Réaction de Sulfamide en Laboratoire
Contexte : La synthèse de sulfamidesLes sulfamides sont une classe de médicaments antibactériens synthétiques. Leur synthèse en laboratoire est un exercice classique en chimie médicinale..
La synthèse multi-étapes est au cœur de la chimie médicinale pour produire des composés à activité thérapeutique. Cet exercice se concentre sur la synthèse du sulfanilamide, un des premiers agents antibactériens découverts. Nous partirons d'un réactif simple, l'aniline, pour construire la molécule cible à travers une série de réactions contrôlées, incluant la protection d'une fonction, une substitution électrophile aromatique, et une déprotection finale.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous guidera à travers les étapes clés de la synthèse organique, de la planification de la réaction à la purification du produit, en appliquant les principes de stœchiométrie et de calcul de rendement.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre le mécanisme réactionnel de la synthèse des sulfamides.
- Appliquer les calculs stœchiométriques pour déterminer le réactif limitant et le rendement théorique.
- Calculer le rendement réel d'une synthèse multi-étapes et interpréter le résultat.
Données de l'étude
Molécule Cible : Sulfanilamide
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Nom IUPAC | 4-aminobenzènesulfonamide |
| Formule Brute | C6H8N2O2S |
| Masse Molaire | 172.21 g/mol |
Schéma réactionnel global
| Réactif | Masse Molaire (g/mol) | Quantité utilisée | Rôle |
|---|---|---|---|
| Aniline (C6H5NH2) | 93.13 | 5.0 g | Réactif de départ |
| Anhydride acétique | 102.09 | En excès | Agent d'acylation |
| Acide chlorosulfonique | 116.52 | En excès | Agent de sulfonation |
Questions à traiter
- Quelle est la première étape de la synthèse (aniline → acétanilide) et pourquoi est-elle nécessaire ?
- Calculer le nombre de moles d'aniline utilisées au départ.
- Calculer la masse théorique de sulfanilamide attendue, en supposant que l'aniline est le réactif limitant pour toute la séquence.
- Un étudiant réalise la synthèse et obtient 6,80 g de sulfanilamide purifié. Quel est le rendement en pourcentage de la synthèse globale ?
- Si le rendement n'était que de 45%, quelle masse de produit aurait été obtenue ?
Les bases sur la Synthèse des Sulfamides
La synthèse des sulfamides est un exemple classique de substitution électrophile aromatique où la réactivité du cycle benzénique est modulée par des groupements protecteurs.
1. Protection de la fonction amine
L'aniline est très réactive. Son groupe amino (-NH₂) active fortement le cycle aromatique et peut être oxydé ou protoné, menant à des réactions secondaires indésirables. Pour éviter cela, on le "protège" en le transformant en un groupe amide (acétanilide) par acylation. L'amide est moins activant et oriente la substitution en position para, ce qui est souhaité.
2. Calcul du Rendement
Le rendement d'une réaction est le rapport entre la quantité de produit réellement obtenue (masse réelle) et la quantité maximale qui pourrait être formée (masse théorique). La masse théorique est calculée à partir de la stœchiométrie de la réaction en identifiant le réactif limitant.
\[ \text{Rendement} (\%) = \left( \frac{\text{masse réelle obtenue}}{\text{masse théorique maximale}} \right) \times 100 \]
Correction : Réaction de Sulfamide en Laboratoire
Question 1 : Rôle de la première étape
Principe
La première étape consiste à protéger la fonction amine de l'aniline pour contrôler la réactivité du cycle aromatique lors de la sulfonation et éviter les réactions parasites.
Mini-Cours
Le groupe amino (-NH₂) de l'aniline est un puissant activateur du cycle benzénique, mais il est aussi basique. En présence d'acide chlorosulfonique (un acide fort), il serait protoné en -NH₃⁺, ce qui désactiverait le cycle et empêcherait la substitution. De plus, -NH₂ peut être oxydé. La conversion en acétanilide (-NHCOCH₃) modère l'activation, protège la fonction et oriente la réaction suivante en position para.
Remarque Pédagogique
Pensez à cette stratégie de protection/déprotection comme mettre un casque sur une partie de la molécule pour travailler en sécurité sur une autre. Une fois le travail terminé, on retire le casque. C'est une approche essentielle pour construire des molécules complexes de manière sélective.
Normes
Bien qu'il n'y ait pas de "normes" réglementaires pour cette réaction fondamentale, les procédures suivent les Bonnes Pratiques de Laboratoire (BPL) pour garantir la sécurité, la reproductibilité et la qualité du produit synthétisé.
Formule(s)
Équation de la réaction d'acylation
Hypothèses
Cette question est de nature qualitative, aucune hypothèse de calcul n'est nécessaire. On suppose que les mécanismes réactionnels enseignés sont valides dans les conditions de laboratoire standards.
Astuces
Pour mémoriser le rôle de la protection, retenez l'analogie : le groupe -NH₂ est "trop enthousiaste" (trop réactif). L'acylation le calme pour qu'il guide la réaction suivante au bon endroit (en para).
Schéma (Avant les calculs)
Représentation de la protection
Calcul(s)
Aucun calcul n'est demandé dans cette question.
Schéma (Après les calculs)
Résultat de l'étape de protection
Réflexions
Cette étape illustre un concept fondamental en synthèse organique : l'utilisation de groupes protecteurs pour masquer la réactivité d'une partie d'une molécule afin de réaliser une transformation sur une autre partie.
Points de vigilance
Ne pas confondre protection et activation. Bien que -NH₂ soit un activateur plus fort que -NHCOCH₃, sa réactivité non contrôlée est un handicap ici. La protection est une modération stratégique.
Points à retenir
La protection des amines par acylation est une stratégie courante pour contrôler les substitutions électrophiles aromatiques sur les anilines.
Le saviez-vous ?
La découverte du Prontosil, le premier sulfamide commercialisé, a valu le prix Nobel de Médecine à Gerhard Domagk en 1939. Il a découvert que ce colorant rouge était métabolisé dans le corps en sulfanilamide, la molécule active !
FAQ
Il est normal d'avoir des questions.
Résultat Final
A vous de jouer
Si l'on protégeait l'aniline (93.13 g/mol) avec de l'anhydride propanoïque, la masse du groupe ajouté serait de 56.06 g/mol. Quelle serait la masse molaire de l'amide formé (sachant qu'une molécule d'eau est perdue) ?
Question 2 : Calcul du nombre de moles d'aniline
Principe
Pour trouver le nombre de moles, on utilise la relation fondamentale qui lie la masse (m), le nombre de moles (n) et la masse molaire (M).
Mini-Cours
La mole est l'unité de quantité de matière du Système International. Une mole contient environ 6,022 x 10²³ entités (c'est le nombre d'Avogadro). La masse molaire (M) est la masse d'une mole de cette substance, exprimée en g/mol. C'est un pont essentiel entre le monde macroscopique (la masse que l'on pèse) et le monde microscopique (le nombre de molécules qui réagissent).
Remarque Pédagogique
Le calcul du nombre de moles est souvent la toute première étape de n'importe quel problème de stœchiométrie. Assurez-vous de bien maîtriser cette conversion, car toute erreur ici se répercutera sur tous les calculs suivants.
Normes
Le calcul est basé sur les définitions du Système International d'unités (SI) pour la masse (kilogramme, bien qu'on utilise le gramme en pratique), la quantité de matière (mole) et la masse molaire.
Formule(s)
Formule du nombre de moles
Hypothèses
On suppose que les 5,0 g d'aniline pesés sont purs et que la masse molaire fournie (93,13 g/mol) est exacte.
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Masse d'aniline | m | 5.0 | g |
| Masse molaire de l'aniline | M | 93.13 | g/mol |
Astuces
Pour une estimation rapide, 93.13 est proche de 100. Donc 5.0 / 100 donne 0.05. Le résultat exact sera légèrement supérieur à 0.05, ce qui est un bon moyen de vérifier son calcul.
Schéma (Avant les calculs)
Conversion de la Masse en Moles
Calcul(s)
Application de la formule
Schéma (Après les calculs)
Résultat de la Conversion
Réflexions
Le résultat est arrondi à trois chiffres significatifs (0.0537 mol) car la masse de départ (5,0 g) a deux chiffres significatifs (le zéro est significatif). Cependant, pour les calculs intermédiaires, il est préférable de garder plus de décimales pour éviter les erreurs d'arrondi.
Points de vigilance
L'erreur la plus commune est d'inverser la formule (multiplier au lieu de diviser). Vérifiez toujours la cohérence des unités : g / (g/mol) donne bien des mol.
Points à retenir
La conversion masse-moles est fondamentale. La formule \( n = m/M \) est l'une des plus importantes en chimie quantitative.
Le saviez-vous ?
L'aniline, le point de départ de notre synthèse, a été initialement obtenue en 1826 par distillation de l'indigo. Son nom vient de "anil", le nom portugais de la plante d'indigo. C'est la base de nombreux colorants synthétiques, dont le mauve, le premier colorant artificiel découvert par Perkin en 1856.
FAQ
Il est normal d'avoir des questions.
Résultat Final
A vous de jouer
Combien de moles y a-t-il dans 10 g de sulfanilamide (M = 172.21 g/mol) ?
Question 3 : Calcul de la masse théorique de sulfanilamide attendue
Principe
Le but est de déterminer la masse maximale de produit final (sulfanilamide) que l'on peut obtenir à partir de la quantité de départ du réactif limitant (aniline), en utilisant la stœchiométrie de la réaction globale.
Mini-Cours
La stœchiométrie est l'étude des rapports quantitatifs entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique. Pour la séquence complète aniline \(\rightarrow\) sulfanilamide, une molécule d'aniline produit une molécule de sulfanilamide. Le rapport molaire est donc de 1:1. Cela signifie que le nombre de moles de sulfanilamide que l'on peut théoriquement obtenir est égal au nombre de moles d'aniline avec lequel on a commencé.
Remarque Pédagogique
C'est un calcul prédictif. Avant même de commencer la manipulation en laboratoire, cette étape nous donne l'objectif à atteindre. La masse théorique est notre "100%".
Normes
Ce calcul est une application directe de la loi de conservation de la masse (loi de Lavoisier), qui stipule que la masse totale des réactifs est égale à la masse totale des produits.
Formule(s)
Relation stœchiométrique
Conversion moles en masse
Hypothèses
On suppose que l'aniline est le réactif limitant et que la réaction est totale (rendement de 100%), sans aucune perte de produit durant les étapes intermédiaires.
Donnée(s)
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Moles d'aniline (de Q2) | \(n_{\text{aniline}}\) | 0.0537 | mol |
| Masse molaire du sulfanilamide | \(M_{\text{sulfanilamide}}\) | 172.21 | g/mol |
Astuces
Comme la masse molaire du produit (172.21) est presque le double de celle du réactif (93.13), la masse théorique devrait être presque le double de la masse de départ (5.0 g). Cela donne une estimation rapide proche de 10 g.
Schéma (Avant les calculs)
De la mole de réactif à la masse de produit
Calcul(s)
Étape 1 : Détermination des moles de produit théorique
Basé sur la stœchiométrie 1:1 :
Étape 2 : Calcul de la masse théorique
Schéma (Après les calculs)
Comparaison : Masse de départ vs. Masse théorique
Réflexions
La masse théorique est une valeur idéale. En pratique, il est presque impossible de l'atteindre en raison des pertes lors des manipulations (transferts, filtrations) et des réactions secondaires ou incomplètes. C'est une référence pour évaluer l'efficacité de la synthèse.
Points de vigilance
Assurez-vous d'utiliser la masse molaire du produit final (sulfanilamide) et non celle du réactif (aniline) dans la dernière étape du calcul.
Points à retenir
Pour calculer la masse théorique, on utilise toujours le nombre de moles du réactif limitant et la masse molaire du produit souhaité.
Le saviez-vous ?
La différence de masse entre l'aniline (93.13 g/mol) et le sulfanilamide (172.21 g/mol) est due à l'ajout net d'un groupe "-SO₂NH₂" et au remplacement d'un "-H" sur le cycle, soit environ +79 g/mol. C'est cohérent avec le calcul !
FAQ
Il est normal d'avoir des questions.
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle serait la masse théorique si l'on partait de 0.1 mol d'aniline ?
Question 4 : Calcul du rendement en pourcentage
Principe
Le rendement en pourcentage compare la masse de produit que l'on a réellement isolée en laboratoire (masse réelle) à la masse maximale que l'on aurait pu obtenir en théorie (masse théorique).
Mini-Cours
Le rendement est un indicateur clé de l'efficacité d'une réaction chimique. Un rendement élevé est souhaitable, en particulier dans l'industrie pharmaceutique, pour des raisons économiques (moins de gaspillage de réactifs coûteux) et écologiques (moins de déchets à traiter). Le rendement global d'une synthèse multi-étapes est le produit des rendements de chaque étape individuelle.
Remarque Pédagogique
Le rendement est comme la "note" de votre expérience de synthèse. Il vous dit si vous avez bien travaillé et si le protocole est efficace. Un rendement de 100% est un idéal, rarement atteint dans la pratique.
Normes
Le calcul et la déclaration des rendements suivent des conventions établies en chimie pour permettre la comparaison et la reproductibilité des résultats entre différents laboratoires.
Formule(s)
Formule du rendement en pourcentage
Hypothèses
On suppose que la masse de 6,80 g correspond au produit pur, et que la masse théorique de 9,25 g est correcte.
Donnée(s)
| Paramètre | Valeur | Unité |
|---|---|---|
| Masse réelle obtenue | 6.80 | g |
| Masse théorique | 9.25 | g |
Astuces
Pour estimer le rendement, vous pouvez arrondir : 6.8 / 9.25 est un peu moins de 7/9, ce qui est proche de 7/10 (70%) ou 7.5/10 (75%). Le résultat devrait se situer dans cette zone.
Schéma (Avant les calculs)
Visualisation du Rendement
Calcul(s)
Application de la formule
Calcul intermédiaire
Résultat final
Schéma (Après les calculs)
Résultat du Rendement
Réflexions
Un rendement de 73.5% est tout à fait respectable pour une synthèse multi-étapes en laboratoire. Les pertes de produit sont inévitables à chaque étape (transferts, purification, réactions incomplètes).
Points de vigilance
Assurez-vous que les masses réelle et théorique sont exprimées dans la même unité (ici, les grammes) avant de faire le rapport.
Points à retenir
Le rendement est une mesure de l'efficacité d'une synthèse. Il est calculé en divisant la quantité de produit réellement obtenue par la quantité théoriquement possible.
Le saviez-vous ?
Dans l'industrie pharmaceutique, l'optimisation des rendements de synthèse est un enjeu majeur. Gagner ne serait-ce que quelques pourcents sur une production de plusieurs tonnes d'un médicament peut représenter des économies de millions d'euros.
FAQ
Il est normal d'avoir des questions.
Résultat Final
A vous de jouer
Si vous aviez obtenu 8.50 g de produit, quel aurait été votre rendement ?
Question 5 : Calcul de la masse obtenue pour un rendement de 45%
Principe
Cette question est l'inverse de la précédente. Connaissant le rendement et la masse théorique, on peut réarranger la formule du rendement pour calculer la masse réelle obtenue.
Mini-Cours
Cette application de la formule du rendement est utile pour la planification d'une synthèse. Si un protocole expérimental indique un rendement attendu (par exemple, 45%), on peut calculer à l'avance la masse de produit que l'on espère obtenir à partir d'une certaine quantité de réactif. Cela permet de juger si la quantité de départ est suffisante pour les besoins.
Remarque Pédagogique
Savoir manipuler une formule dans les deux sens est une compétence mathématique essentielle en sciences. Ici, on ne cherche pas le rendement, on l'utilise comme une donnée pour trouver une masse.
Normes
Le calcul est une simple application de principes mathématiques et stœchiométriques.
Formule(s)
Formule du rendement réarrangée
Hypothèses
On suppose que la masse théorique de 9,25 g est la référence correcte pour un rendement de 100%.
Donnée(s)
| Paramètre | Valeur | Unité |
|---|---|---|
| Rendement souhaité | 45 | % |
| Masse théorique | 9.25 | g |
Astuces
45% c'est un peu moins de la moitié. La masse réelle devrait donc être un peu moins de la moitié de 9.25 g, soit un peu moins de 4.6 g. C'est une vérification rapide.
Schéma (Avant les calculs)
Planification du calcul de la masse réelle
Calcul(s)
Application de la formule et résultat
Schéma (Après les calculs)
Visualisation du Rendement de 45%
Réflexions
Ce calcul montre qu'avec un rendement moyen, la quantité de produit final peut être significativement inférieure à la quantité théorique. La planification d'une synthèse doit toujours tenir compte des rendements attendus pour s'assurer d'obtenir la quantité de produit désirée.
Points de vigilance
N'oubliez pas de diviser le pourcentage par 100 pour le convertir en une fraction décimale (45% \(\rightarrow\) 0.45) avant de multiplier par la masse théorique.
Points à retenir
La formule du rendement peut être utilisée pour trouver n'importe laquelle des trois variables (rendement, masse réelle, masse théorique) si les deux autres sont connues.
Le saviez-vous ?
Le concept d' "économie d'atomes", développé par Barry Trost, est un principe clé de la chimie verte. Il vise à concevoir des synthèses où un maximum d'atomes des réactifs se retrouvent dans le produit final. Un rendement élevé est bon, mais une réaction avec une bonne économie d'atomes est encore meilleure car elle génère moins de sous-produits.
FAQ
Il est normal d'avoir des questions.
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle masse de produit obtiendriez-vous avec un rendement de 85% ?
Outil Interactif : Calculateur de Rendement
Paramètres de la Synthèse
Résultats Calculés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Pourquoi l'aniline est-elle traitée avec de l'anhydride acétique avant la sulfonation ?
2. Quel réactif est utilisé pour introduire le groupe sulfonyle sur le cycle aromatique ?
3. Le "rendement théorique" représente...
4. Quelle est la dernière étape de la synthèse pour obtenir le sulfanilamide ?
5. Les sulfamides agissent comme des agents antibactériens en inhibant...
Glossaire
- Sulfamide
- Classe de composés chimiques possédant le groupe fonctionnel -S(=O)₂-NR₂. En pharmacie, ils désignent une famille d'antibiotiques qui agissent comme des inhibiteurs compétitifs de la synthèse de l'acide folique chez les bactéries.
- Acylation
- Réaction chimique qui introduit un groupe acyle (R-C=O) dans une molécule, typiquement sur un atome d'oxygène ou d'azote. L'acétylation (où le groupe est -COCH₃) est un cas particulier d'acylation.
- Substitution Électrophile Aromatique
- Type de réaction organique où un atome (généralement l'hydrogène) d'un cycle aromatique est remplacé par un électrophile. La sulfonation en est un exemple.
- Réactif Limitant
- Le réactif qui est entièrement consommé en premier dans une réaction chimique. Il détermine la quantité maximale de produit qui peut être formé.
D’autres exercices de chimie médicinale:
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