Synthèse chimique
Une synthèse chimique est un ensemble de processus en chimie organique permettant d'obtenir une ou plusieurs molécules recherchées (parfois appelées produits d'intérêt) à partir d'autres molécules, souvent en s'inspirant de molécules de la nature. Les synthèses peuvent être réalisées naturellement (par exemple les processus biochimiques dans notre corps), ou artificiellement, dans un laboratoire ou à l'échelle industrielle.
Un des enjeux de la synthèse chimique est l'optimisation des processus : amélioration du rendement chimique (essayer de produire un maximum de molécules d'intérêt avec un minimum de réactifs), diminution de la consommation d'eau ou d'énergie (les protocoles de synthèse nécessitent souvent l'usage de chauffage pendant de longues durées et l'emploi de réfrigérants à eau), ou encore l'utilisation de molécules moins nocives à la fois à la santé et à l'environnement.
Types de synthèses chimiques[modifier | modifier le wikicode]
On distingue plusieurs types de synthèses chimiques en fonction de la nature des réactions qui interviennent au cours du processus de synthèse :
- La synthèse totale consiste à partir de molécules très simples et de petit à petit construire le produit d'intérêt grâce aux réactions chimiques successives.
- L'hémisynthèse consiste à partir de molécules naturelles ressemblant au produit d'intérêt. Par exemple, la synthèse de l'aspirine consiste à transformer de l'acide salicylique naturellement présent dans la reine des prés ou la saule, et le transformer en acide acétylsalicylique par le biais d'un petit nombre de réactions chimiques.
- La rétrosynthèse consiste à réaliser une synthèse en sens inverse d'une synthèse totale ou d'une hémisynthèse et ainsi reconstituer les réactifs.
Principales étapes d'une synthèse chimique[modifier | modifier le wikicode]
Chaque synthèse possède un voire plusieurs protocoles différents. Mais toutes comportent certaines étapes qui se ressemblent et sont indispensables à l'aboutissement au produit d'intérêt et surtout à son utilisation sans danger.
Prélèvement des réactifs[modifier | modifier le wikicode]
Cette étape consiste à extraire les molécules faisant office de réactifs dans les réactions de la synthèse chimique. On prépare aussi les solvants : espèce chimique introduite en très grande quantité et dans laquelle la réaction va se dérouler (comme l'eau, l'éthanol, l'éther, le cyclohexane etc.), et les catalyseurs : espèces qui ne seront pas consommées par la réaction mais qui vont permettre d'accélérer et de faciliter celle-ci (comme de l'acide sulfurique).
Réactions chimiques de la synthèse[modifier | modifier le wikicode]
Cette étape consiste à faire réagir les réactifs entre eux à l'aide de solvants et de catalyseurs. Certaines réactions se font spontanément, mais d'autres sont très lentes, malgré la présence d'un catalyseurs. On va alors réaliser un chauffage, agiter le milieu réactionnel (on parle de facteurs cinétiques), et parfois réaliser la réaction sous pression élevée, en étant protégé de l'eau ou encore dans une atmosphère totalement inerte en utilisant des gaz comme l'Argon.
On emploie souvent un système de chauffage à reflux : Le milieu réactionnel est chauffé (dans un ballon en verre par exemple) pour accélérer la rencontre des molécules de réactifs, et une colonne réfrigérante est placée au dessus du ballon pour liquéfier les vapeurs pouvant contenir les réactifs et ainsi ne pas perdre de matière (et donc obtenir un meilleur rendement chimique).
Isolement du produit[modifier | modifier le wikicode]
Une fois les réactions chimiques terminées, on cherche à isoler le produit du reste du milieu réactionnel (solvants, catalyseurs, réactifs en excès etc.) pour pouvoir le purifier et l'exploiter. Il existe plusieurs méthodes d'isolement qui tiennent compte des propriétés physico-chimiques du produit mais aussi des autres constituants du milieu réactionnel.
- La distillation consiste à séparer le produit à l'état liquide d'autres espèces chimiques elles aussi liquides. Pour ça, on s'assure que les différentes espèces aient une température d'ébullition différente et on installe un montage de distillation. On chauffe jusqu'à atteindre la température d'ébullition de la première espèce chimique. Les vapeurs de cette espèce passent dans le montage et se liquéfient de nouveau alors que l'autre espèce chimique n'a pas bougé de son emplacement initial.
- L'extraction liquide-liquide consiste à séparer les deux produits en les dissolvant dans deux solvants non-miscibles. On utilise pour cela une ampoule à décanter. On peut comparer ce mécanisme à la vinaigrette : l'huile et l'eau sont les deux solvants non miscibles. Si on veut séparer du vinaigre de l'huile, le vinaigre étant plus soluble dans l'eau que dans l'huile, l'ajout d'eau va faire migrer le vinaigre vers l'eau. On aura alors une phase aqueuse (eau et vinaigre) et une phase organique (l'huile).
- La recristallisation consiste à refroidir le mélange réactionnel dans lequel le produit d'intérêt est moins soluble à basse température qu'à haute température. La solution sera saturée et le produit d'intérêt va former des cristaux que l'on pourra alors facilement isoler par filtration (une filtration sous vide sur entonnoir Büchner est parfois utilisée car elle est plus efficace que l'utilisation d'un simple papier filtre dans un entonnoir).
Purification du produit[modifier | modifier le wikicode]
Cette étape consiste à enlever les dernières impuretés présentes avec le produit d'intérêt après son isolement. Ces impuretés peuvent être très dangereuses (par exemple des restes d'acide en cas de catalyse avec de l'acide sulfurique), et cette étape est donc primordiale, en particulier quand le produit d'intérêt doit être consommé, comme médicament ou encore comme arôme alimentaire. La purification peut exploiter des techniques d'isolement comme l'extraction liquide-liquide, ou un lavage puis une recristallisation.
L'analyse de la qualité du produit[modifier | modifier le wikicode]
Cette dernière étape permet de s'assurer que le produit synthétisé est le bon et ne comporte pas d'impuretés. En fonction de l'usage et de la nature du produit, des tests différents sont réalisés :
- La mesure des propriétés physico-chimiques du produit comme sa température de fusion si c'est un solide. On utilise pour ça un banc Kofler, qui possède une résistance de plus en plus chauffante, et qui est graduée en température.
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- La chromatographie qui est une technique de séparation des espèces chimiques d'un mélange. Par exemple dans le cas d'une chromatographie sur couche mince (CCM), on dépose une goutte du produit d'intérêt sur une plaque de gel de silice dont le fond baigne dans un solvant. Le solvant va petit à petit monter le long de la plaque emportant avec lui les différents constituants du mélange jusqu'à une hauteur qui dépend de chaque espèce chimique. À la fin de l'élution (montée du solvant le long de la plaque), si un seul dépôt est formé, le produit est pur. En revanche si plusieurs dépôts sont formés, il y a plusieurs espèces chimiques présentes dans le résultat de la synthèse, ce n'est donc pas un produit pur.
- La spectroscopie (RMN, infrarouge ou encore UV-visible) : on fait traverser un faisceau lumineux à différentes longueurs d'onde au travers de l'échantillon. Chaque liaison entre deux atomes vibre à une longueur d'onde particulière. Cela permet donc d'obtenir un spectre pouvant être étudié comme une sorte de carte d'identité des molécules présentes dans l'échantillon.
Précautions de sécurité[modifier | modifier le wikicode]
La synthèse chimique nécessite parfois l’utilisation de substances toxiques par inhalation, ingestion, ou simple contact avec la peau ou les yeux. Elle peut aussi entraîner des dégagements gazeux qui font monter rapidement la pression (risque d'explosion), ou encore des produits inflammables.
Les chimistes portent systématiquement une blouse et des lunettes de protection lors de réactions de synthèse organique, ainsi que parfois, des gants ; et manipulent sous une hotte aspirante qui permet de ne pas respirer les vapeurs des substances chimiques parfois très volatiles.
Il ne faut jamais jeter une substance chimique dans l'environnement (à l'évier par exemple), sans connaître les consignes sur son élimination, car parfois ces substances peuvent être très dangereuses pour l'environnement.
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