Stratégie de synthèse multi-étapes – Bac de physique-chimie

Pour synthétiser certaines molécules, il faut parfois procéder en plusieurs étapes : on synthétise des intermédiaires qu’on fait à nouveau réagir pour obtenir le produit final. Ce type de synthèse intervient dans le cas de molécules complexes, qui résulte d’un assemblage d’autres molécules. Dans cette fiche, tu verras comment procéder pour synthétiser un produit en plusieurs étapes.

 

Séquence réactionnelle de synthèse

Une séquence réactionnelle de synthèse est une succession de réactions chimiques qui permet d’obtenir le produit souhaité.

Pour passer d’une espèce chimique à une autre, il faut parfois procéder en plusieurs étapes. On peut modifier la chaîne carbonée, un groupe fonctionnel ou encore assembler deux molécules par polymérisation.

 

Exemple pour un ester :

On possède deux alcools, le propan-1-ol et le méthanol qu’on veut transformer en un ester, le propanoate de méthyle.

On sait que pour obtenir un ester, il va falloir faire une estérification à partir d’un acide carboxylique, donc on va transformer le propan-1-ol en acide carboxylique par oxydation. Pour cela, on regarde dans la banque de réactions et on voit qu’on peut utiliser le réactif de Jones (CrO3 dans H2SO4).

On obtient donc la séquence réactionnelle suivante :

 

Attention !! Pour écrire une séquence réactionnelle, il ne faut pas oublier d’indiquer les réactifs !

 

Les grands types de réaction

On peut classifier les réactions selon la nature des modifications qu’elles apportent aux réactifs.

  1. Réaction d’oxydoréduction : transformation chimique au cours de laquelle a lieu un transfert d’électrons entre un oxydant (capte les électrons) et un réducteur (cède les électrons).
  2. Réaction acide-base : transformation chimique au cours de laquelle a lieu un transfert de protons H+ entre un acide et une base.
  3. Réaction d’addition : transformation chimique au cours de laquelle deux molécules se combinent pour en former une plus grande. L’estérification dans l’exemple ci-dessus est une réaction d’addition.
  4. Réaction d’élimination : transformation chimique au cours de laquelle un groupe caractéristique d’une molécule est éliminé.
  5. Réaction de substitution : transformation chimique au cours de laquelle un atome ou groupe d’atomes d’un molécule est remplacé par un autre atome ou groupe d’atomes.

 

Réactions de synthèse sélectives

Généralement, les molécules organiques utilisées en chimie sont polyfonctionnelles, c’est-à-dire qu’elles possèdent plusieurs groupes caractéristiques. Il est alors intéressant de trouver un moyen pour « sélectionner » le groupe caractéristique de la molécule qui doit être transformé. Pour cela, il existe deux solutions :

  1. Utiliser un réactif chimiosélectif
  2. Protéger les groupes caractéristiques qui ne doivent pas réagir

 

Un réactif chimiosélectif est un réactif qui transforme un ou plusieurs groupes caractéristiques d’une molécule polyfonctionnelle sans modifier les autres.

Lors d’une réaction sélective, une espèce polyfonctionnelle réagit avec un réactif chimiosélectif.

Exemple

Le réducteur NaBH4 réduit les cétones sans s’attaquer aux fonctions ester. C’est donc un réactif chimiosélectif.

 

Protection/déprotection

La deuxième solution pour transformer un groupe caractéristique spécifique est de protéger les groupes qui ne doivent pas réagir. Pour cela, on va développer une stratégie en trois étapes.

On constate que cette réaction n’est pas chimiosélective : SOCl2 a attaqué la fonction alcool et la fonction acide carboxylique. On va donc devoir protéger l’acide carboxylique pour éviter qu’il ne réagisse.

  1. Protection du groupe A


On fait réagir un réactif chimiosélectif sur le groupe A pour le protéger. Le groupe A-P est appelé groupe protégé. Il peut contenir un ou plusieurs groupes caractéristiques.

  1. Transformation du groupe B

On reprend la transformation précédente, en faisant réagir SOCl2 sur la fonction alcool. On constate que le groupe A-P n’a pas été transformé.

 

  1. Déprotection du groupe A-P

On procède ensuite à la déprotection du groupe A-P. On utilise un réactif chimiosélectif qui ne va pas réagir avec le groupe C. A la fin de la séquence, on retrouve bien le groupe A et le groupe B a été modifié.

 

Attention !! Pour que la protection soit efficace, il faut que :

  • Chacune des étapes soit réalisée avec un bon rendement
  • Chacune des étapes doit être sélective

Cependant, le rendement est généralement moins bon que lorsqu’on utilise des réactifs chimiosélectifs, et on utilise beaucoup d’atomes, ce qui est contraire aux principes de la chimie durable.

Synthèses écoresponsables

La chimie durable ou chimie verte prévoit en effet la mise en place de principes respectueux de l’environnement, avec pour objectif la réduction et l’élimination des substances néfastes pour l’environnement. La production d’espèces chimiques doit se faire en respectant un équilibre social, économique et environnemental.  La chimie verte repose sur 12 principes fondamentaux, dont les suivants :

 

L’économie d’atome : moins on utilise d’atomes, plus on réduit la pollution d’une synthèse

Pour maximiser l’économie d’atomes, on cherche à réduire le nombre de sous-produits indésirables (produits formés en plus du produit recherché). On préfère par exemple utiliser des réactions d’addition aux réactions d’élimination ou de substitution.

 

Choix du bon solvant : choisir le solvant le moins nocif possible et en réduire les quantités permet de diminuer l’impact du solvant sur l’environnement

 

Chimie douce : la chimie douce propose des voies de synthèse les plus naturelles possible, avec l’utilisation de conditions les plus naturelles possible de température et de pression

On peut par exemple utiliser un catalyseur pour accélérer une réaction et donc diminuer le temps de chauffage.

 

Utiliser les ressources naturelles : les biomolécules, issues de la végétation, sont à privilégier par rapport aux molécules d’hydrocarbures issues de la filière pétrolifère

 

Valoriser le dioxyde de carbone : capter, stocker et recycler l’un des principaux gaz à effet de serre émis par l’Homme

On peut utiliser le CO2 comme solvant, fluide réfrigérant, additif pour les boissons gazeuses…

 

Économiser les matières premières en les recyclant 

 

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