Stratégies en synthèse organique

1Représenter une molécule organique

Définition. Dans une formule topologique, la chaîne carbonée est une ligne brisée : chaque extrémité et chaque sommet est un atome de carbone, et les atomes d’hydrogène liés aux carbones ne sont pas écrits (le carbone est tétravalent). Les hétéroatomes ($\ce{O}$, $\ce{N}$, halogènes) et leurs $\ce{H}$ sont écrits. La formule semi-développée écrit toutes les liaisons sauf celles des $\ce{C-H}$.

Définition. Le squelette carboné est saturé (liaisons simples seulement), insaturé (double ou triple liaison) ou cyclique. Deux molécules de même formule brute mais d’enchaînements différents sont des isomères de constitution : leurs propriétés diffèrent.

2Familles et nomenclature

Définition. Un groupe caractéristique est un groupe d’atomes qui donne à la molécule ses propriétés : il définit sa famille.

Méthode — nommer une molécule. repérer le groupe caractéristique, puis la chaîne carbonée la plus longue qui le porte : méth- (1 C), éth- (2), prop- (3), but- (4), pent- (5), hex- (6). Numéroter la chaîne pour donner l’indice le plus petit au groupe, puis ajouter le suffixe avec son indice ; ramifications et halogènes en préfixe avec leur indice (méthyl-, chloro-…). Les carbones $\ce{-CHO}$ et $\ce{-COOH}$ portent l’indice $1$.

Définition. Un polymère est une macromolécule formée par la répétition d’un motif issu d’un monomère. Son degré de polymérisation vaut $n=\dfrac{M_{\text{polymère}}}{M_{\text{motif}}}$. Exemples naturels : cellulose, amidon, protéines ; synthétiques : polyéthylène, PVC, nylon, polyesters.

3Catégories de réactions

Propriété. Toute réaction de synthèse organique se range dans l’une des catégories suivantes :

• substitution : un atome ou un groupe d’atomes est remplacé par un autre ($\ce{CH3-CH2-Br + HO^- -> CH3-CH2-OH + Br^-}$) ;
• addition : deux molécules s’unissent, une insaturation disparaît ($\ce{CH2=CH2 + H2O -> CH3-CH2-OH}$) ;
• élimination : une petite molécule est libérée, une insaturation apparaît ($\ce{CH3-CHOH-CH3 -> CH3-CH=CH2 + H2O}$) ;
• acide-base (transfert d’un ion $\ce{H+}$) et oxydoréduction (alcool primaire $\rightarrow$ aldéhyde $\rightarrow$ acide carboxylique).

Notation. Une étape de synthèse réalise soit une modification de groupe caractéristique (la chaîne est conservée), soit une modification de chaîne carbonée (allongement, raccourcissement, cyclisation).

4Optimiser une synthèse

Définition. Le rendement d’une synthèse est $\eta=\dfrac{n_{\text{obtenue}}}{n_{\max}}=\dfrac{m_{\text{exp}}}{m_{\text{théo}}}\leq 1$, où $n_{\max}$ est la quantité de produit attendue d’après le réactif limitant (tableau d’avancement).

Méthode — agir sur la vitesse. augmenter la température, augmenter les concentrations des réactifs, utiliser un catalyseur (il accélère sans apparaître dans le bilan et est régénéré).

Méthode — agir sur le rendement. introduire l’un des réactifs en excès, ou éliminer un produit au fur et à mesure pour déplacer un équilibre (distillation de l’ester formé, élimination de l’eau par un montage de Dean-Stark) ; purifier ensuite soigneusement pour ne pas perdre de produit.

Définition. Une synthèse écoresponsable limite son impact : forte économie d’atomes $\text{EA}=\dfrac{M_{\text{produit}}}{\sum \nu_i M_i}$ (réactifs au dénominateur), solvants moins nocifs, moins d’énergie, matières renouvelables, moins de déchets.

5Séquence réactionnelle, protection

Méthode — élaborer une séquence. comparer la molécule cible et celle de départ (chaîne, groupes), puis choisir dans la banque de réactions fournie les étapes qui transforment l’une en l’autre. Le rendement global est le produit des rendements : $\eta_{\text{global}}=\eta_1\times\eta_2\times\cdots$

Définition. Protéger un groupe caractéristique, c’est le transformer temporairement en un groupe inerte pour qu’il ne réagisse pas pendant l’étape suivante ; on le régénère ensuite par déprotection. Coût : deux étapes de plus, donc un rendement global plus faible.

6Techniques du laboratoire

Propriété. Chauffage à reflux : chauffer longtemps sans perte de matière (les vapeurs sont condensées et retombent) ; ne jamais boucher le sommet du montage. Extraction liquide-liquide : faire passer le produit vers le solvant où il est le plus soluble. Distillation fractionnée : séparer des liquides de températures d’ébullition différentes. Recristallisation : purifier un solide grâce à la variation de sa solubilité avec la température.

Propriété — contrôler le produit. CCM : le rapport frontal $R_f=h/H$ ($h$ hauteur de la tache, $H$ hauteur du front, depuis la ligne de dépôt) identifie une espèce par comparaison à un témoin. Spectroscopie infrarouge : les bandes d’absorption, lues dans une table, confirment la disparition d’un groupe et l’apparition d’un autre.

7Savoir-faire du chapitre

8Exemples types