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TP7 - Synthèse du salicylate de méthyle

Synthèse du salicylate de méthyle à partir de l'acide acétylsalicylique (Aspirin) en deux étapes : Trans-estérification et estérification, en milieu acide. ...

Description

Laboratoire CHM 1979

TP7 – SYNTHÈSE DU SALICYLATE DE MÉTHYLE

Nom, prénom : Perrault-Lévesque, David Nom du coéquipier : Achille, Allahnah

Date de l’expérience : 10/10/16 Date d’échéance du rapport : 24/11/16

Groupe et jour : B, jeudi Numéro de la hotte : H25 Nom du démonstrateur : Guillaume Benoit

Densité(moyenne(du(salicylate(de(méthyle(:(0,0016(±(0,0006(𝑔/𝜇𝐿( ( Rendement(expérimental(:(91,4(%(

( 1. INTRODUCTION L’objectif de ce laboratoire est de synthétiser le salicylate de méthyle à partir de l’acide acétylsalicylique. Cette molécule est la composante majeure de l’huile pouvant être extraite du « wintergreen », une plante d’intérêt pour ses propriétés médicinales. (1)Pour ce faire, on chauffera à reflux une solution de méthanol acidifiée à l’acide sulfurique dans laquelle est dissous l’acide acétylsalicylique : par la suite, le produit sera isolé et caractérisé selon sa pureté et son rendement. (2) Le bilan réactionnel de cette synthèse organique peut être résumé par l’équation suivante : O OMe COOH

H2SO4 conc. + CH3OH OH

OCOMe

Tel mentionné précédemment, une chromatographie sur couche mince sera utilisée afin de déterminer la fin de cette réaction : l’acide salicylique, l’espèce intermédiaire, sera convertie en salicylate de méthyle et sa tache ne sera plus visible à la fin. Ainsi, pour passer de l’aspirine (l’acide acétylsalicylique) au salicylate de méthyle, il faut passer par deux réactions chimiques impliquant chacune des intermédiaires réactionnels. Dans un premier lieu, le milieu très acide de la réaction provoquera la catalyse de la trans-estérification de l’ester greffé à l’aspirine avec le méthanol. (2)En effet, comme on utilise un acide fort (𝐻& 𝑆𝑂) , pKa < 1) en grande quantité (17,6M), la vitesse de la réaction sera amplifiée de façon conséquente. (2)Suite à cette étape, l’acide salicylique synthétisé subira une estérification de Fischer avec le méthanol : cette dernière réaction se fera de façon plus lente que la première, toutefois. (2) (3)

1

( COOH COOH

H2SO4 conc.

O

+

+ CH3OH

OH OMe

OCOMe

La première réaction (trans-estérification) possède des réactifs et des produits ayant la même nature, soit un ester et un alcool (phénol) : c’est une réaction réversible, mais on peut déplacer l’équilibre vers les produits en exploitant le principe de Le Chatelier comme c’est le cas dans ce laboratoire. (4) En employant le méthanol comme un solvant-réactif, sa concentration est très élevée et force le déplacement de l’équilibre vers les produits. (4) (2) Enfin, tel mentionné précédemment, le bilan réactionnel est complété par l’estérification de l’acide salicylique, l’intermédiaire réactionnel créée par la première réaction : COOH

H2SO4 conc.

COOMe

+ CH3OH

+ H2O

OH

OH

Suite à l’obtention du produit final illustré ci-dessus, soit le salicylate de méthyle, il faudra l’isoler des autres constituants du mélange réactionnel. L’extraction à l’aide du dichlorométhane, un solvant organique, permettra de séparer une phase aqueuse à base de méthanol de la phase organique, contenant le salicylate de méthyle. (2) En effet, l’ajout d’eau au mélange permet de dissoudre le méthanol, mais pas le salicylate de méthyle : le méthanol ne sera donc plus en solubilisation avec le salicylate, qui sera désormais solubilisé dans le dichlorométhane. (2) (3) Cette phase sera ensuite ajoutée à une solution de bicarbonate de sodium : les traces

restantes

d’acide

sulfurique

seront

neutralisées

avec

les

ions

hydrogénocarbonate. (4) Suite à l’extraction, il pourrait y avoir des restes de phase aqueuse dans la phase organique et c’est pourquoi on séchera celle-ci sur sulfate de magnésium. (2) Celui-ci est un déssécant chimique ayant la propriété de former un sel hydraté en emprisonnant l’eau de la phase organique. (5) Enfin, la filtration

2

( de la phase organique pour retirer le sulfate de magnésium et l’évaporation du dichlorométhane complètera l’isolation. (2) La caractérisation du salicylate de méthyle se fait d’abord par le calcul du rendement :

%+𝑟𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 = +

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒+𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒+ (100) 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒+𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙𝑒+

Ensuite, afin d’examiner la pureté du salicylate synthétisé, trois critères seront retenus : le spectre RMN

=

H expérimental, le spectre infrarouge ainsi que la

densité expérimentale du produit : cette dernière peut être comparée à une donnée de référence. 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡é = +𝜌 = +

Le spectre RMN

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒+ 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

=

H , quant à lui, permet de calculer le pourcentage de pureté

molaire à l’aide du spectre expérimental et un de référence révélant le produit pur. Ainsi, le calcul doit nécessairement prendre en compte les mêmes données quant aux impuretés du mélange (2) : 𝑖𝑛𝑡é𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡+𝑝𝑢𝑟𝑖𝑓𝑖é 𝑖𝑛𝑡é𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 (100) %+𝑝𝑢𝑟𝑒𝑡é+𝑚𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 = + 𝑖𝑛𝑡é𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡+𝑝𝑢𝑟𝑖𝑓𝑖é 𝑖𝑛𝑡é𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒𝑡é + 𝑖𝑛𝑡é𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑛𝑡é𝑔𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛+𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 Enfin, le spectre infrarouge permettra, à la manière du spectre RMN =H, de révéler ou non s’il y a des impuretés dans l’échantillon : les pics n’étant pas associés aux groupements fonctionnels du salicylate de méthyle donneront un indice quant à la présence d’impuretés.

3

( 2. PRÉSENTATION ET DISCUSSION DES RÉSULTATS 2.1 Résultats et tableaux de lecture Tableau 1 : Identification des réactifs, catalyseurs et du produit principal ainsi que leur quantité théorique respective (2)

Acide

Masse

Quantité

Quantité

Nombre

molaire

(Volume ou

molaire

d’équivalents

g/mol

masse)

mmol

180,16

3,60 ± 0,01 g

19,98 ± 0,06

1

32,05

12,0 ± 0,5

297 ± 12

14,9 ± 0,6

mL

(Solvant-

acétylsalicylique Méthanol

réactif) Acide sulfurique

98,09

4,0 ± 0,1 mL

70 ± 2

concentré Salicylate

3,5 ± 0,1 (Catalyseur)

de

152,15

méthyle

3,040 ±

19,98 ± 0,06

1

0,009 g

Tableau 2 : Rendement du produit synthétisé (salicylate de méthyle) Masse théorique

Masse

Masse

expérimentale ballon vide

du Masse

Pourcentage

expérimentale de rendement

(Ballon + produit) g 3,04

± 0,01 g 234,96

± 0,01 g 232,18

± 0,01 g 2,78

± 0,4 % 91,4

4

(

Tableau 3 : Densités du produit final synthétisé Essai 1 Masse de salicylate de méthyle

Essai 2

Essai 3

0,1176

0,2367

0,9724

100

200

400

0,00118 ± 0,00005

0,001184 ±

± 0,0001 g Volume de salicylate de méthyle ± 1 𝜇𝐿 Densité du salicylate de méthyle 𝑔/𝜇𝐿 Densité moyenne

0,000001

0,002431 ± 0,000001

0,0016

𝑔/𝜇𝐿 Écart-type

0,0006

𝑔/𝜇𝐿 Densité de référence (6)

0,00117

𝑔/𝜇𝐿 Pourcentage d’écart

37

%

5

( 2.2 Discussion Tel mentionné dans l’introduction, la synthèse du produit final (le salicylate de méthyle) s’est effectuée en deux étapes en passant par un intermédiaire : l’acide salicylique. Il fallut donc effectuer, à priori, une transestérification de l’acide acétylsalicylique, suivi d’une estérification de Fischer de l’acide salicylique. (2) COOH COOH

H2SO4 conc.

O

+

+ CH3OH

OH OMe

OCOMe

COOH

H2SO4 conc.

COOMe

+ CH3OH OH

+ H 2O OH

Comme on peut le voir sur les schémas réactionnels de la page précédente, de l’acide sulfurique a été utilisé afin de mener à terme la réaction voulue. La quantité d’acide fut plutôt énorme, puisque comparativement au réactif limitant, l’acide acétylsalicylique, 3,5 équivalents furent ajoutés au mélange réactionnel. Il ne faut pas oublier que la concentration de l’acide employé (17,6M) amplifie cette quantité malgré un faible volume (4,0 mL). Le rôle de l’acide sulfurique est donc de catalyser l’ensemble du processus réactionnel en abaissant l’énergie d’activation de la réaction : autrement dit, ce n’est pas un réactif essentiel à l’estérification de l’acide acétylsalicylique, mais le milieu acide accélère considérablement le processus. (7) En augmentant sa concentration ou sa quantité, la vitesse de réaction augmente : c’est pourquoi il fallut seulement une heure pour compléter la synthèse du produit. (2) Par contre, l’acide sulfurique n’a aucun impact sur le rendement étant donné son unique rôle concernant la catalyse acide de la réaction. (7) (2) Lorsqu’on observe, encore une fois, les schémas réactionnels de la page précédente, on observe la présence de deux espèces secondaires produites : l’acétate de méthyle, issu de la transestérification, ainsi que l’eau, suite à l’estérification. En connaissant maintenant ces deux produits secondaires, il

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( serait donc possible d’améliorer le rendement de l’expérience en déplaçant l’équilibre vers les produits : en effet, tel expliqué dans l’introduction, l’équation bilan possède une nature réversible due à la transestérification. (3) Il est donc possible d’exploiter le principe de Le Chatelier. (7) Selon ce principe, l’équilibre se déplace vers les produits à condition qu’on abaisse la concentration d’un de ceuxci. (7) Des moyens peuvent ainsi être mis en place pour abaisser [𝐻& 𝑂] et [𝐶𝐻J 𝐶𝑂𝐶𝐻J ] : par le fait même, davantage de salicylate de méthyle sera synthétisé et le rendement sera augmenté. D’abord, on peut utiliser un déssécant chimique pendant le chauffage à reflux pour diminuer la quantité d’eau synthétisée dans le mélange réactionnel : c’est d’ailleurs le cas du sulfate de magnésium, utilisé pour sécher la phase organique dans ce laboratoire. L’équilibre sera ainsi déplacé vers la droite. Ensuite, pour ce qui est de l’acétate de méthyle, on doit utiliser une de ses propriétés physiques afin de diminuer sa présence dans le milieu réactionnel : sa température d’ébullition. En cherchant dans la littérature, celle-ci est environ de 58 °C, alors que le méthanol en possède une de

64,7 °C. (8) (9) Il est donc

possible d’évaporer le produit secondaire (l’acétate de méthyle) tout en conservant le méthanol. L’évaporation de ce constituant sans système à reflux ferait donc diminuer sa concentration et l’équilibre serait déplacé vers la droite selon Le Chatelier : le méthanol n’atteindrait pas sa température d’ébullition à 58 °C. (7) Contrairement au processus impliquant la baisse de [𝐻& 𝑂], il faut cette fois-ci jouer sur la température : cela a un impact sur la cinétique de la réaction, contrairement à la concentration des produits. (7) En effet, en augmentant la température, la vitesse augmente également. (7) Tant que la température d’ébullition du méthanol n’est pas atteinte, l’augmentation de la température favorisera les produits : puisqu’une réaction de synthèse comme celle impliquée dans ce laboratoire est endothermique, le système épuisera le surplus d’énergie thermique afin de créer des produits. (7) Par cette stratégie, il est certain que la volatilité du méthanol augmenterait,

cependant,

la

concentration

de

l’acide

acétylsalicylique

augmenterait aussi : par conséquent, cela compenserait le déséquilibre vers les réactifs en raison d’une baisse de la quantité de méthanol.

7

( Après avoir analysé comment exploiter le principe de Le Chatelier dans ce laboratoire, on peut maintenant se questionner sur l’utilité du bicarbonate de sodium dans la phase d’extraction avant de passer à l’analyse de la pureté et du rendement du salicylate de méthyle. Ce dernier servait en fait à effectuer une neutralisation avec les traces d’acide sulfurique encore présentes dans la phase organique après séparation. (3)Comme l’acide était très concentré dans cette expérience (17,6M), la neutralisation était impérative afin de retirer cette impureté. La formation de bulles (dégagement gazeux) était donc indirectement liée à cette réaction de neutralisation, par la dissociation de l’acide carbonique produit : H2O NaHCO3 HCO3- + H2SO 4 H2CO3

Na+ + HCO3H2CO3 + HSO 4CO2 + H2O

L’ensemble de ces réactions est donc possible en raison des traces d’eau encore présentes : ces étapes étaient préliminaires au séchage au sulfate de magnésium, tel qu’indiqué dans la partie expérimentale et l’introduction. L’avantage d’utiliser le bicarbonate de sodium réside dans le fait que les ions hydrogénocarbonate sont des bases faibles (7) : ils vont réagir avec le composé à neutraliser (l’acide sulfurique, fort) sans arracher des protons de l’espèce à isoler en phase organique, soit le salicylate de méthyle. (7) En effet, les carboxylates et les alcoolates sont des espèces ioniques solubles en phase aqueuse et il faudrait réacidifier la solution pour isoler le produit protoné désiré en phase organique. (7) C’est pourquoi le NaOH ne peut pas être utilisé aux fins de neutralisation dans ce cas : OH- est une base extrêmement forte en solution. (7) Enfin, la caractérisation du produit synthétisé, soit le salicylate de méthyle, se divise en deux points : le rendement et la pureté. Le premier point (le rendement) a d’ailleurs été abordé précédemment en discutant du principe de Le Chatelier. Au cours de ce laboratoire, le rendement s’élève donc à 91,4 ± 0,4 % (Tableau 2). Le protocole expérimental s’est donc révélé excellent, compte tenu de l’écart-type très 8

( minime venant donner de la crédibilité au pourcentage de rendement. Malgré un cycle de nombreuses extractions, lavages et séchages, on se rend compte que le rendement maximal (100%) n’est pas atteint. En effet, des sources d’erreur sont inévitables en multipliant ces manipulations. D’abord, la séparation de la phase aqueuse et organique à l’ampoule à décantation se fait subjectivement selon l’œil de l’expérimentateur. Ainsi, par crainte d’écouler la fin de la phase aqueuse avec la phase organique, il reste donc un peu de phase organique dans l’ampoule. Cela dit, cette phase renferme un peu de salicylate de méthyle. Ensuite, à l’étape du séchage, si celui-ci est incomplet, le produit final reste quelque peu hydraté : la masse d’eau s’ajoute à la masse de salicylate de méthyle, contribuant ainsi à fausser le rendement obtenu. Puis, au final, la multiplication des manipulations (4 extractions, un lavage, un filtrage, un séchage …) augmente fortement la probabilité de perdre des quantités de réactif (acide acétylsalicylique). En effet, puisque l’acide acétylsalicylique est limitant, les pertes qui lui sont reliées diminuent la quantité de produit final synthétisé. Ces pertes liées au rendement peuvent également s’expliquer via la chromatographie sur couche mince effectuée afin de suivre la cinétique de réaction. Si celle-ci n’est pas 100% complétée, il y a donc des pertes de produit. C’était probablement le cas dans cette expérience : en regardant la Figure 3, on peut s’apercevoir que la tache liée à l’intermédiaire réactionnel (l’acide salicylique) est encore présente dans la colonne « MR » (Rf = 0,20). Celle-ci était également présente dans les figures 1 et 2 : cependant, dans la figure 2, la tache rose (Rf = 0,20) associée à l’intermédiaire réactionnel avait diminué en terme de rayon, ce qui est en corrélation avec l’avancement de la réaction. Bref, si la réaction était complétée, une tache aurait visiblement disparu dans la colonne « MR » de la dernière CCM : ce n’était pas le cas et le rendement en a donc subi les conséquences. Quant à la pureté du salicylate de méthyle, on peut, en premier lieu, l’analyser selon sa masse volumique expérimentale (densité). La densité moyenne obtenue est donc de 0,0016 ± 0,0006 g/+𝜇𝐿 en comparaison d’une valeur de référence s’élevant à 0,00117 g/+𝜇𝐿 . (Tableau 3). D’après le pourcentage d’écart (37%), on

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( ne peut donc pas affirmer que la donnée se révèle exacte. Puisque la densité se révèle une mesure de pureté, le produit synthétisé se révèle impur au niveau de ce paramètre. Par contre, en jetant un œil aux trois essais constituant la moyenne, on se rend rapidement compte que l’essai 3 est aberrant face aux deux autres : la masse volumique double, ou presque. Le pourcentage d’écart obtenu (37%) s’explique donc plutôt par une erreur de manipulation et non un produit impur en raison de la donnée plutôt aberrante. Une balance non correctement tarée ou un prélèvement non exact du volume noté dans le cahier de laboratoire peut être à la source de cette erreur. D’ailleurs, le spectre RMN expérimental (Annexe 1) confirme cette hypothèse : aucun signal n’appartenant pas au salicylate de méthyle ne possède une intégration. Ceci dit, le spectre RMN révèle donc une pureté du produit synthétisé : il n’y a pas de signaux significatifs indiquant la présence d’impuretés. On peut également comparer ce spectre à celui de référence indiqué dans l’Annexe 3 pour confirmer la correspondance et l’exactitude des signaux. Cela dit, aucun pourcentage de pureté molaire ne peut être calculé en raison de l’absence d’intégration de pics ne provenant pas du salicylate de méthyle. Cependant, en comparaison avec le spectre de référence, on observe de petits pics dépourvus d’intégration sur le spectre expérimental : ils ne sont pas reliés au solvant deutéré, puisque le seul pic est présent aux environs de 7,26 ppm. (2) Ainsi, malgré l’absence de possibilité de calcul du pourcentage de pureté molaire, le spectre RMN ne peut garantir une pureté de 100% et possède une limite de détection. Cela dit, l’absence d’intégrations reliées aux impuretés indiquerait seulement une pureté supérieure à 95%. (10) Le spectre expérimental ne permet pas non plus d’identifier la nature des impuretés présentes en quantité minime, puisqu’elles ne sont pas connues dans le produit de départ (l’acide acétylsalicylique). Quelques pics reliés à des impuretés quelconques ne sont pas suffisants afin de faire une analyse spectrométrique complète de la structure d’un composé. Une dernière confirmation concernant la pureté du produit synthétisé concerne le spectre infrarouge. En comparant le spectre expérimental (Annexe 2) et le spectre de référence (Annexe 4), on s’aperçoit que de nombreuses fréquences d’élongation se correspondent, tel que la bande typique associée à un

10

( acide carboxylique (≈ 3200+𝑐𝑚O= ) ou à un groupement carbonyle(≈ 1700+𝑐𝑚O=). Toutefois, la spectroscopie infrarouge permet une analyse très vague de la structure d’une molécule et donc de la pureté : elle indique seulement les groupements fonctionnels. (11) Par contre, les bandes d’élongations entre 1000 𝑐𝑚O=et 1500 𝑐𝑚O= +sont difficiles à analyser en raison de leur superposition. Cela dit, même si les spectres IR correspondent, cela reste une méthode peu fiable pour analyser la pureté d’un produit organique synthétisé. Malgré une pureté déjà très élevée du produit synthétisé, il serait toutefois possible de tenter de l’augmenter encore. En utilisant la chromatographie sur colonne, on pourrait éliminer les impuretés ayant une différence de polarité avec le salicylate de méthyle : ceci dit, cette méthode serait efficace à condition que les impuretés aient un indice de polarité distinct.

+ 3. CONCLUSION En conclusion, l’objectif du laboratoire fut visiblement atteint. Le salicylate de méthyle a pu êtr...