : un sel anhydre (sulfate de magnésium) capte les dernières traces d’eau.
• Distillation (liquides) : sépare le produit des autres liquides selon leurs températures d’ébullition.

Étape 4 : l’identification

• Chromatographie sur couche mince (CCM) : on dépose sur une plaque le produit obtenu, un échantillon de référence pur et les réactifs. Si le produit donne une seule tache à la même hauteur que la référence, il est probablement pur et identifié. Voir chromatographie.
• Température de fusion (solides), mesurée sur un banc Kofler : un produit pur fond à une température précise, tabulée ; des impuretés l’abaissent.
• Température d’ébullition, indice de réfraction (liquides).
• Spectroscopie infrarouge : elle confirme la présence des groupes caractéristiques attendus (voir spectroscopie infrarouge).

Exemple : la synthèse de l’arôme de banane

L'acétate d’isoamyle (éthanoate de 3-méthylbutyle), à l’odeur de banane, est un ester obtenu par réaction entre l'acide éthanoïque et le 3-méthylbutan-1-ol, catalysée par quelques gouttes d’acide sulfurique :

acide + alcool ⇄ ester + eau

1. Transformation : chauffage à reflux d’environ 30 minutes.
2. Isolement : refroidissement, ajout d’eau salée, décantation ; l’ester, peu dense, forme la phase supérieure.
3. Purification : lavage à l’hydrogénocarbonate de sodium (dégagement de CO₂ : dégazer souvent), séchage.
4. Identification : CCM comparée à un échantillon de référence, odeur caractéristique.

La réaction est limitée par un équilibre : le rendement dépasse rarement 60 à 70 % sans précaution particulière. Utiliser un réactif en excès ou éliminer l’eau formée augmente le rendement.

Le rendement

η = m(produit obtenu) / m(produit attendu si la réaction était totale)

La masse théorique se calcule grâce au tableau d’avancement. Les pertes viennent du caractère limité de la réaction, des transferts entre récipients, des étapes de purification et des réactions parasites.

Erreurs fréquentes

• Confondre reflux et distillation : au reflux, les vapeurs retombent dans le ballon ; en distillation, on les recueille ailleurs.
• Brancher l’eau du réfrigérant à l’envers (entrée par le haut) : il se remplit mal et condense moins bien.
• Confondre synthétique et artificiel.
• Croire qu’une seule tache en CCM suffit à prouver la pureté : deux espèces peuvent migrer à la même hauteur ; on recoupe avec d’autres mesures.

Exercice corrigé

Énoncé. On synthétise de l’aspirine à partir de 5,0 g d’acide salicylique (M = 138 g/mol), l’autre réactif étant en excès. Une mole d’acide salicylique donne une mole d’aspirine (M = 180 g/mol). On obtient 4,6 g d’aspirine purifiée. 1) Calculer la masse maximale d’aspirine. 2) Calculer le rendement. 3) Quelle mesure simple permet de vérifier sa pureté ?

Corrigé.

1. n = 5,0 / 138 ≈ 0,036 mol ; m_max = 0,036 × 180 ≈ 6,5 g.
2. η = 4,6 / 6,5 ≈ 0,71, soit environ 71 %.
3. La température de fusion au banc Kofler, à comparer à la valeur tabulée (environ 135 °C pour l’aspirine), ou une CCM avec un échantillon de référence.

Questions fréquentes

Une espèce synthétique est-elle moins bonne qu’une espèce naturelle ?

Si la molécule est la même, ses propriétés sont identiques. Un arôme naturel contient toutefois souvent un mélange de nombreuses molécules, ce qui lui donne une note différente de la molécule de synthèse seule.

Pourquoi synthétiser une molécule qui existe dans la nature ?

Pour en produire davantage, moins cher et avec une qualité constante : la vanille naturelle ne suffirait pas à couvrir la demande mondiale en vanilline.

Qu’est-ce que la chimie verte change à la synthèse ?

Elle cherche à réduire les déchets, à utiliser des solvants moins dangereux, des catalyseurs et des matières premières renouvelables. Voir chimie verte.