corrigé des exercices précédents

EDD4 : Activité
CHIMIE VERTE et synthèse de l'ibuprofène
Correction
Partie 1 : Les douze principes de la chimie verte
PARTIE 2 :
UN EXEMPLE DE CHIMIE VERTE : LA SYNTHÈSE DE L’IBUPROFÈNE
1. Première partie : description de l’ibuprofène
1.1. L’ibuprofène contient le groupe caractéristique carboxyle COOH qui correspond à la
fonction chimique acide carboxylique.
1.2. La carbone n°2 est lié à 4 groupes d’atomes différents, il s’agit d’un atome de carbone
asymétrique.
1.3. Les molécules R et S sont images l’une de l’autre dans un miroir plan et sont non
superposables : ce sont des molécules énantiomères.
2. Deuxième partie : analyse des voies de synthèse
2.1. Le nickel et le palladium sont des catalyseurs. Ils permettent de réduire la durée de
réaction.
2.2. L’étape 1 des procédés Boots et BHC est une substitution (H par COCH3).
2.3. Lors de l’étape 5, il se produit une réaction d’élimination (d’eau).
2.4. Masse molaire de tous les réactifs :
∑M réactifs = 12×20 + 1× 42+16×10 +1×23 +35,5 +14= 514,5 g/mol
Masse molaire du produit désiré (ibuprofène):Mibu = 206,0 g/mol
UA = M ibu ÷ ∑M réactifs = 206 ÷ 514,5 = 0,400 soit 40%
2.5. Procédé BHC
Etape 1: C10H14 + C4H6O3 → C12H16O + CH3OOH
Etape 2: C12H16O + H2 →C12H18O
Etape 3:
C12H18O + CO → C13H8O2
Somme des 3 équations : C10H14 + C4H6O3 + H2 + CO → C13H8O2 + CH3OOH
1/5
Masse molaire de tous les réactifs :
∑M réactifs = 12×15 +1× 22+16×4 = 266 g/mol
Masse molaire du produit désiré (ibuprofène):Mibu = 206,0 g/mol
UA = Mibu ÷ ∑ M réactifs = 206 ÷ 266 = 0,774 soit 77,4 %
2.6. Le procédé BHC a un % UA plus élevé , il permet une minimisation plus importante
de la quantité de déchets.
2.7.a.
M(produit désiré) M( produit désiré)
masse de tous les déchets et des sous produits
=
et UA=
E=
masse se produit désiré
M
(produit
i)
∑
∑ M (réactif j)
masse de tous les déchets et des sous produits = M réactifs – M produits .
M réactifs − M produit
M
− M produit
M réactifs
1− UA
Donc E = réactifs
=
=
M produit
M produit
UA
M réactifs
2.7.b. E1 = (1 – 0,40 )÷ 0,40 = 0,60 ÷ 0,40 = 1,5
E2 = (1 – 0,774)÷ 0,774 = 0,226 ÷ 0,774 = 0,292
2.8. Procédé Boots : UA' = Mibu ÷ ∑ M réactifs = 13000 ÷ ( 20 000 + 13 000 ) = 0,394 ≈ 0,40
E1' = (1 – 0,394 )÷ 0,394 = 0,606 ÷ 0,394 = 1,54 ≈ 1,5
Procédé BHC : UA2' = Mibu ÷ ∑ M réactifs = 13000 ÷ ( 4 000 + 13 000 ) = 0,765 ≈ 0,774
E2' = (1 – 0,765 )÷ 0,765 = 0,235 ÷ 0,765 = 0,307 ≈ 0,292
Autre avantage : on produit 4000t de sous produits valorisés par leur utilisation dans les
peintures .
Principe de la chimie verte: - 2: Economie d'atomes car UA plus proche de 1
- 8: réduction de la quantité de produits dérivés .
3. Troisième partie : titrage d’un comprimé
d’ibuprofène
burette contenant
la soude à cB = 0,20
mol.L−1
3.1. Schéma du montage d’un titrage pH-métrique :
becher contenant
40 mL d’eau +
ibuprofène
Agitateur
magnétique
7.00
2/5
pH mètr
e
3.2. À l’équivalence, il y a changement de réactif limitant.
3.3.1. Lors du titrage, on ajoute une base dans une solution acide, dès lors le pH augmente. La
courbe 1 représente pH = f(Vb).
pH
Lorsque le pH augmente fortement alors ddV
est maximale, ce qui est visible sur la courbe 2
b
sous forme d’un pic.
3.3.2. La méthode des tangentes permet de trouver un volume équivalent VE = 9,7 mL.
La dérivée passe par un extrémum (ici un maximum) à l’équivalence, la courbe 2 permet de
confirmer le résultat.
3.4. L’anion hydroxyde appartient au couple acide/base : H2 O / HO –.
3.5. L’équation de la réaction support du titrage est : R– COOH + HO – → R–COO – + H2O.
3.6. Pour être utilisée lors d’un titrage, une réaction chimique doit être rapide et totale.
3.7. Domaine de prédominance :
R–COO–
R–COOH
pH
pKA = 4,5
La courbe 1 montre qu’en début du titrage, pH < 3 donc inférieur au pKA donc l’acide RCOOH
prédomine sur RCOO–.
3.8. pH = – log [H3O+]
Or Ke = [H3O+] . [HO–] et [HO–] = Cb donc [H 3 O + ]=
Ke
Cb
Ke
1
=−log K e −log
=−log K e + log C b
Cb
Cb
pH = – log 1,0×10–14 + log 0,20 = 13
Cette solution est très basique, il convient de la manipuler avec des lunettes de protection et une
blouse.
Ainsi
pH =−log
3.9. Quantité de matière d’ions hydroxyde nE(HO–) versée à l’équivalence :
nE(HO–) = Cb.VE
nE(HO–) = 0,20 ×9,7×10–3 = 1,9×10–3 mol
Quantité de matière ni(ibu) d’ibuprofène titré :
d’après l’équation support du titrage ni(ibu) = nE(HO–)
ni(ibu) = 1,9×10–3 mol
3.10. masse m d’ibuprofène titré m = ni(ibu) . M(C13H18O2)
m = 1,94×10–3 × 206 = 0,40 g
Ce résultat est en accord avec l’indication « ibuprofène 400 mg » (= 0,400 g).
3.11.
√
2
2
U vol
C
U(m)
= (
) +( Cb ) donc
m
VE
Cb
√
2
2
√
2
2
U vol
C Cb
0,16
0,010
U(m)= m × (
) +(
) =0,40× (
) +(
) =0,021 g soit U(m) = 0,03 g
VE
Cb
9,7
0,20
on obtient : m = 0,40 ± 0,03 g
3.12.La zone de virage de l’indicateur coloré doit comprendre le pH à l’équivalence.
La méthode des tangentes montre que celui-ci vaut 8,5, ainsi seule la phénolphtaléine convient.
3/5
Partie 3 :
Une voie de valorisation possible pour le dioxyde de carbone
Questions préalables
1. Limitation de l'utilisation des combustibles fossiles et éviter la déforestation.
Piègage du CO2 dans le sous-sol profond.
Valorisation du dioxyde de carbone industriel.
2.Bilan pour une heure de production :
Fabrication de 4 m3 de dihydrogène : 80,0 MJ.
Capturer et stocker 1,0 m3 de dioxyde de carbone industriel : 8,0 MJ.
Réaliser l'hydrogénation de 1,0 m3 de CO2 suivant la réaction de Sabatier : 7,0 MJ.
Total : 95 MJ dépensés.
Energie récupérée par la combustion de 1 m3 de méthane : 33,0 MJ.
Le bilan est négatif de : 95-33 =62 MJ.
Quels sont les enjeux environnementaux et l’intérêt énergétique de la valorisation du
dioxyde de carbone ?
Le CO2 est un des gaz contribuant à l'effet de serre. Le dioxyde de carbone joue un rôle majeur
sur le climat de la terre.
L'augmentation de la demande énergétique ne permet pas actuellement de s'affranchir des
énergies fossiles. L'effet des activités humaines sur le réchauffement climatique général de la
terre est étudié depuis une vingtaine d'années. L'impact de l'émission de CO2 sur l'acidification
des milieux marins est beaucoup moins étudié. L'apport massif de CO2 dans les océans entraine
une diminution du pH des eaux : les coraux blanchissent, la coquille des organismes marins va
devenir plus fine et plus fragile.
Les techniques visant à réduire les émissions de CO2 concernent les sources concentrées
( centrales thermiques, sidérurgie, cimenteries). D'autres techniques visent à améliorer
l'efficacité énergétique des procédés.
La valorisation du dioxyde de carbone permet sa transformation et rapporte de l'argent ; le
stockage géologique n'élimine pas le CO2 et coûte cher.
Sans transformation le dioxyde de carbone est utilisé en tant que solvant et réfrigérant.
En réagissant avec une autre espèce chimique, le dioxyde de carbone conduit à un produit à
valeur énergétique plus grande que le CO2.
Par la photosynthèse les algues conduisent à des produits de grand intérêt.
4/5
Valorisation du CO2 : voie physique
Valorisation du CO2 : voie biologique
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