Exercices et corrigés

Etude de Chimie

Synthèse d’un intermédiaire pharmaceutique

Synthèse d’un Intermédiaire Pharmaceutique en Chimie Industrielle

Calcul de la Masse Nécessaire d’un Réactif en Chimie Industrielle

Comprendre les Calculs Stœchiométriques en Chimie Industrielle

En chimie industrielle, la production de substances chimiques à grande échelle, notamment les intermédiaires pharmaceutiques, repose sur des réactions chimiques précises et optimisées. Les calculs stœchiométriques sont essentiels pour déterminer les quantités exactes de réactifs nécessaires pour obtenir une quantité désirée de produit. Ces calculs permettent de maximiser l'efficacité du processus, de minimiser les coûts liés aux matières premières et de réduire la formation de déchets. De plus, le rendement réel d'une réaction industrielle est rarement de 100% en raison de réactions secondaires, de pertes de produit lors des étapes de purification, ou d'équilibres chimiques défavorables. Il est donc crucial de prendre en compte le rendement pour calculer les quantités de réactifs à engager pour atteindre les objectifs de production.

Données de l'étude : Synthèse d'un Intermédiaire Pharmaceutique Z (IPZ)

On souhaite synthétiser un intermédiaire pharmaceutique clé, noté IPZ, à partir d'un précurseur X (PX) et d'un réactif Y (RY). Pour cet exercice, nous nous concentrerons sur la quantité de précurseur X nécessaire.

L'équation de la réaction de synthèse est la suivante (simplifiée) :

\[ \text{PX (aq)} + \text{RY (aq)} \stackrel{\text{catalyseur}}{\longrightarrow} \text{IPZ (s)} + \text{Sous-produits} \]

On suppose une stœchiométrie 1:1 entre le Précurseur X (PX) et l'Intermédiaire Pharmaceutique Z (IPZ), c'est-à-dire qu'une mole de PX produit théoriquement une mole d'IPZ.

  • Masse molaire du Précurseur X (\(M_{\text{PX}}\)) : \(150.0 \, \text{g/mol}\)
  • Masse molaire de l'Intermédiaire Pharmaceutique Z (\(M_{\text{IPZ}}\)) : \(250.0 \, \text{g/mol}\)
  • Masse d'IPZ que l'on souhaite produire (\(m_{\text{IPZ, réel}}\)) : \(10.0 \, \text{kg}\)
  • Le rendement global de la synthèse et de la purification de l'IPZ est de \(80.0\%\).
  • Le réactif Y (RY) est utilisé en excès.
Schéma : Réacteur de Synthèse pour un Intermédiaire Pharmaceutique
PX RY (excès) Réacteur Chimique Agitation / Chauffage IPZ Synthèse de l'intermédiaire IPZ.

Illustration simplifiée d'un réacteur pour la synthèse d'un intermédiaire pharmaceutique.

Questions à traiter

  1. Calculer la masse molaire de l'Intermédiaire Pharmaceutique Z (IPZ). (Note : déjà donnée, mais bonne pratique de le noter).
  2. Calculer le nombre de moles d'IPZ (\(n_{\text{IPZ, réel}}\)) que l'on souhaite réellement produire.
  3. En tenant compte du rendement de la réaction de \(80.0\%\), calculer le nombre de moles d'IPZ (\(n_{\text{IPZ, théorique}}\)) qui devraient être théoriquement visées pour obtenir la masse réelle souhaitée.
  4. En utilisant la stœchiométrie de la réaction (1 mole de PX pour 1 mole d'IPZ), déterminer le nombre de moles de Précurseur X (\(n_{\text{PX}}\)) théoriquement nécessaires.
  5. Calculer la masse molaire du Précurseur X (PX). (Note : déjà donnée).
  6. Calculer la masse de Précurseur X (\(m_{\text{PX}}\)) nécessaire pour cette production, en kilogrammes.

Correction : Synthèse d’un Intermédiaire Pharmaceutique

Question 1 : Masse molaire de l'Intermédiaire Pharmaceutique Z (IPZ)

Principe :

La masse molaire de l'IPZ est une donnée de l'énoncé.

Données spécifiques :
  • \(M_{\text{IPZ}} = 250.0 \, \text{g/mol}\)
Résultat Question 1 : La masse molaire de l'Intermédiaire Pharmaceutique Z (IPZ) est \(250.0 \, \text{g/mol}\).

Question 2 : Nombre de moles d'IPZ (\(n_{\text{IPZ, réel}}\)) souhaitées

Principe :

Le nombre de moles (\(n\)) est obtenu en divisant la masse (\(m\)) par la masse molaire (\(M\)). La masse souhaitée doit être convertie en grammes.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ n = \frac{m}{M} \]
Données spécifiques :
  • Masse d'IPZ souhaitée (\(m_{\text{IPZ, réel}}\)) : \(10.0 \, \text{kg} = 10.0 \times 10^3 \, \text{g}\)
  • \(M_{\text{IPZ}} = 250.0 \, \text{g/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} n_{\text{IPZ, réel}} &= \frac{10.0 \times 10^3 \, \text{g}}{250.0 \, \text{g/mol}} \\ &= 40.0 \, \text{mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le nombre de moles d'IPZ réellement souhaitées est \(n_{\text{IPZ, réel}} = 40.0 \, \text{mol}\).

Question 3 : Nombre de moles d'IPZ théoriquement visées (\(n_{\text{IPZ, théorique}}\))

Principe :

Le rendement de la réaction est de \(80.0\%\). Pour obtenir une quantité réelle \(n_{\text{réel}}\), la quantité théorique \(n_{\text{théorique}}\) à viser est calculée par : \(n_{\text{théorique}} = \frac{n_{\text{réel}}}{\text{Rendement (fraction)}}\).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ n_{\text{théorique}} = \frac{n_{\text{réel}}}{\text{Rendement (fraction)}} \]
Données spécifiques :
  • \(n_{\text{IPZ, réel}} = 40.0 \, \text{mol}\)
  • Rendement = \(80.0\% = 0.800\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} n_{\text{IPZ, théorique}} &= \frac{40.0 \, \text{mol}}{0.800} \\ &= 50.0 \, \text{mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le nombre de moles d'IPZ théoriquement visées est \(n_{\text{IPZ, théorique}} = 50.0 \, \text{mol}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si un procédé a un rendement de 60% et que l'on a besoin de 30 moles de produit, combien de moles de produit devrait-on théoriquement viser ?

Question 4 : Nombre de moles de Précurseur X (\(n_{\text{PX}}\)) théoriquement nécessaires

Principe :

La stœchiométrie de la réaction indique qu'1 mole de PX est nécessaire pour produire 1 mole d'IPZ.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ n_{\text{PX}} = n_{\text{IPZ, théorique}} \times \frac{1 \, \text{mol PX}}{1 \, \text{mol IPZ}} \]
Données spécifiques :
  • \(n_{\text{IPZ, théorique}} = 50.0 \, \text{mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} n_{\text{PX}} &= 50.0 \, \text{mol IPZ} \times \frac{1 \, \text{mol PX}}{1 \, \text{mol IPZ}} \\ &= 50.0 \, \text{mol PX} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Le nombre de moles de Précurseur X théoriquement nécessaires est \(n_{\text{PX}} = 50.0 \, \text{mol}\).

Question 5 : Masse molaire du Précurseur X (PX)

Principe :

La masse molaire du Précurseur X (PX) est une donnée de l'énoncé.

Données spécifiques :
  • \(M_{\text{PX}} = 150.0 \, \text{g/mol}\)
Résultat Question 5 : La masse molaire du Précurseur X (PX) est \(150.0 \, \text{g/mol}\).

Question 6 : Masse de Précurseur X (\(m_{\text{PX}}\)) nécessaire

Principe :

La masse de Précurseur X nécessaire est calculée en multipliant le nombre de moles de PX par sa masse molaire.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ m_{\text{PX}} = n_{\text{PX}} \times M_{\text{PX}} \]
Données spécifiques :
  • \(n_{\text{PX}} = 50.0 \, \text{mol}\)
  • \(M_{\text{PX}} = 150.0 \, \text{g/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} m_{\text{PX}} &= 50.0 \, \text{mol} \times 150.0 \, \text{g/mol} \\ &= 7500 \, \text{g} \\ &= 7.50 \, \text{kg} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : La masse de Précurseur X nécessaire est de \(7.50 \, \text{kg}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si le réactif Y n'était pas en excès mais était le réactif limitant, comment cela affecterait-il le calcul de la masse de PX nécessaire ?

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Un intermédiaire pharmaceutique est :

2. Si une réaction a un rendement de 100%, cela signifie que :

3. La conversion de kilogrammes en grammes implique de multiplier par :

Glossaire

Intermédiaire Pharmaceutique
Composé chimique qui sert d'étape de base ou de précurseur dans la synthèse d'un principe actif pharmaceutique (API).
Stœchiométrie
Étude des rapports quantitatifs entre les réactifs et les produits dans une réaction chimique équilibrée.
Masse Molaire (\(M\))
Masse d'une mole d'une substance. Unité : \(\text{g/mol}\).
Mole (mol)
Unité de quantité de matière, représentant \(6.022 \times 10^{23}\) entités élémentaires.
Rendement d'une Réaction
Rapport entre la quantité de produit réellement obtenue (rendement réel) et la quantité de produit théoriquement attendue (rendement théorique), généralement exprimé en pourcentage.
Rendement Théorique
Quantité maximale de produit qui peut être formée à partir de quantités données de réactifs, en supposant que la réaction est complète et qu'il n'y a pas de pertes.
Réactif Limitant
Réactif qui est entièrement consommé en premier dans une réaction chimique et qui détermine la quantité maximale de produit qui peut être formé.
Réactif en Excès
Réactif présent en quantité supérieure à celle requise par la stœchiométrie pour réagir complètement avec le réactif limitant.
Synthèse d’un Intermédiaire Pharmaceutique - Exercice d'Application

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