Synthèse de la benzoïne.
Bac S Centres étrangers 2017 .

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La benzoïne est une molécule utilisée dans de nombreux domaines de l’industrie chimique, en pharmacologie et cosmétique par exemple.
Le but de cet exercice est d’étudier trois protocoles de synthèse de la benzoïne à partir du benzaldéhyde et de les comparer, au regard de la chimie verte.
L’équation de la réaction de synthèse est représentée ci-dessous.
1. Les molécules intervenant dans la synthèse.
Recopier l’équation de la réaction de synthèse.
Entourer les groupes caractéristiques du réactif et du produit, puis nommer les fonctions correspondantes.



2. La méthode ZININ 1839
La méthode ZININ est l’une des premières méthodes de synthèse de la benzoïne à partir du benzaldéhyde, utilisant les ions cyanure comme catalyseurs.
Protocole de la synthèse :
Travailler sous une hotte aspirante.
Porter constamment une paire de gants de protection.
Récupérer les déchets dans un récipient de stockage approprié.
1. Dans un ballon à fond rond de 250 mL équipé d'un réfrigérant, introduire environ 20 mL d'éthanol, 15,0 mL de benzaldéhyde et 15,0 mL d'une solution aqueuse à 10% en cyanure de potassium.
2. Chauffer à reflux durant 30 minutes.
3.  Refroidir le ballon et son contenu dans un mélange (eau + glace + sel) : la benzoïne cristallise.
4. Filtrer sur filtre Büchner.
5. Laver le résidu solide avec 50 mL d'eau distillée glacée.
6. Essorer et sécher à l'étuve réglée à 100 ° C penda nt 20 minutes.
7. Recristalliser le produit brut dans l'éthanol.
8. Filtrer sur filtre Büchner.
9. Essorer et sécher à l'étuve réglée à 100 ° C duran t 20 minutes.
10. Mesurer la température de fusion et la masse de benzoïne solide obtenue.
Résultats : Tfusion = 137 ° C
mobtenue = 7,81 g
2.1. Analyse du protocole de synthèse.
2.1.1. Justifier les mesures de sécurité préconisées.
L'éthanol et le benzaldehyde sont nocifs et irritants : utiliser des gants et travailler sous hotte aspirante.
Le cyanure de potassium est toxique et dangereux pour l'environnement. Ce catalyseur est régénéré en fin de réaction : récupérer les déchets dans un récipient approprié.
2.1.2. Dans un protocole de synthèse apparaissent quatre étapes :
synthèse – séparation – purification – identification.
Repérer ces différentes étapes successives dans les opérations du protocole de synthèse de la benzoïne.
Synthèse : 1. 2.
Séparation : 3. 4.
Purification : 5. à 9..
Identification : 10..
2.1.3. Justifier le choix de la température de l’étuve.
Le produit formé ne doit pas fondre.
Les traces d'eau et d'éthanoldoivent s'évaporer.
....

.....
2.2. Rendement de la synthèse.
2.2.1. Montrer que la masse maximale mthéorique de benzoïne que l’on peut former à l’issue de la synthèse vaut : mthéorique = 15,6 g.
Quantité de matière de benzaldehyde :
n =volume (mL)  fois masse volumique (g/mL) / masse molaire (g/mol)
n=15,0 x1,04 / 106=0,14717 mol.
Quantité de matière théorique de benzoïne ; 0,5 n =0,07358 mol.
Masse théorique de benzoïne mthéorique = 0,07358 x M( benzoïne) = 0,07358 x212=15,6 g.
2.2.2. Définir, puis calculer le rendement de la synthèse réalisée au laboratoire.
Rendement = mobtenue / mthéorique = 7,81 / 15,6 = 0,501 ( 50,1 %).

Utilisation du four à micro-onde pour la synthèse.
Ronald Breslow a découvert en 1950 que l’on pouvait remplacer, dans la synthèse de la benzoïne, les ions cyanure par la thiamine (vitamine B1) comme catalyseur en milieu basique.
À partir de 1980, le chauffage au four à micro-ondes a remplacé le chauffage à reflux dans cette synthèse.
Dans un four à micro-ondes domestique, un magnétron (générateur de micro-ondes) émet des ondes électromagnétiques d’hyperfréquences (f = 2,45 GHz) canalisées dans un guide d’ondes pour arriver au-dessus du plateau tournant. Ces ondes sont ensuite dispersées par réflexions multiples sur les parois.
L’interaction entre les ondes électromagnétiques et les molécules du milieu réactionnel peut être modélisée par l’absorption par les molécules de photons associés aux ondes électromagnétiques. Selon l’énergie du photon absorbé, l’effet diffère, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.
Energie du photon absorbé
Nature de la transition
mise en jeu
Effet sur les molécules
1,5 eV à 10 eV
Transition entre niveaux
d’énergie électronique
Les électrons changent
de niveaux, la molécule
peut s’ioniser.
0,003 eV à 1,5 eV
Transition entre niveaux
d’énergie vibrationnelle
Les liaisons de la
molécule vibrent selon
différents modes
1 x 10-6 eV à 0,003 eV
Transition entre niveaux
d’énergie rotationnelle
La molécule tourne sur
elle même

Quel est l’effet produit sur les molécules du milieu réactionnel par les ondes électromagnétiques émises dans le four à micro-ondes ? Un calcul est attendu
Energie des photons E = h n =6,63 10-34 x 2,45 x109 = 1,624 10-24 J
1,624 10-24 / (1,602 10-19) =1,01 10-5 eV.
La molécule tourne sur elle même.




4. Comparaison des différents protocoles
Le tableau suivant récapitule différents protocoles de synthèse ramenés à une
quantité équivalente de benzaldéhyde de départ.

Année du
Protocole
Substances chimiques
Chauffage
Masse de
benzoïne
obtenue
1839
Benzaldéhyde 15 mL
Ion cyanure
Éthanol + eau (solvant)
à reflux
durée = 30 min
puissance = 250 W
7,8 g
1950
Benzaldéhyde 15 mL
Thiamine (milieu basique)
Éthanol + eau (solvant)
à reflux
durée = 90 min
puissance = 100 W
7,4 g
1980
Benzaldéhyde 15 mL
Thiamine (milieu basique)
Éthanol + eau (solvant)
au four micro-onde
durée = 7 min
puissance = 600 W
9,0 g










En quoi l’évolution du protocole de cette synthèse va-t-il dans le sens de la chimie verte ?
La réponse devra comporter un argument environnemental et un argument énergétique.
Le cyanure de potassium ets toxique et dangereux pour l'environnement.
En utilisant la thiamine à la place du cyanure de potassium, la synthèse est plus respectueuse de l'environnement ; de plus elle n'utilise pas de catalyseur toxique.
Aspect énergétique : puissance  (W) fois durée (heure)= énergie ( Wh).
1839 : 250 x0,5 = 125 Wh.
1950 : 100 x1,5 = 150 Wh.
1980 : 600 x7 /60 = 70 Wh.
La synthèse utilisant un micro-ondes est plus économe en énergie ; de plus le rendement est meilleur.

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