Élaborer des stratégies en synthèse organique

Élaborer des stratégies en synthèse organique

Comment fabrique-t-on un médicament ? Un parfum ? Un polymère ? Réponse : par synthèse organique, un enchaînement réfléchi de transformations chimiques. Mais attention : la simple écriture d'un bilan est rarement la fin de l'histoire. Il faut optimiser chaque étape (rendement, sélectivité, coût, sécurité, environnement), choisir un chemin parmi plusieurs possibles, parfois protéger certains groupes pour préserver la sélectivité. C'est ce que les chimistes appellent une stratégie de synthèse.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

identifier les familles fonctionnelles (alcool, acide carboxylique, aldéhyde, cétone, ester, amine, amide, halogénoalcane) ;

distinguer une modification de groupe caractéristique d'une modification de chaîne carbonée ;

reconnaître les cinq grands types de réactions en chimie organique ;

proposer des stratégies pour optimiser une synthèse (vitesse, rendement) ;

justifier l'emploi d'une étape de protection / déprotection ;

citer les principes de la chimie verte et calculer une utilisation atomique.

Pourquoi optimiser ? Le cas de l'ibuprofène

L'ibuprofène est l'antalgique le plus consommé au monde (≈ 13 000 tonnes / an). Deux synthèses industrielles ont coexisté :

Procédé Boots (1960) 6 étapes stœchiométriques.

Utilisation atomique ≈ 40 %.

Pour 13 000 t d'ibuprofène → plus de 20 000 t de déchets à retraiter.

Procédé BHC (1990) 3 étapes catalysées.

Utilisation atomique ≈ 77 % (et > 99 % en valorisant l'acide acétique sous-produit).

Bilan environnemental drastiquement amélioré.

Mêmes réactifs de départ, même produit final, mais une démarche radicalement différente. C'est tout l'enjeu d'une stratégie de synthèse.

Question directrice Comment choisir et optimiser les étapes d'une synthèse organique ? Quels outils théoriques (familles fonctionnelles, types de réactions, économie d'atomes) permettent de raisonner sur le chemin réactionnel ?

Formule topologique

Dessiner toutes les liaisons C–H d'une molécule complexe est fastidieux. Les chimistes utilisent une représentation simplifiée et universelle.

Formule topologique La formule topologique représente la structure du squelette carboné en ligne brisée (« zigzag »), sans dessiner les atomes de C ni les H qui y sont liés.

Chaque sommet ou extrémité de la ligne représente un atome de carbone.

Les autres atomes (O, N, X, …) et les H qui ne sont pas liés à C sont représentés explicitement.

Le nombre d'H sur chaque C se déduit de la règle « C entouré de 4 doublets liants ».

Exemple : l'acide lactique (C₃H₆O₃) Formule semi-développée : H₃C–CH(OH)–C(=O)–OH. Voici la transposition en formule topologique :

Semi-développée H3C–CH(OH)–C(=O)–OH Topologique 0 0 90 80 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 10 50 30 38 30 38 50 50 30 38 30 58 50 50 50 26 53.5 48 53.5 28 50 50 66 58 30 72 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH 50 20 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 72 62 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH chaîne « zigzag » à 3 sommets (3 carbones) ;

OH explicité en bas du C central (carbone α) ;

C=O et OH explicités à droite (groupe –COOH).

Familles fonctionnelles

Famille fonctionnelle Ensemble des molécules possédant le même groupe caractéristique (groupe d'atomes qui confère ses propriétés chimiques à la molécule). Les molécules d'une même famille ont des propriétés chimiques semblables. Une molécule possédant plusieurs groupes est dite polyfonctionnelle.

Les 8 familles à connaître en Tle Famille Groupe Suffixe / préfixe Exemple Alcool (1ʳᵉ) R–OH -ol éthanol CH₃–CH₂–OH Acide carboxylique (1ʳᵉ) R–COOH acide …oïque acide éthanoïque CH₃–COOH Aldéhyde (1ʳᵉ) R–CHO -al éthanal CH₃–CHO Cétone (1ʳᵉ) R–CO–R' -one propanone CH₃–CO–CH₃ Ester (Tle) R–COO–R' -oate de …yle éthanoate de méthyle CH₃–COO–CH₃ Amine (Tle) R–NH₂ -amine méthanamine CH₃–NH₂ Amide (Tle) R–CO–NHR' -amide éthanamide CH₃–CO–NH₂ Halogénoalcane (Tle) R–X (X = F, Cl, Br, I) chloro-, bromo-, iodo- chloroéthane CH₃–CH₂–Cl

Notation : R, R' désignent des chaînes carbonées quelconques. Si l'atome N d'une amine/amide porte aussi des chaînes alkyles, on les indique par N-alkyl (ex : N-méthylbutanamide).

Topologies caractéristiques, 8 familles fonctionnelles 0 0 80 50 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 38 24 22 24 22 40 38 40 38 56 26 66 30 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH Alcool propan-1-ol -ol 0 0 80 60 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 42 24 30 24 30 40 42 40 42 40 22 43.5 40 43.5 24 40 42 54 50 40 17 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 60 54 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH Acide carboxylique acide propanoïque acide …oïque 0 0 60 60 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 42 24 30 24 30 40 42 40 42 40 22 43.5 40 43.5 24 40 17 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor Aldéhyde propanal -al 0 0 70 60 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 42 22 30 22 30 36 42 36 42 50 30 22 30 22 12 25.5 28 25.5 14 22 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor Cétone butan-2-one -one Nouveau 0 0 90 60 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 44 22 32 22 32 38 44 38 44 38 24 41.5 42 41.5 26 38 44 51 34 57 34 70 44 54 38 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 38 19 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor Ester propanoate de méthyle -oate de …yle Nouveau 0 0 80 50 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 38 24 22 24 22 40 38 40 38 54 28 64 32 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor NH₂ Amine propan-1-amine -amine Nouveau 0 0 85 60 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 42 24 30 24 30 40 42 40 42 40 22 43.5 40 43.5 24 40 42 54 50 40 17 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 64 54 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor NH₂ Amide propanamide -amide Nouveau 0 0 75 50 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 38 24 22 24 22 40 38 40 38 54 28 62 32 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor Br Halogénoalcane 1-bromopropane chloro-, bromo-…

Les 4 familles introduites en Tle sont signalées par le badge « Nouveau ». Le groupe caractéristique se repère au premier coup d'œil : c'est lui qui dicte les propriétés et le nom.

Reconnaître les fonctions par leur nom 3-méthylbutanoate de 2-méthylpropyle : ester (suffixe -oate de …yle).

3-méthylpentan-2-amine : amine (suffixe -amine, position du N à C2).

3-chloro-5-éthyl-4-méthylheptane : halogénoalcane (préfixe chloro-).

N-méthylbutanamide : amide N-substituée.

Squelette carboné et isomérie de constitution

Squelette carboné Enchaînement des atomes de C d'une molécule organique. Il est qualifié de :

saturé : que des liaisons simples C–C, pas de cycle ;

insaturé : présence d'au moins une liaison multiple (C=C, C≡C) ou d'un cycle.

Exemples : propan-1-ol → saturé. Pent-4-én-1-ol → insaturé (C=C). Cyclohexanol → insaturé (cycle).

Isomères de constitution Deux espèces sont isomères de constitution si elles ont la même formule brute mais des formules développées différentes. On distingue trois sous-types.

Squelettes saturés et insaturés 0 0 100 50 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 10 36 24 28 13 40 22 35 24 28 38 36 38 36 52 28 52 28 66 36 66 36 78 30 88 34 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH pent-4-én-1-ol insaturé (C=C) 0 0 80 50 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.4 round none 36 24 24 24 24 40 36 40 36 54 28 64 32 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH propan-1-ol saturé 0 0 70 80 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.4 round round none 35,22 52,32 52,52 35,62 18,52 18,32 35 22 35 12 35 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH cyclohexanol insaturé (cycle) Trois types d'isomérie de constitution Type Différence Exemple, formule brute de chaîne squelette carboné différent C₅H₁₂ : n-pentane / isopentane / néopentane de position position du groupe différente C₄H₁₀O : butan-1-ol / butan-2-ol de fonction famille fonctionnelle différente

C₃H₆O₂ : acide propanoïque / éthanoate de méthyle

Trois isomères de chaîne, formule brute C₅H₁₂ 0 0 90 40 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 10 28 26 14 26 14 42 28 42 28 58 14 58 14 74 28 n-pentane 5 C, chaîne linéaire 0 0 80 50 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 10 34 26 20 26 20 42 34 42 34 58 20 26 20 26 isopentane 5 C, 2-méthylbutane 0 0 80 60 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 40 30 40 10 40 30 22 40 40 30 58 40 40 30 40 50 néopentane 5 C, 2,2-diméthylpropane

Même formule brute (C₅H₁₂), mais des squelettes carbonés très différents → propriétés physiques différentes (Téb = 36 °C, 28 °C, 9 °C respectivement).

Conséquence chimique Deux isomères de constitution ont presque toujours des propriétés physiques (Téb, solubilité), chimiques et biologiques différentes. C'est crucial en pharmacologie : un médicament et son isomère peuvent avoir des effets opposés !

Polymères : motif et monomère

De très nombreuses molécules d'intérêt biologique (protéines, ADN, cellulose) ou industriel (plastiques, caoutchouc, textiles) sont des macromolécules : elles sont formées par la répétition d'une unité de base.

Macromolécule, polymère, monomère Une macromolécule est une molécule de grande masse molaire (typiquement ≈ 10⁵ g·mol⁻¹) formée par répétition d'un motif constitutif.

Un polymère est l'ensemble des macromolécules qui se sont formées (de longueurs variables, donc en pratique non identiques).

Un monomère est la petite molécule qui s'enchaîne pour former le polymère. La réaction qui les enchaîne est la polymérisation.

On note un polymère ( motif )_n, où n est le degré de polymérisation.

Trois exemples emblématiques Polymère Monomère Motif polyéthylène (PE) éthène CH₂=CH₂ –CH₂–CH₂– cis-polyisoprène (caoutchouc) isoprène CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂ –CH₂–C(CH₃)=CH–CH₂– polyamide (Nylon) H₂N–(CH₂)5–COOH –NH–(CH₂)5–CO–

Polymères naturels, artificiels, synthétiques

Naturels Issus du vivant.

Protéines (kératine, collagène), copolymères d'acides α-aminés.

ADN, copolymère de nucléotides.

Polysaccharides (amidon, cellulose), polymères de sucres.

Artificiels Modification chimique d'un polymère naturel.

caoutchouc vulcanisé (réticulation par S) ; nitrocellulose ; acétate de cellulose.

Synthétiques Issus de petites molécules de la pétrochimie.

PE (sacs, emballages) ; PVC (tuyauterie, sols) ; PET (bouteilles, fibres textiles) ; nylon, polyuréthanes, polystyrène.

Deux mécanismes de polymérisation Polyaddition : les monomères insaturés (au moins une double liaison) se lient sans perte d'atomes. Bilan économie d'atomes = 100 %.

Exemple : n CH_2=CH_2 → (CH_2-CH_2)_n.

Polycondensation : les monomères polyfonctionnels (acide + alcool, ou diamine + diacide) réagissent en libérant à chaque étape une petite molécule (H₂O, HCl…). Économie d'atomes < 100 %.

Exemple : PET (polyester) ← acide téréphtalique + éthane-1,2-diol → libération de H₂O.

Enjeu environnemental Les plastiques sont la première cause de pollution de l'environnement. Législation : interdiction européenne des pailles plastiques (2021), des sacs à usage unique. Alternative : bioplastiques (PLA, amidon) issus de la biomasse, biodégradables, mais plus chers à produire.

Optimiser une étape : la vitesse

Une synthèse industrielle doit être rapide (chaque jour de production a un coût) sans dégrader le rendement. Trois leviers :

Trois leviers pour augmenter la vitesse Chauffer le milieu réactionnel (montage de chauffage à reflux).

Utiliser un catalyseur (souvent préférable au chauffage : régénéré, donc faible coût en continu).

Augmenter la concentration des réactifs en solution.

Catalyseur > chauffage (souvent) Pour une chimie verte, on privilégie le catalyseur :

il n'est pas consommé → coût marginal faible ; il évite l'énergie de chauffage ;

il peut apporter une sélectivité que la chaleur ne donne pas (ex : chimiosélectivité, énantiosélectivité).

Plusieurs prix Nobel ont récompensé des avancées en catalyse : Knowles/Noyori/Sharpless 2001 (catalyse asymétrique), Chauvin/Grubbs/Schrock 2005 (métathèse), Heck/Negishi/Suzuki 2010 (couplages C–C).

Catalyseur ≠ rendement Un catalyseur (ou un facteur cinétique) n'influence pas la valeur finale du rendement. Il fait simplement atteindre l'équilibre plus vite. Pour augmenter le rendement, voir slide suivante.

Optimiser une étape : le rendement

Rendement d'une synthèse = (n_f)/(n_ ) avec nf la quantité réelle de produit obtenu et nmax la quantité maximale théorique (calculée à partir du tableau d'avancement, en supposant la transformation totale).

η est sans dimension, 0 ≤ η ≤ 1, exprimé en %.

Le rendement total d'une synthèse multi-étapes _total = _1 × _2 × · s × _n

Une seule étape à mauvais rendement plombe la synthèse entière. Exemple : 5 étapes à 80 % chacune → ηtotal= 0,80⁵ ≈ 33 %. D'où l'intérêt de réduire le nombre d'étapes (cas BHC vs Boots pour l'ibuprofène).

Améliorer le rendement d'une réaction limitée

Pour une réaction limitée (transformation non totale, τ < 1), on déplace l'équilibre dans le sens direct en agissant sur Qr par rapport à K (Le Chatelier) :

introduire l'un des réactifs en excès → Qr,i diminue → évolution sens direct ;

éliminer un produit au fur et à mesure de sa formation (par distillation ou avec un appareil de Dean-Stark) → Qr reste < K en permanence.

Exemple : l'estérification L'estérification est une réaction limitée :

HCOOH + C_2H_5OH HCOOC_2H_5 + H_2O Quotient :

Q_r = (n(ester) × n(H_2O))/(n(acide) × n(alcool))

Deux astuces : (i) distiller l'ester (Téb plus basse) au fur et à mesure ; (ii) piéger l'eau dans un Dean-Stark grâce à un solvant azéotropique (toluène). Les deux maintiennent Qr < K → η peut atteindre ≈ 100 %.

0 0 320 500 http://www.w3.org/2000/svg 0 0 10 10 auto-start-reverse M 0 0 L 10 5 L 0 10 z #1e3a8a ui-sans-serif, system-ui 11 #0f172a 125 40 #f8fafc #0f172a 1.3 148 40 148 200 #cbd5e1 0.8 172 40 172 200 #cbd5e1 0.8 125 60 62 60 #1e3a8a 1.5 url(#ds-arr) 56 58 11 end #1e3a8a 600 eau 56 69 italic end #1e40af sortie 62 180 125 180 #1e3a8a 1.5 url(#ds-arr) 56 178 11 end #1e3a8a 600 eau 56 189 italic end #1e40af entrée 205 115 11 #475569 600 réfrigérant 205 129 10 italic #475569 à eau 148 200 148 225 #0f172a 1.3 172 200 172 225 #0f172a 1.3 143 206 #cbd5e1 #0f172a 0.7 105 225 #f8fafc #0f172a 1.3 106.5 240 #fef9c3 106.5 295 #bfdbfe 106.5 295 213.5 295 #0f172a 0.7 3 2 106.5 252 115 252 #0f172a 0.7 106.5 270 115 270 #0f172a 0.7 106.5 288 115 288 #0f172a 0.7 106.5 306 115 306 #0f172a 0.7 106.5 324 115 324 #0f172a 0.7 106.5 342 115 342 #0f172a 0.7 78 265 103 265 #a16207 0.8 2 2 74 263 11 end #a16207 600 toluène 74 275 italic end #a16207 moins dense 78 320 103 320 #1e40af 0.8 2 2 74 318 11 end #1e40af 600 eau 74 330 italic end #1e40af plus dense 223 285 12 #475569 700 Dean- 223 300 12 #475569 700 Stark 148 355 148 378 #0f172a 1.3 172 355 172 378 #0f172a 1.3 143 362 #cbd5e1 #0f172a 0.7 143 378 #f8fafc #0f172a 1.3 160 430 55 38 #dbeafe #0f172a 1.3 143 392 177 392 #0f172a 0.7 160 427 10 italic middle #1e40af milieu 160 440 10 italic middle #1e40af réactionnel 160 475 62 #475569 98 475 #475569 115 488 #0f172a

Appareil de Dean-Stark. La vapeur (eau + toluène) monte du ballon, condense dans le réfrigérant à eau et redescend dans le piège gradué. L'eau, plus dense, se rassemble au fond ; le toluène (plus léger) flotte au-dessus et, lorsqu'il atteint le bord supérieur, reflue vers le ballon. L'eau formée est ainsi piégée au fur et à mesure : Qr reste petit, η ≈ 100 %.

Modifier un groupe ou une chaîne ?

Pour passer d'un réactif à une molécule cible, deux grandes catégories de modifications :

Modification de groupe caractéristique Aucune liaison C–C n'est créée ni rompue. Seul un groupe fonctionnel change de nature.

Exemples :

alcool → cétone (oxydation) ; acide → ester (estérification) ; halogénoalcane → alcool (substitution).

Modification de chaîne carbonée Une liaison C–C est créée ou rompue → la longueur ou la topologie du squelette change.

Exemples :

craquage catalytique : alcane long → alcane court + alcène ;

polyaddition : plusieurs alcènes → polymère ; alkylation : addition d'une chaîne alkyle.

Séquence réactionnelle Suite organisée de transformations chimiques permettant d'obtenir la molécule cible à partir de réactifs initiaux. La séquence s'élabore en utilisant une banque de réactions et en retraçant la cible à rebours (rétrosynthèse).

Cinq grands types de réactions

1) Substitution Un atome (ou groupe) est remplacé par un autre :

R--X + Y → R--Y + X Ex : hydrolyse du chlorure de tertiobutyle : (CH₃)₃C–Cl + HO⁻ → (CH₃)₃C–OH + Cl⁻.

2) Addition Atomes/groupes ajoutés sur une liaison multiple (=, ≡) :

C=C + X--Y → C(X)--C(Y) Ex : hydrogénation catalytique CH₂=CH₂ + H₂ [Pd] CH₃–CH₃.

3) Élimination Inverse de l'addition : retrait d'atomes pour créer une liaison multiple :

C(X)--C(Y) → C=C + X--Y Ex : déshydratation du 2-méthylpropan-2-ol → 2-méthylpropène + H₂O.

4) Oxydoréduction Échange d'électrons entre deux couples redox.

Ex : alcool benzylique → acide benzoïque, par MnO₄⁻ en milieu acide. Couples C₇H₆O₂/C₇H₈O₂ et MnO₄⁻/Mn²⁺.

5) Acide-base Échange de proton H⁺ entre deux couples acide-base.

Ex : acide benzoïque + ion carbonate → ion benzoate + ion hydrogénocarbonate. Couples C₇H₆O₂/C₇H₅O₂⁻ et HCO₃⁻/CO₃²⁻.

Comment reconnaître le type ?

Compter les atomes : si conservés, ce n'est pas une oxydoréduction ni une acide-base.

Présence d'une liaison multiple changée → addition (multiple → simple) ou élimination (simple → multiple).

Si un groupe X est remplacé par Y sans changement de chaîne → substitution.

Mouvement de H⁺ → acide-base. Mouvement d'e⁻ → oxydoréduction.

Protection / déprotection

Quand une molécule possède plusieurs groupes susceptibles de réagir avec un même réactif, on risque une réaction non sélective. Solution : transformer temporairement l'un des groupes en un groupe protecteur inerte, faire la transformation visée, puis régénérer le groupe initial.

Cahier des charges d'un groupe protecteur réagir sélectivement avec la fonction à protéger ;

être stable dans les conditions des étapes suivantes ;

pouvoir être enlevé (clivé) facilement à la fin ;

les étapes de protection et de déprotection doivent avoir un très bon rendement.

Exemple : synthèse de l'acide lactique Cible : acide lactique B (acide 2-hydroxypropanoïque) à partir du 2-hydroxypropanal A.

Naïvement : on oxyde A par MnO₄⁻ pour transformer –CHO en –COOH. Problème : MnO₄⁻ oxyde aussi l'alcool –OH en cétone, donc on obtient C (acide 2-oxopropanoïque), pas B.

Stratégie protection / déprotection, A → D → E → B 0 0 90 70 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.4 round none 10 42 28 30 28 30 46 42 28 30 28 52 46 42 46 22 49.5 40 49.5 24 28 64 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH 46 17 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 2-hydroxypropanal aldéhyde + alcool D, protection 0 0 100 80 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 14 50 32 38 32 38 50 50 32 38 32 58 50 50 50 28 53.5 48 53.5 30 50 50 64 60 32 72 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OBn 50 22 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 69 64 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor éther benzylique –OH protégé E, oxydation 0 0 100 80 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 14 50 32 38 32 38 50 50 32 38 32 58 50 50 50 28 53.5 48 53.5 30 50 50 64 60 32 72 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OBn 50 22 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 69 64 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH acide protégé –CHO → –COOH B, déprotection 0 0 100 80 http://www.w3.org/2000/svg currentColor 1.6 round none 14 50 32 38 32 38 50 50 32 38 32 60 50 50 50 28 53.5 48 53.5 30 50 50 64 60 32 72 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH 50 22 middle 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor 69 64 11 ui-sans-serif, system-ui currentColor OH acide lactique cible atteinte ✓ A → D : NaH puis Ph–CH₂–Cl D → E : MnO₄⁻ / H⁺ E → B : H₂ / [Ni]

Notation : OBn = groupe benzyloxy (–O–CH2–C6H5), abréviation usuelle pour un éther benzylique.

Lecture du schéma Protection : le –OH de A est transformé en éther benzylique (Ph–CH₂–O–) qui ne réagit pas avec MnO₄⁻.

Modification : oxydation de –CHO en –COOH ; l'éther benzylique reste intact.

Déprotection : hydrogénolyse H₂/[Ni] régénère le –OH → on obtient la cible B.

Cas particulier : réactions chimiosélectives Certaines réactions sont chimiosélectives : elles ne touchent qu'un seul des groupes présents, sans nécessiter de protection. Exemple : la synthèse du paracétamol à partir du para-aminophénol, l'anhydride éthanoïque n'attaque que la fonction amine, pas le phénol. Pas besoin de protéger le –OH.

Chimie verte : 12 principes

Énoncés en 1998 par Paul Anastas et John Warner, les 12 principes de la chimie verte orientent la conception de synthèses moins polluantes, plus sûres, plus économes.

Les 12 principes de la chimie verte Prévention de la pollution à la source.

Économie d'atomes (maximiser l'UA).

Méthodes de synthèse moins dangereuses.

Conception de produits plus sûrs.

Solvants et auxiliaires moins polluants.

Amélioration du rendement énergétique.

Utilisation de ressources renouvelables.

Réduction du nombre de dérivés (étapes).

Catalyse (vs réactions stœchiométriques).

Conception de produits dégradables en fin de vie.

Analyse en temps réel pour prévenir la pollution.

Chimie plus fiable pour éviter les accidents.

Trois leviers d'une synthèse écoresponsable Matières premières : limiter les quantités, préférer des espèces peu dangereuses et renouvelables, limiter les sous-produits.

Solvants : non toxiques, non polluants, en faible quantité, voire sans solvant.

Énergie : limiter la consommation, en privilégiant des conditions douces (catalyseur, faible température).

Économie d'atomes : utilisation atomique

Le rendement classique mesure combien de la quantité maximale de produit on récupère. Mais il ignore les sous-produits, gaspillés et souvent polluants. La chimie verte propose un autre indicateur : l'utilisation atomique (UA) de Barry Trost (1991).

Utilisation atomique UA = (M(produit désiré))/( _i M(produit_i))

UA = fraction de la masse totale des produits qui se retrouve dans la molécule cible. Plus UA est proche de 100 %, plus la synthèse est atome-efficace.

Le cas emblématique de l'ibuprofène Procédé Étapes UA Catalyse ?

Boots (1960) ≈ 40 % non (stœchiométrique) BHC (1990) ≈ 77 % (≈ 99 % avec valorisation) oui (3 catalyses)

Le procédé BHC remplit plusieurs principes de la chimie verte : réduction des étapes (6 → 3), catalyse, économie d'atomes (l'acide acétique est valorisé comme co-produit, pas jeté). Pour 13 000 t·an⁻¹ d'ibuprofène, c'est ≈ 20 000 t de déchets évités.

Catalyse enzymatique : encore plus économe La synthèse industrielle de l'aspartame (édulcorant) est passée de 7 étapes (avec protection/déprotection) à 2 étapes en conditions douces grâce à la catalyse enzymatique. Tendance forte de la chimie moderne : remplacer les réactifs stœchiométriques par des enzymes ou catalyseurs spécifiques.

Gestes au laboratoire

Les 4 étapes d'une synthèse Transformation : montage adapté (reflux, ampoule de coulée, Dean-Stark).

Isolement : extraction liquide-liquide (ampoule à décanter), filtration sous vide (Büchner), évaporation rotative.

Purification : recristallisation (solides), distillation fractionnée (liquides), chromatographie sur colonne.

Caractérisation : Tfus (banc Köfler), Téb, indice de réfraction, spectres IR / RMN, CCM.

Sécurité au laboratoire EPI : blouse, lunettes, gants systématiques.

Lire les pictogrammes SGH sur les flacons (inflammable, corrosif, toxique, etc.).

Travailler sous hotte aspirante pour les solvants volatils ou toxiques.

Ne jamais verser de produits chimiques dans l'évier, bidons de récupération.

Vérifier le serrage des fixations (montages avec chauffage).

Choisir le montage Reflux : chauffer sans perte de solvant volatil (le condenseur ramène les vapeurs).

Ampoule de coulée sur ballon bicol : ajout lent d'un réactif au cours du chauffage.

Distillation fractionnée (Vigreux + réfrigérant) : séparer un mélange liquide selon Téb.

Dean-Stark : éliminer l'eau formée pour déplacer un équilibre.

Erreurs fréquentes Confondre rendement (η) et UA (économie d'atomes).

Confondre chaîne carbonée et groupe caractéristique (regarde si une liaison C–C est rompue/créée).

Penser qu'un catalyseur change le rendement final (il accélère, c'est tout).

Oublier que pour un polymère, le motif doit être mis entre parenthèses avec un indice n.

Ce qu'il faut retenir

La formule topologique représente le squelette carboné en zigzag, sans dessiner les C ni les H. Les huit familles fonctionnelles à connaître : alcool, acide carboxylique, aldéhyde, cétone, ester, amine, amide, halogénoalcane.

Polymère : enchaînement répété d'un motif issu de monomères. Polyaddition (insaturés) ou polycondensation (libération d'une petite molécule). Polymères naturels (protéines, ADN), artificiels, synthétiques (PE, PVC, PET, nylon).

Pour optimiser une étape : augmenter la vitesse (chauffage, catalyseur, concentration) sans changer η ; augmenter le rendement par réactif en excès ou élimination d'un produit (Dean-Stark, distillation continue).

Cinq types de réactions en chimie organique : substitution, addition, élimination, oxydoréduction, acide-base. Modification de groupe (sans rupture C–C) vs modification de chaîne (avec rupture/création C–C).

Un groupe protecteur permet de bloquer temporairement un groupe réactif pour préserver la sélectivité d'une étape, puis on le clive en déprotection. Chimie verte : 12 principes, économie d'atomes UA = M(produit) / Σ M(produits), viser ≈ 100 %. Ibuprofène : Boots 40 % → BHC 77–99 %.