L’arôme de banane d’un yaourt, l’aspirine d’une boîte de comprimés, le paracétamol de la pharmacie : ces molécules sont fabriquées par une synthèse organique. Pour passer du flacon de réactifs à un produit pur, le chimiste suit une démarche en quatre temps, puis mesure l’efficacité de son travail grâce au rendement.
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Les quatre étapes d’une synthèse organique
Une synthèse organique consiste à fabriquer une espèce chimique (le produit) à partir d’autres espèces (les réactifs) par une transformation chimique. Elle suit presque toujours le même fil conducteur : on réalise la transformation, on isole le produit du mélange, on le purifie, puis on l’identifie et on calcule le rendement.
Réaliser la transformation : le chauffage à reflux
Beaucoup de transformations organiques sont lentes à température ambiante. Trois facteurs cinétiques permettent de les accélérer : la température, la concentration des réactifs et la présence d’un catalyseur. Mais chauffer un mélange de liquides volatils fait bouillir et perdre de la matière. Le chauffage à reflux règle ce problème : les vapeurs montent dans un réfrigérant à eau, se condensent et retombent dans le ballon.
Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une transformation sans figurer dans son équation. Il ne modifie ni l’état final atteint ni la quantité maximale de produit.
Quelques précautions : le montage n’est jamais fermé (il communique avec l’air par le haut du réfrigérant), l’eau circule à contre-courant (entrée en bas, sortie en haut) pour que le réfrigérant reste plein d’eau, et l’on ajoute de la pierre ponce ou un barreau aimanté pour régulariser l’ébullition.
Isoler et purifier le produit
À la fin de la transformation, le produit est mélangé aux réactifs restants, au solvant et aux sous-produits. On le sépare par des techniques qui exploitent des propriétés physiques différentes.
- Extraction liquide-liquide : on agite le mélange avec un solvant non miscible à l’eau dans lequel le produit est très soluble ; on sépare les deux phases dans une ampoule à décanter. La phase la plus dense est en bas.
- Lavage : on agite la phase organique avec une solution aqueuse (eau, solution d’hydrogénocarbonate de sodium) pour éliminer les espèces ioniques ou acides.
- Séchage : on ajoute un solide anhydre (sulfate de magnésium) qui retient les traces d’eau, puis on filtre.
- Filtration sur Büchner : on essore un solide cristallisé sous pression réduite.
- Recristallisation : on dissout le solide impur dans un minimum de solvant chaud ; au refroidissement le produit cristallise et les impuretés, peu abondantes, restent dissoutes.
- Distillation : on sépare des liquides de températures d’ébullition différentes.
Identifier le produit et contrôler sa pureté
Un produit obtenu n’est pas forcément le bon, ni forcément pur. On le caractérise par des mesures comparées à des valeurs de référence.
| Technique | Grandeur mesurée | Critère de pureté |
|---|---|---|
| Banc Kofler | Température de fusion (°C) | Valeur égale à la valeur tabulée, fusion nette |
| Réfractomètre | Indice de réfraction (liquide) | Égal à la valeur tabulée |
| CCM | Rapport frontal Rf | Une seule tache, identique à la référence |
| Spectroscopie IR | Bandes d’absorption (cm−1) | Bandes des liaisons attendues |
La chromatographie sur couche mince (CCM) sépare les espèces d’un mélange : un éluant monte par capillarité sur une plaque et entraîne chaque espèce plus ou moins loin. Les impuretés fondent un solide sur une plage plus large et à une température plus basse que le corps pur.
Le rendement d’une synthèse
Les quantités de réactifs sont connues par leur masse ou leur volume. On les convertit en quantité de matière pour savoir quel réactif est limitant, c’est-à-dire celui qui disparaît le premier.
n = m ÷ M (n en mol, m en g, M en g·mol−1)
n = ρ × V ÷ M (ρ en g·mL−1, V en mL)
Rendement : η = nexp ÷ nmax = mexp ÷ mmax (sans unité, souvent exprimé en %)
La quantité maximale de produit nmax est celle qu’on obtiendrait si la transformation était totale ; elle se déduit de l’avancement maximal xmax et des nombres stœchiométriques de l’équation. Elle est fixée par le réactif limitant, jamais par celui qui est en excès.
C7H6O3 + C4H6O3 → C9H8O4 + C2H4O2. On part de 2,00 g d’acide salicylique (M = 138,1 g·mol−1) et de 5,0 mL d’anhydride éthanoïque (M = 102,1 g·mol−1, ρ = 1,08 g·mL−1).
n(salicylique) = 2,00 ÷ 138,1 = 1,45×10−2 mol ; n(anhydride) = 1,08 × 5,0 ÷ 102,1 = 5,3×10−2 mol. Les coefficients valent 1 : l’acide salicylique est limitant, donc nmax = 1,45×10−2 mol et mmax = 1,45×10−2 × 180,2 = 2,61 g d’aspirine. On pèse 1,85 g : η = 1,85 ÷ 2,61 = 0,709, soit 71 %.
Le rendement se calcule avec le produit et le réactif limitant. Un rendement supérieur à 100 % est impossible : il signale un produit humide ou impur, ou une erreur de calcul.
Pourquoi le rendement est-il inférieur à 100 %
Plusieurs causes se cumulent : une transformation limitée (elle s’arrête avant la disparition du réactif limitant, comme l’estérification), des réactions secondaires qui forment d’autres espèces, et surtout des pertes à chaque manipulation (transferts, filtration, recristallisation). Pour améliorer le rendement, on peut utiliser l’un des réactifs en excès, éliminer un produit au fur et à mesure, allonger la durée de chauffage ou choisir un catalyseur adapté. Lorsqu’une synthèse comprend plusieurs étapes, les rendements se multiplient : deux étapes à 80 % donnent 0,80 × 0,80 = 64 %.
L’essentiel à retenir
- Une synthèse comprend la transformation, l’isolement, la purification et le contrôle du produit.
- Le chauffage à reflux accélère la réaction sans perte de matière ; l’eau circule du bas vers le haut du réfrigérant.
- Extraction, lavage, séchage, filtration, recristallisation et distillation séparent et purifient.
- Température de fusion, indice de réfraction et CCM (Rf = d ÷ D) identifient le produit et testent sa pureté.
- η = nexp ÷ nmax, calculé avec le réactif limitant ; η ≤ 100 %.