Synthèse organique

Thème du programme : Constitution et transformations de la matière — Élaborer des stratégies en synthèse organique Niveau : Terminale, enseignement de spécialité physique-chimie Place dans la progression : en Première, tu as appris à reconnaître les alcools, les aldéhydes, les cétones et les acides carboxyliques, et à suivre les étapes d'une synthèse. Ce chapitre fait de toi un stratège : lire et nommer des molécules plus variées, comprendre comment on rend une synthèse plus rapide et plus rentable, enchaîner plusieurs réactions pour fabriquer une molécule complexe, et le faire en limitant l'impact sur l'environnement. Tu y réinvestis la cinétique et le quotient de réaction des chapitres précédents.

Prérequis : formules brutes et semi-développées, groupes caractéristiques et familles de Première ; étapes d'un protocole de synthèse, rendement (Première) ; facteurs cinétiques et catalyse ; quotient de réaction $Q_r$, constante d'équilibre K et critère d'évolution spontanée.

Dans ce chapitre, essaie de répondre aux questions posées avant de lire la suite : c'est en formulant ta propre hypothèse, même fausse, que tu retiens le mieux l'explication qui suit.

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Paragraphe 1 — Structure et propriétés des espèces organiques

1.1 La formule topologique

Écrire tous les atomes de carbone et d'hydrogène devient vite illisible. Les chimistes utilisent donc une écriture simplifiée.

Règles de la formule topologique.

• La chaîne carbonée est représentée par une ligne brisée (en zigzag) : chaque extrémité et chaque sommet correspond à un atome de carbone.
• Les atomes d'hydrogène liés aux carbones ne sont pas représentés : chaque carbone en porte assez pour avoir quatre liaisons.
• Les autres atomes (O, N, Cl…) sont écrits, avec les hydrogènes qu'ils portent (OH, NH₂…).
• Une double liaison est représentée par un double trait.

Exemple. Le propan-1-ol $CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}OH$ s'écrit avec deux segments en zigzag suivis de OH : trois sommets ou extrémités, donc trois carbones.

1.2 Les familles fonctionnelles

Une famille fonctionnelle regroupe les molécules qui possèdent le même groupe caractéristique ; elles ont des propriétés chimiques voisines. Aux quatre familles de Première s'en ajoutent quatre nouvelles.

Règles de nomenclature (elles te seront fournies le jour de l'épreuve).

• Ester $R{-}COO{-}R'$ : « alcanoate d'alkyle ». La partie $R{-}CO$ (issue de l'acide) donne l'alcanoate, en comptant son carbone ; la partie $R'$ (issue de l'alcool) donne l'alkyle. Ex. : $HCOO{-}CH_3$ est le méthanoate de méthyle.
• Amine : nom de l'alcane, suivi de « -amine » précédé de la position de l'azote (propan-2-amine). Les groupes portés par l'azote sont notés « N-méthyl… ».
• Amide : nom de l'alcane, avec le suffixe « -amide » ; le carbone du groupe porte le numéro 1. Les groupes portés par l'azote sont notés « N-… ».
• Halogénoalcane : préfixe fluoro-, chloro-, bromo- ou iodo-, précédé de sa position (2-bromobutane).

Des familles partout. L'odeur de banane est due à un ester (éthanoate de 3-méthylbutyle) ; le paracétamol contient un groupe amide ; la caféine et la plupart des médicaments contiennent des amines ; les halogénoalcanes servent de solvants et de réactifs de synthèse.

1.3 Des squelettes carbonés variés

• Une chaîne est saturée si elle ne contient que des liaisons simples C–C, insaturée si elle contient au moins une double liaison C=C (les alcènes, de suffixe « -ène », par exemple but-2-ène).
• Une chaîne est linéaire ou ramifiée (méthylpropane).
• Elle peut être cyclique : les atomes de carbone forment un anneau, et le nom prend le préfixe « cyclo- » (cyclohexane, qui s'écrit comme un hexagone).

1.4 L'isomérie de constitution

🤔 À toi de jouer. L'éthanol et le méthoxyméthane ont la même formule brute, $C_2H_6O$. L'un est un liquide qui bout à 78 °C, l'autre un gaz. Comment est-ce possible ?

Définition — Isomères de constitution. Espèces qui ont la même formule brute, mais des enchaînements d'atomes différents : ce sont des espèces différentes, aux propriétés différentes.

On distingue trois cas :

• isomérie de chaîne : le squelette carboné diffère (butane et méthylpropane, $C_4H_{10}$) ;
• isomérie de position : le groupe caractéristique est placé ailleurs (propan-1-ol et propan-2-ol, $C_3H_8O$) ;
• isomérie de fonction : le groupe caractéristique est différent (acide propanoïque et éthanoate de méthyle, $C_3H_6O_2$).

Réponse à la question : dans l'éthanol $CH_3{-}CH_2{-}OH$, les molécules s'attirent fortement grâce aux groupes hydroxyle (liaisons hydrogène) ; dans le méthoxyméthane $CH_3{-}O{-}CH_3$, il n'y a pas de groupe OH. Même formule brute, mais enchaînements différents, donc propriétés différentes.

Méthode — Chercher tous les isomères d'une formule brute. Procéder par ordre : d'abord les squelettes possibles (chaîne la plus longue, puis ramifiée, puis cyclique), ensuite toutes les positions du groupe caractéristique, enfin les autres familles possibles. Vérifier à la fin qu'on n'a pas dessiné deux fois la même molécule (une chaîne retournée reste la même).

1.5 Les polymères

Définitions.

• Un polymère est une macromolécule formée par la répétition d'un grand nombre de fois d'un même enchaînement d'atomes, le motif.
• Le monomère est la petite molécule à partir de laquelle on fabrique le polymère, par une réaction de polymérisation.
• Le nombre n de motifs est le degré de polymérisation.

• Polymérisation par addition : les doubles liaisons C=C des monomères s'ouvrent et les monomères s'enchaînent. Exemples : polyéthylène (PE), polypropène (PP), polychlorure de vinyle (PVC), polystyrène (PS), polytétrafluoroéthylène (PTFE, le Téflon).
• Polymérisation par condensation : deux monomères portant chacun deux groupes caractéristiques réagissent en libérant une petite molécule, souvent de l'eau. Exemples : les polyesters (PET des bouteilles d'eau, fibres polaires) et les polyamides (nylon).

Pour identifier le motif d'un polymère à partir de sa formule, on cherche le plus petit enchaînement d'atomes qui, répété n fois, redonne toute la chaîne. Pour un polymère d'addition, le motif contient deux carbones de la chaîne principale, ceux de l'ancienne double liaison.

Les polymères synthétiques sont très stables : c'est leur qualité, et leur défaut. Mal collectés, ils persistent des siècles dans l'environnement et se fragmentent en microplastiques. Le recyclage, la réduction des emballages et les polymères biosourcés ou biodégradables sont des réponses actuelles.

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Paragraphe 2 — Optimiser une étape de synthèse

2.1 Rappels : les étapes d'une synthèse et le rendement

Une synthèse comprend la transformation (réaction), l'isolement du produit (extraction, filtration…), sa purification (lavage, recristallisation, distillation) et son identification (température de fusion, chromatographie, spectroscopie).

Rendement. $\eta = \dfrac{n_{obtenu}}{n_{max}}$, où $n_{max}$ est la quantité de produit qu'on obtiendrait si la transformation était totale (elle se calcule avec le réactif limitant). Le rendement est compris entre 0 et 1 (ou entre 0 et 100 %).

Optimiser une synthèse, c'est agir sur deux objectifs distincts : obtenir le produit plus vite (cinétique) et en obtenir davantage (rendement).

2.2 Augmenter la vitesse de formation du produit

On joue sur les facteurs cinétiques étudiés précédemment :

• la température : chauffer accélère la réaction. Pour chauffer longtemps sans perdre de matière, on utilise le chauffage à reflux ;
• la concentration des réactifs : un milieu plus concentré réagit plus vite (réactifs purs, sans solvant, quand c'est possible) ;
• un catalyseur : il accélère la réaction sans être consommé. L'estérification est catalysée par quelques gouttes d'acide sulfurique concentré.

Attention. Un catalyseur accélère autant la réaction dans les deux sens : il permet d'atteindre plus vite l'état final, mais il ne change pas l'état final, ni donc le rendement d'une transformation non totale.

2.3 Augmenter le rendement d'une transformation non totale

🤔 À toi de jouer. Une estérification, réalisée avec autant d'acide que d'alcool, s'arrête à 67 % de rendement, même en chauffant des heures avec un catalyseur. Comment faire mieux ?

L'estérification est non totale : $\text{acide} + \text{alcool} \rightleftharpoons \text{ester} + \text{eau} \qquad K \approx 4$

L'état final est un équilibre, atteint quand $Q_r = K$. D'après le critère d'évolution spontanée, le système évolue dans le sens direct tant que $Q_r < K$, avec $Q_r = \frac{[\text{ester}]\,[\text{eau}]}{[\text{acide}]\,[\text{alcool}]}$

Deux leviers permettent de maintenir $Q_r < K$ plus longtemps, et donc de former davantage d'ester :

1. Introduire un réactif en excès. Le dénominateur de $Q_r$ augmente, l'équilibre est atteint pour un avancement plus grand. On choisit en excès le réactif le moins cher ou le plus facile à éliminer.

2. Éliminer un produit au fur et à mesure qu'il se forme. Le numérateur de $Q_r$ reste petit, la réaction se poursuit jusqu'à épuisement du réactif limitant. On peut distiller l'ester s'il est le plus volatil, ou éliminer l'eau avec un appareil de Dean-Stark : l'eau, entraînée par un solvant (le cyclohexane), se condense et tombe au fond d'un tube gradué, hors du milieu réactionnel.

Réponse à la question : mettre un réactif en excès ou éliminer l'eau formée. En revanche, chauffer davantage ou ajouter plus de catalyseur n'y change rien : K de l'estérification dépend très peu de la température.

Méthode — Lire un protocole. Pour chaque opération, se demander : agit-elle sur la vitesse (chauffage, reflux, catalyseur, réactifs purs, agitation) ou sur le rendement (excès d'un réactif, élimination d'un produit) ? Ou encore sur la pureté (lavage, séchage, distillation) ?

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Paragraphe 3 — Stratégie de synthèse multi-étapes

3.1 Les grandes catégories de réactions

Repérer la catégorie. Comparer réactifs et produits : une double liaison apparaît → élimination ; une double liaison disparaît en réunissant deux molécules → addition ; un groupe en remplace un autre → substitution. L'estérification est classée comme une substitution : le groupe ${-}OH$ de l'acide est remplacé par le groupe ${-}O{-}R'$ de l'alcool.

3.2 Modifier le groupe caractéristique ou la chaîne carbonée

Une réaction peut :

• modifier le groupe caractéristique sans toucher au squelette (alcool → acide carboxylique, acide → ester, halogénoalcane → alcool) ;
• modifier la chaîne carbonée : l'allonger en créant des liaisons C–C, la raccourcir (craquage du pétrole), la ramifier ou la cycliser ;
• enchaîner des monomères : c'est la polymérisation.

3.3 Élaborer une séquence réactionnelle

Une molécule complexe ne s'obtient presque jamais en une seule étape. Le chimiste raisonne souvent à rebours : de quoi faut-il partir pour obtenir la molécule cible ? Puis de quoi faut-il partir pour obtenir ce précurseur ? À l'aide d'une banque de réactions, on construit une chaîne d'étapes.

Exemple — Fabriquer de l'éthanoate d'éthyle à partir d'éthène seul.

1. Addition d'eau sur l'éthène : on obtient de l'éthanol.
2. Oxydation d'une partie de cet éthanol : on obtient de l'acide éthanoïque.
3. Estérification de l'acide éthanoïque par le reste de l'éthanol : on obtient l'ester.

Le rendement global est le produit des rendements de chaque étape : trois étapes à 80 % donnent $0{,}8^3 \approx 51$ %. D'où l'intérêt des synthèses courtes.

3.4 Protection et déprotection

🤔 À toi de jouer. On veut unir l'alanine (Ala) et la glycine (Gly), deux acides aminés, pour obtenir le dipeptide Ala-Gly. Chacun porte un groupe amine et un groupe acide carboxylique. Que risque-t-on d'obtenir si on les mélange simplement ?

Quand une molécule possède plusieurs groupes réactifs et qu'on veut n'en faire réagir qu'un, on protège temporairement les autres :

1. Protection : on transforme le groupe à préserver en un groupe inerte dans les conditions de l'étape suivante ;
2. Réaction sur le groupe voulu ;
3. Déprotection : on régénère le groupe initial.

Réponse à la question : sans précaution, on obtient un mélange de quatre dipeptides : Ala-Ala, Ala-Gly, Gly-Ala et Gly-Gly. On protège donc le groupe amine de l'alanine et le groupe acide de la glycine : il ne reste qu'une seule possibilité, Ala-Gly. On déprotège ensuite.

La protection coûte deux étapes supplémentaires, des réactifs, des déchets, et baisse le rendement global. On ne l'utilise que lorsqu'elle est indispensable.

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Paragraphe 4 — Vers des synthèses écoresponsables

La chimie verte, formalisée en 1998 par Paul Anastas et John Warner en douze principes, vise à concevoir des synthèses qui réduisent les déchets, les risques et la consommation de ressources. Parmi ces principes :

• prévenir les déchets plutôt que les traiter ;
• maximiser l'économie d'atomes ;
• utiliser des solvants moins toxiques (eau, éthanol), ou s'en passer ;
• réduire la consommation d'énergie (réactions à température et pression ambiantes) ;
• préférer la catalyse aux réactifs utilisés en grande quantité ;
• utiliser des matières premières renouvelables ;
• valoriser les sous-produits ;
• concevoir des produits dégradables.

Définition — Économie d'atomes. Pour une réaction dont l'équation est ajustée : $EA = \frac{M(\text{produit recherché})}{\sum M(\text{réactifs})}$ où chaque masse molaire est multipliée par son nombre stœchiométrique. Elle mesure la part des atomes des réactifs qui se retrouvent dans le produit recherché. Une addition a une économie d'atomes de 100 % ; une substitution ou une élimination produisent des sous-produits.

Exemple — L'ibuprofène. Le premier procédé industriel (Boots, années 1960) comptait six étapes et avait une économie d'atomes d'environ 40 % : plus de la moitié de la matière devenait des déchets. Le procédé BHC (années 1990) n'en compte que trois, utilise des catalyseurs récupérables, et atteint 77 % ; son seul sous-produit, l'acide éthanoïque, est récupéré et vendu, ce qui porte l'utilisation des atomes à près de 100 %.

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Repère historique : de la « force vitale » aux synthèses vertes

• 1828 — Friedrich Wöhler synthétise l'urée, une molécule du vivant, à partir d'un composé minéral. Il ébranle l'idée qu'une « force vitale » serait nécessaire pour fabriquer les molécules organiques.
• 1856 — William Perkin, 18 ans, cherche à synthétiser la quinine contre le paludisme. Il obtient par hasard un colorant violet, la mauvéine : c'est la naissance de l'industrie chimique de synthèse.
• 1858-1865 — August Kekulé comprend que le carbone forme quatre liaisons et peut s'enchaîner en chaînes et en cycles ; il propose la structure cyclique du benzène.
• 1907 — Leo Baekeland invente la bakélite, premier plastique entièrement synthétique.
• 1920 — Hermann Staudinger affirme, contre l'avis général, que les polymères sont de très longues molécules. Il reçoit le prix Nobel en 1953.
• 1935 — Wallace Carothers, chez DuPont, met au point le nylon, un polyamide qui remplace la soie dans les bas puis les parachutes.
• 1963 — Robert Bruce Merrifield automatise la synthèse des peptides, acide aminé par acide aminé, grâce à la protection et à la déprotection sur un support solide (prix Nobel 1984).
• 1998 — Paul Anastas et John Warner publient les douze principes de la chimie verte.

Fabriquer une molécule, c'est bien ; savoir la fabriquer vite, avec un bon rendement et sans déchets, c'est tout l'art du chimiste d'aujourd'hui.

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Ce qu'il faut retenir

1. Formule topologique : zigzag, carbones aux sommets et extrémités, H des carbones non écrits, autres atomes écrits.
2. Nouvelles familles : ester ${-}COO{-}$, amine ${-}N<$, amide ${-}CO{-}N<$, halogénoalcane C–X. Les noms se construisent avec les règles fournies.
3. Isomères de constitution : même formule brute, enchaînements différents (chaîne, position, fonction).
4. Polymère : répétition d'un motif n fois ; naturels (cellulose, protéines…) ou synthétiques (PE, PVC, PET, nylon…).
5. Vitesse : température (reflux), concentration, catalyseur. Rendement d'une transformation non totale : excès d'un réactif, élimination d'un produit ($Q_r$ reste inférieur à K). Le catalyseur ne change pas le rendement.
6. Réactions : substitution, addition, élimination, acide-base, oxydo-réduction. Rendement global = produit des rendements.
7. Protection / déprotection : empêcher un groupe de réagir, au prix de deux étapes de plus.
8. Chimie verte : économie d'atomes, solvants, énergie, catalyse, valorisation des sous-produits.