Ressources · 1ʳᵉ · Physique-chimie (spécialité)

Synthèse organique : protocole et rendement

Les quatre étapes d’un protocole de synthèse et le montage à reflux ; l’isolement du produit (filtration sous vide, ampoule à décanter, choix d’un solvant d’extraction) ; sa purification (lavage, séchage, recristallisation, distillation) ; son analyse (température de fusion, CCM, spectre infrarouge) ; le calcul du rendement à partir du réactif limitant.

À propos de cette page

Cinq problèmes corrigés pas à pas sur des synthèses complètes : un savon à l’huile d’olive, la menthone tirée du menthol, l’acide adipique du nylon, le cyclohexène obtenu par distillation et la benzocaïne, anesthésique local, avec protocole, justification des techniques, analyse et rendement.

5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis le protocole et le tableau de données : formules, masses molaires, masses volumiques, solubilités, densités, températures de changement d’état.
Je découpe le protocole en transformation, isolement, purification et analyse.
Je justifie chaque opération par une donnée : état physique, solubilité, miscibilité, densité, température d’ébullition.
Je calcule les quantités des réactifs, x_max et la masse maximale de produit, puis le rendement.
Je conclus sur la pureté (fusion, CCM, IR) et je vérifie que le rendement est compris entre 0 et 100 %.

Problème 1 · Fabriquer un savon à l’huile d’olive★★★Facile

On modélise l’huile d’olive par l’oléine C₅₇H₁₀₄O₆ (M = 884 g·mol⁻¹), triglycéride de l’acide oléique, principal acide gras de cette huile. Avec la soude, elle donne du glycérol et de l’oléate de sodium, le savon (M = 304 g·mol⁻¹) :
C₅₇H₁₀₄O₆ + 3 NaOH → C₃H₈O₃ + 3 C₁₈H₃₃O₂Na
Protocole : ① chauffer à reflux 30 min 13,26 g d’huile, 20 mL de soude concentrée (en excès) et 20 mL d’éthanol ; ② verser le mélange tiède dans 100 mL d’eau salée saturée : le savon se solidifie ; ③ filtrer sur Büchner ; ④ rincer le solide avec un peu d’eau salée glacée ; ⑤ sécher, puis peser : 11,08 g.

1. L’étape ① est l’étape de
Les réactifs réagissent à chaud : transformation.
2. L’huile ne se mélange pas à la soude aqueuse : l’éthanol sert de commun aux deux réactifs.
L’éthanol dissout l’huile et se mélange à la soude : les réactifs se rencontrent mieux, la transformation est plus rapide. C’est un solvant commun.
3. Le savon est très peu soluble dans l’eau salée : l’étape ② s’appelle le
Le relargage fait apparaître le savon solide, qu’on peut ensuite filtrer.
4. Les étapes ② et ③ forment l’étape d’
On sépare le savon brut du mélange : isolement.
5. Rincer avec de l’eau salée glacée plutôt qu’avec de l’eau pure évite de une partie du savon.
Le savon se dissout dans l’eau pure : l’eau salée froide enlève la soude restante sans dissoudre le savon.
6. Quantité d’huile : mol
n = 13,26 ÷ 884 = 0,0150 mol.
7. Quantité maximale de savon : mol
La soude est en excès : l’huile est limitante, x_max = 0,0150 mol. Une mole d’oléine donne 3 moles de savon : n_max = 3 × 0,0150 = 0,0450 mol.
8. Masse maximale de savon : ≈ g
m_max = 0,0450 × 304 = 13,68 g.
9. Rendement : ≈ %
η = 11,08 ÷ 13,68 ≈ 0,810, soit 81,0 %.

Problème 2 · De la menthe au laboratoire : la menthone★★★Moyen

Le menthol C₁₀H₂₀O, extrait de la menthe poivrée, porte un groupe –OH sur un cycle de six atomes de carbone. Son oxydation transforme ce groupe en C=O sans modifier le squelette : on obtient la menthone C₁₀H₁₈O. Une mole de menthol donne une mole de menthone.
Protocole : ① dissoudre 4,70 g de menthol dans l’acide éthanoïque ; ajouter goutte à goutte de l’eau de Javel en excès ; agiter 45 min au bain-marie à 40 °C. ② Verser le mélange dans une ampoule à décanter contenant 30 mL d’eau ; extraire avec 20 mL de cyclohexane ; garder la phase organique. ③ Laver cette phase avec une solution d’hydrogénocarbonate de sodium, la sécher avec du sulfate de magnésium anhydre, filtrer. ④ Évaporer le cyclohexane : on obtient 3,58 g d’un liquide huileux. ⑤ Enregistrer son spectre IR : bande forte et fine à 1 709 cm⁻¹, aucune bande entre 3 200 et 3 400 cm⁻¹ (le menthol présente une bande forte et large vers 3 290 cm⁻¹).

Espèce	M (g·mol⁻¹)	Densité	Dans l’eau	Dans le cyclohexane
menthol	156	solide	peu soluble	très soluble
menthone	154	0,90	très peu soluble	très soluble
acide éthanoïque	60	1,05	miscible	reste surtout dans l’eau en présence d’eau
cyclohexane	84	0,78	non miscible	—

La phase aqueuse a une densité voisine de 1,0.

1. Le menthol appartient à la famille des et la menthone à celle des
Menthol : groupe hydroxyle –OH sur un carbone à liaisons simples → alcool. Menthone : C=O dont le carbone est lié à deux atomes de carbone du cycle → cétone.
2. Les étapes ③ et ④ forment l’étape de
① transformation ; ② isolement (extraction) ; ③ et ④ purification (lavage, séchage, élimination du solvant) ; ⑤ analyse.
3. Le cyclohexane convient : il n’est pas miscible à l’eau et la menthone y est très
La menthone, très peu soluble dans l’eau et très soluble dans le cyclohexane, passe dans la phase organique.
4. La phase organique (densité ≈ 0,78) se trouve au- de la phase aqueuse.
0,78 < 1,0 : la phase organique est au-dessus.
5. Le lavage à l’hydrogénocarbonate de sodium élimine l’acide resté dans la phase organique.
L’acide éthanoïque réagit avec l’hydrogénocarbonate (dégagement de dioxyde de carbone) et passe dans la phase aqueuse.
6. Quantité de menthol : ≈ mol
n = 4,70 ÷ 156 ≈ 3,01 × 10⁻² mol.
7. Masse maximale de menthone : ≈ g
L’eau de Javel est en excès : le menthol est limitant. m_max ≈ 3,01 × 10⁻² × 154 ≈ 4,64 g.
8. Rendement : ≈ %
η ≈ 3,58 ÷ 4,64 ≈ 0,772, soit 77,2 %.
9. L’absence de bande entre 3 200 et 3 400 cm⁻¹ montre qu’il n’y a plus de liaison en quantité détectable.
Pas de liaison O–H : le menthol a été transformé, ou n’en reste que des traces non détectables. La bande à 1 709 cm⁻¹ (C=O de cétone) confirme la menthone.

Problème 3 · L’acide adipique, matière première du nylon★★★Moyen

L’acide adipique C₆H₁₀O₄ (M = 146 g·mol⁻¹) sert surtout à fabriquer le nylon 6-6. Au laboratoire, on l’obtient en oxydant le cyclohexanol C₆H₁₂O (M = 100 g·mol⁻¹, ρ = 0,96 g·mL⁻¹) par une solution oxydante en excès ; une mole de cyclohexanol donne une mole d’acide adipique.
Protocole : ① chauffer à reflux 5,0 mL de cyclohexanol avec la solution oxydante ; ② refroidir dans un bain d’eau glacée et filtrer sur Büchner ; ③ recristalliser dans l’eau ; ④ sécher, peser : 4,90 g ; mesurer la température de fusion : 151 °C.
Données sur l’acide adipique : solubilité dans l’eau 14 g·L⁻¹ à 10 °C et 1 600 g·L⁻¹ à 100 °C ; température de fusion 152 °C.

1. Masse de cyclohexanol introduite : g
m = ρ × V = 0,96 × 5,0 = 4,80 g.
2. Quantité de cyclohexanol : mol
n = 4,80 ÷ 100 = 0,0480 mol.
3. Masse maximale d’acide adipique : ≈ g
Le cyclohexanol est limitant : m_max = 0,0480 × 146 ≈ 7,01 g.
4. Rendement : ≈ %
η ≈ 4,90 ÷ 7,01 ≈ 0,699, soit 69,9 %.
5. Le bain d’eau glacée de l’étape ② fait cristalliser l’acide adipique, car sa dans l’eau diminue à froid.
De 1 600 g·L⁻¹ à 100 °C à 14 g·L⁻¹ à 10 °C : la solubilité s’effondre, l’acide cristallise.
6. La solubilité dans l’eau est environ fois plus grande à 100 °C qu’à 10 °C.
1 600 ÷ 14 ≈ 114 : l’eau est un excellent solvant de recristallisation pour cette espèce.
7. Si l’on recristallise dans 20 mL d’eau, la masse d’acide restée dissoute à 10 °C vaut g.
14 × 0,020 = 0,28 g d’acide adipique perdus dans le filtrat.
8. La fusion à 151 °C, pour 152 °C dans les tables, montre que le produit est pratiquement
Écart de 1 °C, à la précision du banc Kofler : produit pratiquement pur.

Problème 4 · Du cyclohexanol au cyclohexène★★★Difficile

En présence d’acide phosphorique, le cyclohexanol perd une molécule d’eau : C₆H₁₂O → C₆H₁₀ + H₂O. On chauffe 10,0 mL de cyclohexanol (M = 100 g·mol⁻¹, ρ = 0,96 g·mL⁻¹, ébullition à 161 °C) avec l’acide phosphorique dans un montage de distillation fractionnée. Le cyclohexène C₆H₁₀ (M = 82 g·mol⁻¹, densité 0,81, ébullition à 83 °C, très peu soluble dans l’eau) distille avec de l’eau au fur et à mesure qu’il se forme ; la température en tête de colonne reste inférieure à 100 °C.
Le distillat forme deux phases. On le verse dans une ampoule à décanter, on lave la phase organique à l’eau salée, on la sèche avec du sulfate de magnésium anhydre et on filtre : on obtient 5,53 g de cyclohexène.

1. L’acide phosphorique, qui n’apparaît pas dans l’équation, est un
Il accélère la transformation sans être consommé : c’est un catalyseur.
2. Ici, la distillation sert à le cyclohexène du mélange réactionnel au fur et à mesure qu’il se forme.
Le cyclohexène (83 °C) quitte le ballon dès sa formation, le cyclohexanol (161 °C) y reste : la distillation sert à l’isoler.
3. Dans l’ampoule, la phase du dessus est la phase
Densité 0,81 < 1 : la phase organique (le cyclohexène) est au-dessus.
4. Quantité de cyclohexanol : mol
m = 0,96 × 10,0 = 9,60 g ; n = 9,60 ÷ 100 = 0,0960 mol.
5. Masse maximale de cyclohexène : ≈ g
Une mole donne une mole : m_max = 0,0960 × 82 ≈ 7,87 g.
6. Rendement : ≈ %
η ≈ 5,53 ÷ 7,87 ≈ 0,702, soit 70,2 %.
7. Pesé avant le séchage, le liquide faisait 6,10 g : rendement apparent ≈ %
6,10 ÷ 7,87 ≈ 0,775, soit 77,5 % : trop élevé, car l’eau restante était pesée avec le produit.
8. Le spectre IR du produit sec ne montre aucune bande large vers 3 300 cm⁻¹ : pas de liaison détectable, donc ni cyclohexanol ni eau.
Le cyclohexanol et l’eau possèdent des liaisons O–H, pas le cyclohexène : leur absence confirme un produit sec et sans alcool détectable.

Problème 5 · La benzocaïne, un anesthésique local★★★Difficile

La benzocaïne C₉H₁₁NO₂ (M = 165 g·mol⁻¹, fusion vers 90 °C), anesthésique local de pommades et de pastilles contre le mal de gorge, se fabrique à partir de l’acide 4-aminobenzoïque C₇H₇NO₂ (M = 137 g·mol⁻¹) et d’éthanol en excès :
C₇H₇NO₂ + C₂H₆O → C₉H₁₁NO₂ + H₂O
Protocole : ① chauffer à reflux 1 h 2,74 g d’acide 4-aminobenzoïque, 25 mL d’éthanol et 2 mL d’acide sulfurique ; ② refroidir, verser dans l’eau et neutraliser avec une solution de carbonate de sodium : la benzocaïne, peu soluble dans l’eau, précipite ; ③ filtrer sur Büchner et rincer à l’eau froide ; ④ recristalliser dans un mélange d’eau et d’éthanol ; ⑤ sécher, peser : 2,15 g. CCM du produit (P), de l’acide 4-aminobenzoïque (A) et de benzocaïne pure (B) ; le front de l’éluant est à 5,0 cm de la ligne de dépôt, la tache de A à 1,5 cm, celles de P et de B à 3,5 cm :

1. Dans ce protocole, l’éthanol est à la fois réactif et
Introduit en grand excès (25 mL), l’éthanol dissout aussi l’acide : réactif et solvant.
2. L’étape ④ est une étape de
La recristallisation retire des impuretés : purification.
3. Quantité d’acide 4-aminobenzoïque : mol
n = 2,74 ÷ 137 = 0,0200 mol.
4. Masse maximale de benzocaïne : g
L’éthanol est en excès : l’acide est limitant. m_max = 0,0200 × 165 = 3,30 g.
5. Rendement : ≈ %
η = 2,15 ÷ 3,30 ≈ 0,652, soit 65,2 %.
6. R_f de la benzocaïne :
3,5 ÷ 5,0 = 0,70.
7. Le produit P ne présente aucune tache de R_f égal à : il ne reste pas d’acide 4-aminobenzoïque détectable.
La tache de A est à 1,5 cm : R_f = 1,5 ÷ 5,0 = 0,30. P n’a qu’une tache, à la hauteur de B.
8. Un camarade pèse son produit avant séchage : 3,45 g. Son rendement apparent vaut ≈ %
3,45 ÷ 3,30 ≈ 1,045, soit 104,5 % : impossible, son produit est encore humide. Il doit le sécher, puis le repeser.

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