Les techniques expérimentales en chimie organique

Vous trouverez dans l’article ci-dessous les principales techniques utilisées en chimie organique avec le montage et l’utilité de chacune :

Les techniques expérimentales de chimie organique

Bien évidemment ce n’est pas complet mais c’est un début pour ceux qui commencent dans le chimie organique :

Ampoule à brome :

L’ampoule à brome (aussi appelé ampoule de coulée) est un instrument de laboratoire en verre utilisé pour verser un réactif au goutte-à-goutte.

En effet si la réaction est très rapide et exothermique et que l’on mélange les deux réactifs trop rapidement, la réaction peut s’emballer, provoquer un fort dégagement de chaleur, voire une explosion.

Le robinet de l’ampoule à brome permet de régler précisément la vitesse d’écoulement du réactif. La partie en verre très fine, sous le robinet, permet aussi de ralentir (par capillarité) la chute du liquide.

Le robinet de l’ampoule à décanter est situé au bas de l’ampoule, alors que le robinet de l’ampoule à brome est situé assez haut.

Filtration :

Si le produit précipite au sein du milieu réactionnel, une simple filtration permet de le séparer. En général, on utilise des filtres à disque fritté en verre et un dispositif de filtration sous pression réduite.

Attention à ne pas laver le produit avec un liquide dans lequel il est soluble !!

Principe de la recristallisation :

Cette technique repose sur la différence de solubilité, dans un solvant donné, entre le produit pur et ses impuretés.

Il faut choisir un solvant (ou un mélange de solvants) dans lequel :

– le produit et les impuretés sont solubles à chaud.

à froid, le produit peu soluble précipite alors que les impuretés restent en solution.

3 étapes :

* filtration sur entonnoir à plaque frittée                                                                            *lavage par de petites quantités du solvant de cristallisation, de préférence glacé                      *essorage complet ouis séchage à l’étuve

Hydrolyse :

L’hydrolyse d’une substance est sa décomposition par l’eau grâce aux ions H+ et OH- provenant de la dissociation de l’eau. Par exemple, l’hydrolyse du saccharose donne du glucose et du fructose, ou encore, l’hydrolyse d’un ester donnera un alcool et un acide.

L’hydrolyse est moins connue que sa réaction inverse : l’estérification qui est bien plus intéressante d’un point de vue industriel (production d’ester) alors que l’hydrolyse ne produit que des acides et des alcools.

Pour des substances organiques telles que les protéines, une hydrolyse équivaut à la coupure des liaisons peptidiques entre les différents acides aminés qui les constituent. Les acides aminés sont coupés par les enzymes.

On a R1-COO-R2 + H2O ↔ R2-OH (alcool) + R1-COOH (acide).

L’hydrolyse d’un ester par de l’eau est une réaction lente et limitée. En effet, il se forme des produits qui sont des acides et des alcools, qui eux-mêmes réagissent ensemble dans le milieu réactionnel pour former à leur tour de l’ester et de l’eau. Le taux de conversion d’une hydrolyse d’ester lors de l’introduction des réactifs en quantités stoechiométriques est de l’ordre de 33% quand il forme un alcool primaire, 40% pour un secondaire et 95% pour un tertiaire. Un excès d’eau déplace logiquement cet équilibre vers la formation de l’alcool.

Entraînement à la vapeur :

L’entraînement à la vapeur d’eau ou hydro distillation est l’un des procédés d’extraction ou de séparation de certaines substances organiques les plus anciens, apporté par les Arabes au IXe siècle. Cette opération s’accomplit dans un alambic. La méthode est basée sur l’existence d’un azéotrope de température d’ébullition inférieure aux points d’ébullition des deux composés purs pris séparément.                                                                                                                                                                              Le but est d’entraîner avec la vapeur d’eau les constituants volatils des produits bruts. La vapeur détruit la structure des cellules végétales, libère les molécules contenues et entraîne les plus volatiles en les séparant du substrat cellulosique. La vapeur, chargée de l’essence de la matière première distillée, se condense dans le serpentin de l’alambic avant d’être récupérée dans un essencier (vase de décantation pour les huiles essentielles). Les parties insolubles dans l’eau de condensation sont décantées pour donner l’huile surnageante. On recueille alors un mélange de composition défini de ces deux produits.
L’entraînement à la vapeur est applicable aux composés peu ou pas solubles dans l’eau, dotés d’une tension de vapeur assez importante vers les 100°C. Toutes les matières premières aromatiques naturelles ne peuvent pas donner de l’huile essentielle par ce procédé. L’avantage de cette technique réside en l’abaissement de la température de distillation ; les composés sont donc entraînés à des températures beaucoup plus basses que leur température d’ébullition, ce qui évite leur décomposition

Schéma de l'alambic

Schéma d’un alambic

Réfrigérants et colonne :

Le réfrigérant à eau sert à condenser des vapeurs dans les montages de distillation. Un courant d’eau froide circule autour du conduit des vapeurs chaudes. Ces vapeurs se refroidissent alors et se condensent dans le tube. Les gouttes qui se forment, coulent par gravité vers la sortie du réfrigérant et sont récupérées dans un erlenmeyer ou un becher.

La colonne de Vigreux est utilisée dans le montage à distillation fractionnée. Son rôle est de purifier les vapeurs du liquide le plus volatil qui le traverse.
Le réfrigérant à boules est utilisé dans le montage à reflux et permet de recondenser toutes les vapeurs qui se forment lors du chauffage du milieu réactionnel pour n’avoir aucune perte.

Tube de garde à CaCl2 :

Le tube de garde contenant du chlorure de calcium anhydre sert à empêcher l’humidité de l’air de pénétrer dans un montage d’où l’eau doit être exclue – par exemple un montage de Grignard destiné à préparer un organomagnésien dans de l’éther anhydre. Le chlorure de calcium anhydre réagit très rapidement avec l’eau pour former des hydrates solides – dihydrate, tétrahydrate et hexahydrate.

Point de fusion :

Pour tous les corps purs, il existe une température à laquelle il y a coexistence et équilibre entre une phase solide et une phase liquide. Cette température, indépendante de la pression, est appelée point de fusion de la substance. La présence d’impuretés entraînant un abaissement du point de fusion, celui-ci peut donc être un critère de pureté.

Mesure : L’appareil est en fait un four, programmable en température et vitesse de chauffe, muni d’un dispositif permettant l’observation des échantillons. Ceux-ci sont des tubes capillaires contenants le produit étudié.

Evaporateur rotatif :

Si un produit se trouve en solution à la fin de la réaction ou après une extraction, on peut le séparer simplement en évaporant le solvant.

Afin d’éviter une distillation et par là même pour gagner du temps, on utilise un évaporateur rotatif fonctionnant sous pression réduite.

Cet appareil comprend un ballon de vaporisation entraîné par un moteur électrique. Les vapeurs de solvant sont aspirées par une trompe à eau et condensées dans un réfrigérant.

La rotation du ballon évaporateur, dans un bain-marie thermostaté, augmente considérablement la surface d’évaporation ; de plus ; grâce au brassage constant du liquide, on évite la formation de mousse et il ne se produit pas de surchauffe locale dans la solution en cours d’évaporation.

Schéma évaporateur rotatif

Réfractométrie :

La réfractométrie est le domaine concernant la mesure de l’indice de réfraction.

L’indice de réfraction d’une substance est mesuré à l’aide d’un réfractomètre.                                 Le principe de la mesure repose sur la détermination de l’angle limite de réfraction entre deux milieux, l’un d’indice connu et très élevé (Prisme de Flint), l’autre d’indice inconnu du liquide étudié.                                                                                                                                  L’appareil fournit une lecture directe de l’indice relatif à la raie D du sodium, mais on peut opérer à la lumière naturelle ou d’un lampe ordinaire.

Comme critère de pureté pour les produits liquides, on utilise l’indice de réfraction, dont la mesure est rapide et précise.

C.C.M. :

Cette technique analytique est basée sur les différences d’affinité présentées pour des molécules vis-à-vis de phases solides telles que la silice ou l’alumine. Suivant leurs structures, ces molécules pourrons (on non) former avec la phase solide des liaisons non covalentes (liaison hydrogène, électrostatiques, de Van der Waals, etc.) plus ou moins fortes. Ainsi, dans un mélange, certains constituants seront fortement adsorbés sur la phase solide, alors que d’autres le seront moins ou pas du tout.

On effectue, sur une plaque recouverte d’une couche mince de phase solide pulvérulente, un dépôt du mélange ou de produit à analyser (généralement en solution), sous forme d’une tache presque ponctuelle. La plaque est plongée par son bord inférieur dans un solvant (éluant) qui va monter par capillarité dans la phase solide (phase stationnaire). Les composés à forte affinité pour le solide vont donc être peu entraînés par l’éluant, alors que ceux qui ont une faible affinité migreront plus loin.

Après élution, les taches correspondantes aux différents constituants du mélange analysé sont révélées en général par fluorescence U.V.

Un produit pur sera ainsi caractérisé par la présence d’une tache unique en CCM et ce, quel que soit l’éluant utilisé.

Un constituant du mélange peut être identifié avec un échantillon authentique par mesure rapport frontal (Rf) dont la définition est la suivante :

Rf = Distance parcourue par le composé/distance parcourue par le solvant

Séparation de phases :

Lorsque le mélange à séparer est composé de plusieurs phases non miscibles (mélange hétérogène), on réalise la séparation dans une ampoule à décanter. La phase supérieure a une densité inférieure à celle de la phase inférieure

On peut améliorer l’efficacité de cette séparation par certains protocoles :

Le relargage :             Il s’agit d’ajouter à la phase aqueuse un composé ionique en grande quantité (chlorure de sodium par exemple). Les molécules d’eau sont alors principalement liées aux ions introduits à cause de leur polarité. Le composé organique peu miscible est alors « chassé » de la phase aqueuse et se retrouve dans la phase organique. D’autre part si un composé ionique se trouve en petite quantité dans la phase organique, l’augmentation des composés ioniques dans l’eau favorise sa solubilité dans la phase aqueuse. On obtient ainsi une séparation plus nette entre les composés ioniques ou fortement polarisés et les composés organiques peu ou pas polarisés.

Lavage par une solution d’hydrogénocarbonate de sodium :          En rajoutant une solution saturée d’hydrogénocarbonate de sodium on peut éliminer du mélange ou de la phase organique après une première décantation l’acide organique AH pouvant encore s’y trouver.

HA + Na+ + HCO3       H2O + CO2 + A + Na+

Les produits de cette réaction sont soit gazeux (ATTENTION au dégazage), soit ioniques et donc plus facilement miscibles dans la phase aqueuse.

En combinant les deux pratiques par des relargages et lavages successifs on parvient à isoler correctement les composés organiques non miscibles à l’eau.

Le séchage :

On améliore encore la purification en rajoutant en fin de décantation une substance anhydre telle le chlorure de calcium ou le sulfate de magnésium qui vont fixer les molécules d’eau encore présentes dans la phase organique.

Ampoule à décanter

Spectroscopie infrarouge :

La spectroscopie infrarouge est idéale pour confirmer la présence de groupements fonctionnels. L’absorption de radiations électromagnétiques par une molécule induit :

  • une transition d’était de spin nucléaire s’il s’agit d’une onde radio => spectroscopie RMN
  • une transition électronique s’il s’agit de visible ou d’ultra violet => spectroscopie d’absorption UV- visible
  • une transition vibrationnelle s’il s’agit de radiations infrarouge => spectroscopie infrarouge

Les radiations infrarouges de fréquences (nombre d’onde) comprises entre 4000 et 400 cm-1  sont absorbées par une molécule en temps qu’énergie de vibration moléculaire. Ces absorptions sont quantifiées ; la fréquence d’oscillation dépend des masses des atomes et de la force du lien. Seules les vibrations impliquant une variation du moment dipolaire de la molécule s’observent en infrarouge.  La vibration de liens polarisés donnera lieu à des bandes intenses, alors que les bandes de liens non polarisés seront peu ou pas visibles.

Les groupes d’atomes où au moins deux atomes sont identiques ont deux modes d’élongation et deux modes de déformation angulaire i.e. symétrique et asymétrique.

Les déformations angulaires peuvent être dans la plan ou hors du plan.

Solvant d’une réaction :

A éliminer après une réaction, en général en utilisant l’évaporateur rotatif.

 

Eau acidulée/ neutralisation acide ou base :

Liquide très conducteur de maniement très aisé et qui se prête bien à des expériences d’analogies hydrauliques.    pH : 4 ou 5

 

Distillation :

 

Distillation simple :

La distillation est une méthode de séparation basée sur la différence de température d’ébullition des différents liquides qui composent un mélange. Dans certains cas, mieux qu’une séparation, il s’agit d’une méthode de purification.

Si on chauffe un mélange de liquides, c’est le liquide le plus volatil, celui qui a la température d’ébullition (Téb) la plus basse qui s’échappera le premier. Pour recueillir les vapeurs de ce produit, il faut le condenser. Ceci est fait par un réfrigérant à eau.

Schéma de la distillation

1. source de chaleur (ici, un brûleur Bunsen)
2. ballon à distiller
3. tête de distillation
4. thermomètre
5. réfrigérant à eau
6. entrée d’eau de refroidissement
7. sortie d’eau de refroidissement
8. ballon de réception des gouttes de distillat
9. vers une pompe à vide éventuelle
10. adaptateur pour la pompe à vide 

Distillation sous vide :

Si avant de commencer le chauffage, on fait le vide dans l’ensemble de l’appareillage ci dessus, en mettant le tout en communication avec une trompe à vide,on peux enlever une bonne partie de l’air qui se trouve dans l’installation. La distillation se produira à une température beaucoup plus basse qu’en présence d’air. Cela permettra de distiller à basse température. C’est une installation compliquée, mais utile pour distiller des liquides qui ne supporteraient pas une température élevée.

Distillation fractionnée :

Une distillation consiste à séparer deux ou plusieurs corps dont les températures d’ébullition sont différentes. Si les températures sont très différentes, on utilisera un montage de distillation simple (voir plus haut) alors que si les températures sont proches, on utilisera un montage de distillation fractionnée avec une colonne de Vigreux. Lors d’une distillation, comme pour tout chauffage d’un liquide, il convient d’ajouter au mélange quelques grains de pierre ponce afin d’éviter la formation de « points chauds » et donc de mieux répartir le chauffage dans tout le mélange.

On utilise une colonne de Vigreux qui permet par condensation successive des différents composants une séparation plus précise des différents corps présents. En effet, la température diminuant le long de la colonne, les différents composants se condensent à des hauteurs différentes.
Schéma distillation fractionnée

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.