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Synthèse d'espèces chimiques

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Introduction :

Mieux comprendre la composition de la matière permet aux scientifiques de faire la synthèse d’espèces chimiques naturelles et même d’en créer de nouvelles.

Dans un premier temps, nous définirons les différents types d’espèces chimiques existants.

Puis, dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à la synthèse chimique et nous verrons comment elle est mise en œuvre.

Enfin, nous aborderons la formulation des médicaments, qui utilise des espèces chimiques synthétisées, et nous nous intéresserons aux groupes d’atomes caractéristiques qui composent ces espèces chimiques.

Les différents types d’espèces

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Définition

Espèce chimique :

Une espèce chimique est un corps pur constitué d’atomes, d’ions ou de molécules.

Une espèce chimique est caractérisée par :

  • sa formule ;
  • son aspect physique à la température et à la pression ambiantes ;
  • ses grandeurs physiques.

Par aspect physique on désigne la couleur et la forme ou encore l’état de l’espèce chimique (liquide, solide ou gazeux).

Quand on parle des grandeurs physiques qui caractérisent une espèce chimique, il s’agit de sa solubilité, sa température de changement d’état, sa densité ou sa masse volumique.

Les espèces chimiques peuvent être classées en trois catégories.

  • Les espèces chimiques naturelles : ce sont les espèces présentes dans la nature. Ainsi, le sucre de table (saccharose) est une espèce chimique naturelle, que l’on peut extraire de la canne à sucre.
  • Les espèces chimiques de synthèse : elles sont copiées des espèces naturelles et fabriquées par l’homme. Le recours à des espèces chimiques de synthèse permet entre autres de préserver les espèces chimiques naturelles ou de réduire leur coût d’extraction. Ainsi, la vanilline est une espèce chimique de synthèse. Elle a été fabriquée en laboratoire pour copier l’espèce vanilline naturelle présente dans les gousses de vanille car la production de vanilline à partir de gousses de vanille coûte très cher.
  • Les espèces chimiques artificielles : elles n’existent pas dans la nature, elles ont été inventées et fabriquées par l’homme.

La synthèse chimique

Définition et étapes

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À retenir

La synthèse chimique consiste à fabriquer une espèce chimique à partir d’autres espèces chimiques.

La synthèse chimique suit une « recette » bien précise appelée protocole opératoire.

  • Les espèces chimiques nécessaires à la synthèse sont appelées les réactifs de la synthèse.
  • Les espèces chimiques obtenues lors de la synthèse sont appelées les produits de la synthèse.

Pour synthétiser une espèce chimique, on mélange les espèces chimiques dont on a besoin, ce qui forme le mélange réactionnel. On attend ensuite que la réaction se fasse.

À la fin de la réaction de synthèse chimique, le mélange réactionnel contient :

  • les réactifs, c’est-à-dire les espèces chimiques de départ qui vont réagir ensemble pour donner l’espèce chimique souhaitée ;
  • et les produits de la réaction qui se forment au fur et à mesure et qu’il faut séparer du reste du mélange à la fin de la réaction.

La synthèse chimique se réalise ainsi en trois étapes.

  • L’étape de transformation chimique : c’est la réaction entre plusieurs espèces chimiques en mélange pour donner l’espèce chimique souhaitée.
  • L’étape de traitement : c’est l’isolement, la séparation de l'espèce chimique synthétisée du reste du mélange. En effet, la transformation chimique conduit à plusieurs produits de synthèse, dont l’espèce chimique souhaitée.
  • L’étape d’identification : elle consiste à vérifier que l'espèce chimique synthétisée est bien celle souhaitée et qu’elle est bien pure.

Catalyseur et chauffage

Beaucoup de réactions chimiques ont lieu naturellement mais sont très lentes. En laboratoire, on utilise donc un catalyseur pour rendre ces réactions plus rapides.

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Définition

Catalyseur :

Un catalyseur est une espèce chimique qui permet d’accélérer une réaction.

Il faut ensuite séparer le catalyseur de l’espèce que l’on cherche à obtenir.

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Astuce

Certaines réactions chimiques de synthèse peuvent avoir lieu à froid ou à température ambiante, mais la plupart nécessitent un chauffage. Lorsqu’ils chauffent un mélange, les chimistes y introduisent souvent de la pierre ponce pour réguler l'ébullition. La pierre ponce permet de réduire la taille des bulles de gaz lors de l’ébullition.

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À retenir

Le chauffage permet la plupart du temps d'accélérer la réaction chimique. Néanmoins, chauffer un liquide provoque une évaporation, et donc potentiellement une perte de matière des espèces chimiques dissoutes. Pour éviter cela, on utilise un montage à reflux avec un réfrigérant.

Montage à reflux Montage à reflux

  • On place un mélange réactionnel dans un ballon que l’on chauffe à l’aide d’un chauffe-ballon. Pour hausser l’expérience à hauteur d’œil, on peut utiliser un support élévateur. Une potence, sur le côté, permet de tenir le ballon bien droit et de fixer par dessus un réfrigérant à boules, lequel comporte une entrée et une sortie d’eau.
  • Le réfrigérant est constitué de deux tubes imbriqués l’un dans l’autre. Le tube intérieur est celui où passent les vapeurs du mélange que l’on chauffe. Le tube extérieur est creux ; on peut le laisser rempli d’air, mais le plus souvent, on y fait circuler de l’eau qui entre par le haut du tube et ressort par le bas.
  • Cette circulation d’eau refroidit le tube intérieur. Cela permet de condenser les vapeurs provoquées par le chauffage et de les renvoyer à l’état liquide, dans le mélange réactionnel. C’est pour cela que l’on parle de montage à reflux.

Sur ce montage, le réfrigérant utilisé est un réfrigérant à boules, mais il existe aussi :

  • le réfrigérant droit, aussi appelé réfrigérant Liebig ;
  • le réfrigérant à serpentins.

Différents modèles de réfrigérants Différents modèles de réfrigérants

Formulation d’une espèce chimique

Principes de la formulation d’un médicament

L’une des applications de la synthèse chimique est la fabrication de médicaments. Un médicament est constitué d’un principe actif et de plusieurs excipients.

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Définition

Principe actif :

Le principe actif est l’espèce chimique qui a des propriétés thérapeutiques et qui permet donc de guérir. Il est principalement obtenu par synthèse chimique.

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Définition

Excipient :

L’excipient est une espèce chimique qui est mélangée au principe actif pour que celui-ci soit mieux absorbé et toléré par l’organisme, et donc plus efficace.

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À retenir

La formulation d’un médicament établit le mélange des différentes espèces qui le composent de façon à ce que la prise du médicament soit facile. Ainsi, le médicament peut se présenter sous forme de gélule, de comprimé effervescent ou de liquide.

Lorsqu’un principe actif est découvert par les chercheurs, ceux-ci déposent un brevet qui leur donne l’exclusivité de leur découverte pendant dix ans.

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À retenir

Le médicament d’origine est appelé princeps.

Une fois que le brevet passe dans le domaine public, une copie du principe actif peut être réalisée :

  • on appelle cette copie le médicament générique. Les médicaments génériques sont de plus en plus nombreux.
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À retenir

Le princeps et le médicament générique contiennent le même principe actif mais avec une formulation différente.

Généralement, les principes actifs des médicaments sont constitués de molécules organiques. La réactivité et l’efficacité de ces molécules organiques sont dues à la présence de groupes caractéristiques formés par des ensembles d'atomes.

Groupes caractéristiques

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À retenir

Les molécules organiques sont constituées de chaines plus ou moins longues d'atomes de carbone liés à des atomes d'hydrogène.

Les groupes caractéristiques sont formés quand d’autres atomes que l’hydrogène se lient aux atomes de carbone. Chaque groupe caractéristique permet de définir une famille de composés chimiques.

  • La famille des alcools regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé hydroxyle $OH$. Un atome d’oxygène $O$ établit deux liaisons covalentes simples, l’une avec un atome de carbone $C$ (non indiqué sur le schéma) et l’autre avec un atome d’hydrogène $H$.
  • La famille des aldéhydes regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé carbonyle $COH$. Un atome de carbone $C$ établit une liaison double covalente avec un atome d’oxygène $O$ et deux liaisons covalentes simples, l’une avec un atome d’hydrogène $H$ et l’autre avec un atome de carbone (non indiqué sur le schéma ci-dessous).
  • La famille des cétones regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé carbonyle $CO$. Un atome de carbone $C$ établit une liaison covalente double avec un atome d’oxygène $O$ et deux liaisons covalentes simples avec deux autres atomes de carbone $C$ (atomes non indiqués sur le schéma ci-dessous).
  • La famille des acides carboxyliques regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé carboxyle $COOH$. Un atome de carbone $C$ établit une liaison covalente double avec un atome d’oxygène $O$ et deux liaisons covalentes simples, l’une avec un groupe hydroxyle $OH$, l’autre avec un atome de carbone $C$ ou un atome d’hydrogène (non indiqués sur le schéma ci-dessous).
  • La famille des esters regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé carboxyle $COOR$. Le groupe carboxyle des esters se distingue de celui des acides carboxyliques uniquement par la présence d’un atome de carbone $C$ (présent dans la chaine carbonée notée $R$) à la place de l’atome d’hydrogène $H$.
  • La famille des amines regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé amine. Un atome azote $N$ établit trois liaisons covalentes simples, soit 2 liaisons avec 2 atomes d’hydrogène $H$ et 1 liaison avec 1 atome de carbone $C$, soit 1 liaison avec 1 atome d’hydrogène $H$ et 2 liaisons avec 2 atomes de carbone $C$, soit 3 liaisons avec 3 atomes de carbone $C$ (les atomes de carbone $C$ ne sont pas indiqués sur le schéma ci-dessous).
  • La famille des amides regroupe les composés contenant un groupe caractéristique nommé amide $NCO$. Un atome de carbone $C$ établit une liaison covalente double avec un atome d’oxygène $O$ et deux liaisons covalentes simples, l’une avec un atome d’azote $N$ et l’autre avec un atome de carbone $C$ (atome non indiqué sur le schéma ci-dessous).

Tableau des groupes caractéristiques en chimie 2nde