Stratégies de synthèse organique

Exercice 1 : Synthèse de l'ibuprofène (14 points)

L'ibuprofène est un médicament anti-inflammatoire non stéroïdien couramment utilisé. Sa synthèse a été optimisée au fil des années pour être plus respectueuse de l'environnement. On s'intéresse ici au procédé BHC, développé dans les années 1980, qui ne comporte que trois étapes.

Le réactif de départ est l'isobutylbenzène. Le schéma de synthèse est le suivant :

Étape 1 : L'isobutylbenzène réagit avec l'anhydride acétique $((CH_3CO)_2O)$ en présence d'un catalyseur pour former un composé A.

$\text{Isobutylbenzène} + (CH_3CO)_2O \xrightarrow{\text{catalyseur}} \text{Composé A}$

Étape 2 : Le composé A subit une réaction d'hydrogénation catalytique en présence de dihydrogène $(H_2)$ pour former un composé B.

$\text{Composé A} + H_2 \xrightarrow{\text{catalyseur}} \text{Composé B}$

Étape 3 : Le composé B réagit avec du monoxyde de carbone $(CO)$ en présence d'un autre catalyseur pour former l'ibuprofène.

$\text{Composé B} + CO \xrightarrow{\text{catalyseur}} \text{Ibuprofène}$

Voici les formules topologiques des espèces chimiques impliquées :

Données :

• Masses molaires (en g/mol) : M(C) = 12.0 ; M(H) = 1.0 ; M(O) = 16.0

• L'isobutylbenzène est un liquide de masse volumique $\rho = 0.853 \text{ g/mL}$.

Partie A : Étude de la séquence réactionnelle (8 points)

1. Identifier la famille fonctionnelle de chacun des composés suivants : composé A, composé B et ibuprofène. (1.5 points)

2. L'étape 2 est une réaction de réduction. Justifier cette affirmation en analysant la modification subie par le groupe caractéristique du composé A. (1.5 points)

3. L'étape 1 est généralement réalisée en utilisant un montage de chauffage à reflux.

a. Schématiser et légender un montage de chauffage à reflux. (1 point)

b. Quel est l'intérêt de ce type de montage en synthèse organique ? (1 point)

4. La protection de fonction est une stratégie parfois nécessaire en synthèse organique.

a. Rappeler brièvement le principe d'une étape de protection de fonction. (1 point)

b. Dans cette synthèse, aucune étape de protection n'est nécessaire. Expliquer pourquoi la réaction de l'étape 1 ne modifie que le cycle benzénique et pas la chaîne isobutyle. (2 points)

Partie B : Optimisation de la synthèse (6 points)

On réalise cette synthèse au laboratoire. On part d'un volume $V_0 = 50.0 \text{ mL}$ d'isobutylbenzène. Après les trois étapes et la purification, on obtient une masse $m_{exp} = 65.8 \text{ g}$ d'ibuprofène pur.

1. Calculer la masse molaire de l'isobutylbenzène $(C_{10}H_{14})$ et de l'ibuprofène $(C_{13}H_{18}O_2)$. (1.5 points)

2. Déterminer la quantité de matière initiale $n_0$ d'isobutylbenzène. (1.5 points)

3. En supposant que l'isobutylbenzène est le réactif limitant pour la synthèse globale, calculer la masse maximale d'ibuprofène $m_{max}$ que l'on pourrait théoriquement obtenir. (1.5 points)

4. Calculer le rendement global $\eta$ de cette synthèse. (1.5 points)

Exercice 2 : Chimie verte et analyse de procédé (6 points)

Le premier procédé industriel de synthèse de l'ibuprofène, développé par la société Boots, comprenait 6 étapes et avait une économie d'atomes très faible (environ 40%). Cela signifie que 60% de la masse des réactifs utilisés se retrouvaient sous forme de sous-produits, souvent inutiles et polluants.

Le procédé BHC (étudié dans l'exercice 1) ne comporte que 3 étapes et son économie d'atomes atteint près de 80%. Il est considéré comme une avancée majeure en chimie verte.

1. Citer deux des douze principes de la chimie verte que le procédé BHC semble respecter mieux que le procédé Boots. Justifier brièvement pour chacun. (2 points)

2. L'utilisation de catalyseurs est l'un des piliers de la chimie verte.

a. Quel est le rôle général d'un catalyseur dans une transformation chimique ? (1 point)

b. Le procédé BHC utilise plusieurs catalyseurs (HF, Nickel de Raney, Palladium). Expliquer en quoi leur utilisation intensive contribue à rendre la synthèse plus "verte" par rapport à des réactions qui utiliseraient des réactifs stœchiométriques. (2 points)

3. Proposer une action qui pourrait être mise en place en fin de synthèse pour améliorer encore le bilan environnemental du procédé BHC, en particulier concernant l'utilisation de solvants. (1 point)