Protection et Déprotection des Groupes Fonctionnels
Contexte : Synthèse multi-étapes et chimiosélectivité.
En synthèse organique, il est fréquent qu'une molécule possède plusieurs groupes fonctionnels réactifs. Si l'on souhaite faire réagir spécifiquement l'un d'eux sans affecter les autres, il est nécessaire d'utiliser une stratégie de ProtectionModification temporaire d'un groupe fonctionnel pour le rendre inerte.. Dans cet exercice, nous étudierons la protection d'une fonction cétone sous forme d'acétal cyclique, avant d'effectuer une réaction de Grignard sur une fonction ester présente sur la même molécule.
Remarque Pédagogique : Cet exercice illustre l'importance de la planification en synthèse (rétrosynthèse) et l'application du principe de Le Chatelier pour déplacer un équilibre chimique.
Objectifs Pédagogiques
- Identifier la nécessité d'une protection de groupe fonctionnel.
- Écrire l'équation bilan de la formation d'un acétal cyclique (dioxolane).
- Calculer les quantités de matière et le rendement d'une synthèse.
- Comprendre le rôle de l'appareil de Dean-Stark.
Données de l'étude
On souhaite effectuer une addition nucléophile sélective sur la fonction ester du 3-oxobutanoate d'éthyle (aussi appelé acétoacétate d'éthyle), sans toucher à la fonction cétone. Pour cela, on protège d'abord la cétone avec de l'éthylène glycol en présence d'un catalyseur acide (APTS).
Données Physico-Chimiques
| Composé | Formule | Masse Molaire (g/mol) | Densité (g/mL) |
|---|---|---|---|
| 3-oxobutanoate d'éthyle | \(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_3\) | 130.14 | 1.02 |
| Éthylène glycol | \(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}_2\) | 62.07 | 1.11 |
| APTSAcide Para-ToluèneSulfonique. Catalyseur acide fort organique soluble. | \(\text{C}_7\text{H}_8\text{O}_3\text{S}\) | 172.20 | Solide |
Molécule de départ : 3-oxobutanoate d'éthyle
| Paramètre Expérimental | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse de réactif utilisée | \(m_{\text{ester}}\) | 13.0 | \(\text{g}\) |
| Volume d'éthylène glycol | \(V_{\text{glycol}}\) | 5.0 | \(\text{mL}\) |
Questions à traiter
- Pourquoi la protection de la cétone est-elle nécessaire avant une réaction de Grignard ?
- Écrire l'équation de la réaction de protection et calculer les quantités de matière initiales.
- Quel est le réactif limitant ? Calculer la masse théorique du produit protégé attendu.
- Après réaction et purification, on isole 14.5 g de produit protégé. Calculer le rendement.
- On réalise l'hydrolyse de 14.5 g d'acétal et on récupère 9.8 g de cétone. Calculer le rendement de déprotection et le rendement global.
Les bases théoriques
La protection des cétones se fait généralement par réaction avec un diol pour former un acétal cyclique. Cette réaction est un équilibre qui nécessite une catalyse acide.
Formation d'Acétal
La réaction entre une cétone et un alcool (ou diol) est réversible. Pour favoriser la formation du produit, on doit éliminer l'eau formée (Loi de Le Chatelier).
Bilan Réactionnel
Où :
- Le groupe carbonyle devient un carbone tétraédrique lié à deux oxygènes.
- L'eau est le sous-produit à éliminer.
Calcul de Rendement
Le rendement quantifie l'efficacité de la synthèse.
Formule du Rendement
Correction : Protection et Déprotection des Groupes Fonctionnels
Question 1 : Nécessité de la Protection
Principe
La chimiosélectivité est la capacité d'un réactif à interagir préférentiellement avec un groupe fonctionnel spécifique parmi plusieurs. Ici, nous avons deux groupes carbonyles (\(C=O\)) : une cétone et un ester.
Mini-Cours
Hiérarchie de Réactivité : Vis-à-vis des nucléophiles (comme les organomagnésiens \(R-MgX\)), la réactivité décroît dans cet ordre :
Aldéhyde > Cétone > Ester > Amide.
Le carbone de la cétone est plus électrophile (plus positif \(\delta+\)) que celui de l'ester, car l'oxygène de l'ester donne des électrons par mésomérie, ce qui stabilise la charge.
Remarque Pédagogique
Si on ajoute le Grignard sans protection, il attaquera d'abord la cétone (le site le plus réactif) avant l'ester (le site cible). C'est l'inverse de ce que l'on souhaite.
Stratégie avec protection
Réflexions
La protection ajoute deux étapes (protection + déprotection) à la synthèse, ce qui coûte du temps et de la matière, mais c'est le seul moyen d'obtenir le produit désiré purement.
Question 2 : Équation et Quantités de Matière
Principe
Avant tout calcul, il est crucial d'établir l'équation équilibrée de la réaction et de convertir toutes les quantités données en moles, l'unité universelle en chimie. Pour les liquides, on utilise la densité pour passer du volume à la masse.
Mini-Cours
La Mole : C'est l'unité de base du Système International pour la quantité de matière. Elle permet de faire le pont entre le monde macroscopique (grammes, millilitres) et le monde microscopique (nombre de molécules).
Remarque Pédagogique
Attention aux unités ! Pour les liquides, on mesure souvent un volume, mais la chimie se fait en masse ou en moles. N'oubliez jamais d'utiliser la densité (\(\rho\) ou \(d\)) pour convertir : \(m = \rho \times V\).
Normes
Les calculs doivent respecter les conventions de chiffres significatifs (ici, 3 chiffres).
Formule(s)
Formules utilisées
Quantité de matière (solide/liquide pur)
Masse volumique
Hypothèses
On considère les réactifs comme purs pour ce calcul initial (pureté de 100%).
Donnée(s)
Données extraites de l'énoncé et du tableau des propriétés physico-chimiques.
| Composé | Donnée A | Donnée B |
|---|---|---|
| Acétoacétate d'éthyle | m = 13.0 g | M = 130.14 g/mol |
| Éthylène glycol | V = 5.0 mL | \(\rho\) = 1.11 g/mL, M = 62.07 g/mol |
Astuces
Si la densité est > 1 (comme 1.11 ici), 1 mL pèse plus de 1 g. Si elle est < 1, il pèse moins.
Situation Initiale (Réactifs)
Calcul(s)
1. Calcul pour le 3-oxobutanoate d'éthyle
Pour le premier réactif, nous disposons directement de la masse en grammes. Nous appliquons donc simplement la formule en divisant la masse donnée par la masse molaire fournie dans le tableau :
Le résultat donne 0.09989... mol. Pour respecter les chiffres significatifs et simplifier la suite, nous arrondissons cette valeur à 0.100 mol.
2. Calcul pour l'éthylène glycol
Pour le second réactif, nous avons un volume. La première étape consiste à convertir ce volume en masse en utilisant la densité (\(\rho\)). Comme la densité est de 1.11 g/mL, chaque millilitre pèse 1.11 grammes :
Maintenant que nous avons la masse (5.55 g), nous pouvons calculer le nombre de moles en divisant par la masse molaire de l'éthylène glycol (\(M\)) :
Nous obtenons ainsi 0.0894 mol de glycol, une valeur légèrement inférieure à celle de l'ester.
Bilan en Moles
Réflexions
Les quantités sont proches, mais pas identiques. Cela aura une conséquence directe sur le réactif limitant.
Points de vigilance
Ne confondez jamais le volume du catalyseur (quelques gouttes ou mg) avec les réactifs principaux. Le catalyseur n'intervient pas dans le bilan molaire stoechiométrique.
Points à Retenir
L'essentiel :
- Masse = Densité × Volume
- Mole = Masse / Masse Molaire
Le saviez-vous ?
Le nombre d'Avogadro (\(6.022 \times 10^{23}\)) définit combien d'atomes il y a dans une mole. C'est colossal !
FAQ
Pourquoi ne pas utiliser directement les grammes ?
Parce que les molécules réagissent nombre pour nombre (1 ester avec 1 glycol), pas gramme pour gramme. Leurs masses molaires sont différentes.
A vous de jouer
Combien de moles y aurait-il dans 10g d'ester ?
📝 Mémo
Le "n" (quantité de matière) est le pivot central de tous les calculs en chimie.
Question 3 : Réactif Limitant et Masse Théorique
Principe
Dans une réaction chimique, le réactif qui vient à manquer en premier arrête la réaction. Il détermine donc la quantité maximale de produit qu'on peut espérer obtenir (masse théorique).
Mini-Cours
Avancement Maximal (\(x_{max}\)) : C'est la plus petite valeur de \(n_i / \nu_i\) (moles initiales / coefficient stoechiométrique). Ici, tous les coefficients valent 1.
Remarque Pédagogique
Comparer les masses initiales ne sert à rien pour trouver le limitant ! Il faut impérativement comparer les avancements molaires.
Normes
On assume que la réaction est totale pour calculer la masse théorique (rendement 100%).
Formule(s)
Masse produite
Hypothèses
La stoechiométrie est 1:1. Pas de réactions parasites majeures prises en compte ici.
Donnée(s)
Données calculées à la question précédente (Q2) et formules chimiques.
| Paramètre | Ester | Glycol | Produit (P) |
|---|---|---|---|
| Quantité (mol) | 0.100 | 0.089 | - |
| Formule | - | - | \(\text{C}_8\text{H}_{14}\text{O}_4\) |
Astuces
Le réactif limitant est souvent (mais pas toujours !) le plus cher ou le plus difficile à synthétiser. Ici, le glycol est en défaut, ce qui est atypique (souvent on le met en excès pour pousser l'équilibre).
Comparaison des Stocks
Calcul(s)
1. Identification du limitant
On compare simplement les deux quantités de matière calculées à l'étape précédente. Nous avons \(0.100\) mol d'ester et \(0.089\) mol de glycol. Le plus petit nombre correspond au réactif qui s'épuisera en premier :
Le réactif limitant est donc l'éthylène glycol.
2. Masse Molaire du Produit (P)
Pour calculer la masse théorique, il nous faut d'abord la masse molaire du produit formé (l'acétal, formule \(\text{C}_8\text{H}_{14}\text{O}_4\)). On additionne les masses atomiques de chaque atome (\(\text{C}=12.01, \text{H}=1.008, \text{O}=16.00\)) :
La molécule pèse donc environ 174.19 g par mole.
3. Masse Théorique
La masse théorique est la masse maximale que l'on peut obtenir si le rendement est de 100%. Elle est déterminée par le réactif limitant. On multiplie la quantité de matière du limitant par la masse molaire du produit :
On arrondit le résultat final à 15.6 g (ou 15.5 g selon l'arrondi intermédiaire). C'est notre objectif idéal.
État Final Théorique
Réflexions
La masse théorique est notre "100%". On ne pourra jamais physiquement obtenir plus que cette valeur.
Points de vigilance
N'oubliez pas de prendre la masse molaire du produit final (l'acétal) et non celle d'un des réactifs pour ce calcul !
Points à Retenir
Le réactif limitant dicte tout le reste de la synthèse (quantité de produit, rendement).
Le saviez-vous ?
Antoine Lavoisier a formulé : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme", base de ces calculs stoechiométriques.
FAQ
Peut-on changer de réactif limitant en cours de route ?
Non, sauf si on rajoute de la matière en cours de réaction. C'est déterminé par les conditions initiales.
A vous de jouer
Si on avait utilisé 0.2 mol de glycol, quelle serait la masse théorique ? (M=174.2)
📝 Mémo
Limitant = celui qui finit à zéro.
Question 4 : Calcul du Rendement
Principe
Le rendement mesure l'efficacité réelle de la réaction. Il est toujours inférieur à 100% à cause des réactions secondaires, des pertes mécaniques lors de la purification, ou d'un équilibre non déplacé.
Mini-Cours
Définition : C'est le rapport entre la quantité réellement obtenue (expérimentale) et la quantité maximale possible (théorique).
Remarque Pédagogique
Un rendement > 100% est impossible chimiquement. Si vous trouvez cela, c'est que votre produit est encore mouillé (contient du solvant) ou impur.
Normes
Le rendement s'exprime en pourcentage (%), généralement sans décimale ou avec une seule.
Formule(s)
Rendement
Hypothèses
On suppose que le produit isolé (14.5 g) est pur et sec.
Donnée(s)
Masse expérimentale donnée dans l'énoncé de la question 4, masse théorique calculée à la question 3.
| Paramètre | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Masse Expérimentale | \(m_{\text{exp}}\) | 14.5 g |
| Masse Théorique | \(m_{\text{max}}\) | 15.6 g |
Astuces
Vérifiez toujours que \(m_{\text{exp}} < m_{\text{max}}\) avant de calculer.
Visuel du Rendement
Calcul(s)
On divise la masse obtenue (réel) par la masse maximale théorique (idéal) et on multiplie par 100 pour avoir un pourcentage :
Selon l'arrondi de la masse théorique utilisé (15.5 ou 15.6), le résultat varie légèrement autour de 93%. Cela signifie que 93% de la matière attendue a bien été transformée et isolée.
Diagramme Circulaire
Réflexions
Un rendement de 93% est excellent pour une étape de protection organique. L'appareil de Dean-Stark a bien fonctionné pour déplacer l'équilibre.
Points de vigilance
Si vous aviez oublié de sécher le produit, la masse expérimentale inclurait de l'eau, faussant le calcul à la hausse.
Points à Retenir
L'optimisation du rendement est un objectif majeur en chimie industrielle (chimie verte, économie).
Le saviez-vous ?
La "Chimie Verte" (Green Chemistry) cherche aussi à maximiser l'"économie atomique", c'est-à-dire que tous les atomes des réactifs se retrouvent dans le produit final.
FAQ
Un rendement de 50% est-il mauvais ?
Pas forcément. Pour des synthèses très complexes de 20 étapes, 50% par étape est inacceptable (il ne resterait rien à la fin), mais pour une réaction difficile unique, c'est parfois le maximum possible.
A vous de jouer
Si on avait obtenu seulement 10g, quel serait le rendement ?
📝 Mémo
\(\eta\) est le verdict final de la manipulation.
Question 5 : Déprotection et Bilan Global
Principe
Pour terminer la synthèse, il faut régénérer la fonction cétone. On utilise la réaction inverse de la protection : une hydrolyse acide avec un large excès d'eau.
Mini-Cours
Réversibilité : La formation d'un acétal est un équilibre :
\(\text{Cétone} + \text{Diol} \rightleftharpoons \text{Acétal} + \text{Eau}\)
En ajoutant beaucoup d'eau (loi d'action de masse), on déplace l'équilibre vers la gauche (cétone).
Remarque Pédagogique
Le rendement global d'une synthèse multi-étapes est le produit des rendements de chaque étape. C'est pourquoi chaque étape doit être optimisée.
Normes
Le rendement global est aussi exprimé en pourcentage.
Formule(s)
Rendement Global
Hypothèses
On utilise la totalité du produit isolé à l'étape précédente (14.5 g).
Donnée(s)
Masses données dans l'énoncé de la question 5 et masses molaires des composés.
| Étape | Masse Engagée/Obtenue | Masse Molaire |
|---|---|---|
| Départ (Acétal) | 14.5 g | 174.2 g/mol |
| Arrivée (Cétone) | 9.8 g | 130.1 g/mol |
Astuces
Pour le rendement global, calculez avec les décimales (\(0.93 \times 0.90\)) et remettez en pourcentage à la fin.
Déprotection
Calcul(s)
1. Rendement de l'étape de déprotection (\(\eta_2\))
a) On commence par calculer combien de moles d'acétal on a engagé pour cette seconde étape, en utilisant la masse isolée précédemment :
b) La réaction stœchiométrique redonne 1 cétone pour 1 acétal. La masse théorique de cétone que l'on pourrait obtenir au maximum est donc calculée en multipliant ce nombre de moles par la masse molaire de la cétone :
c) Enfin, on compare la masse réelle obtenue (9.8 g) à ce maximum théorique pour trouver le rendement de cette étape spécifique :
2. Rendement Global (\(\eta_{\text{tot}}\))
Le rendement global de la synthèse complète (protection + déprotection) est le produit des rendements individuels de chaque étape. On multiplie les valeurs décimales (0.931 et 0.905) :
Soit un rendement global de 84.2 % sur l'ensemble de la séquence réactionnelle.
Cascade de Rendements
Réflexions
Un rendement global de 84% sur deux étapes est très satisfaisant. Cela valide la stratégie de protection/déprotection utilisée.
Points de vigilance
La déprotection libère aussi de l'éthylène glycol. Il faut s'assurer de bien séparer ce sous-produit (souvent par lavage à l'eau) pour obtenir la cétone pure.
Points à Retenir
Plus une synthèse a d'étapes, plus le rendement global chute vite. Exemple : \(0.9^{10} \approx 34\%\).
Le saviez-vous ?
Dans l'industrie pharmaceutique, certaines synthèses comportent plus de 20 étapes. Chaque % de rendement gagné vaut des millions !
FAQ
Peut-on recycler le diol ?
Oui, en théorie, après extraction de la phase aqueuse et distillation, mais c'est rarement fait au laboratoire pour de petites quantités.
A vous de jouer
Si on avait 3 étapes à 90% chacune, quel serait le rendement global ?
📝 Mémo
Le global est le produit des étapes.
Schéma Bilan de la Synthèse
Résumé de l'étape de protection effectuée.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir absolument
Points clés pour la réussite de la protection :
-
🔑
Rôle de la protection : Rendre une fonction inerte temporairement.
-
📐
Conditions : Catalyse acide (APTS) et élimination de l'eau (Dean-Stark).
-
⚠️
Déprotection : Retour à la cétone par hydrolyse acide aqueuse (H3O+).
🎛️ Simulateur : Influence des conditions
Visualisez l'évolution du rendement en fonction de l'excès de glycol et du temps d'élimination de l'eau.
Paramètres
📝 Quiz final : Testez vos connaissances
1. Quel est le rôle de l'appareil de Dean-Stark ?
2. Comment effectue-t-on la déprotection (retour à la cétone) ?
📚 Glossaire
- Acétal
- Fonction organique où un carbone est lié à deux groupes -OR. Stable en milieu basique.
- Nucléophile
- Espèce chimique riche en électrons, attirée par les noyaux ou charges positives.
- APTS
- Acide para-toluènesulfonique. Catalyseur acide organique soluble dans les solvants organiques.
- Toluène
- Solvant apolaire utilisé pour former un azéotrope avec l'eau dans le Dean-Stark.
- Déprotection
- Réaction inverse de la protection pour régénérer le groupe fonctionnel initial.
Le Saviez-vous ?
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