\documentclass[10pt,a4paper]{article}

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\usepackage{ulem}
\title{LC01 - Séparation, purification, contrôle de pureté}
\renewcommand{\deg}{\si{\degree}}
\date{\today}

\begin{document}

\titre{Aurélien Goerlinger}{Yohann Faure}{}{}

\subsection*{Niveau : Lycée}


\subsection*{Bibliographie}

\begin{tabular}{@{\livre}p{0.48\linewidth} @{\  \ }p{0.48\linewidth}}
\textit{} La leçon de 2017 \textbf{} &  \\ 
\textit{} Wikipedia \textbf{} & \\
\textit{} \url{https://youtu.be/3wKTiLfnSNs} & \\
\end{tabular}

\begin{minipage}[t]{0.48\linewidth}

\subsection*{Prérequis}
\begin{itemize}[label=\ding{226}]
 \item nomenclature
 \item états de la matière
 \item solubilité
 \item sécurité au laboratoire
 \item spectroscopie
 \item espèce chimique
 \item Evaporateur rotatif
\end{itemize}

\end{minipage}
\begin{minipage}[t]{0.48\linewidth}

\subsection*{Expériences}
	\begin{itemize}[label=\Coffeecup]
%Phase liquide
	\item Extraction de l'huile essentielle de clou de girofle par hydrodistillation
	\item Extraction liquide$^2$
	\item Purification à l'évaporateur rotatif
%Phase solide
	\item Paracétamol : Banc Kofler
	\item Recristalisation
	\item Filtration
	\end{itemize}
\end{minipage}

\tableofcontents

\newpage
\setlength{\parskip}{1em}

\section*{Introduction}
Avoir un produit de synthèse pur, c'est important. En effet, en médecine, il faut administrer la bonne dose et la bonne molécule, ce qui est compromis si le produit n'est pas pur. Par exemple, le paracétamol, médicament le plus consommé au monde, est comme nous allons le voir plus tard synthétisé à partir d'une molécule qui est CMR (cancérigène, reprotoxique et mutagène), et nocive pour l'environnement, le 4-aminophénol.

Nous allons au cours de cette leçon étudier les méthodes de séparation, qui visent à transformer un mélange de substances en deux ou plusieurs composants distincts, dans le but de purifier une substance chimique d'intérêt, et nous allons étudier les méthodes de vérification du bon fonctionnement de la purification : les contrôles de pureté.


On s'adresse à une terminale STL, sachant que la distillation et la décantation sont au programme de seconde.




\vspace{0.2cm}
\textbf{Allumer le banc Kofler avant de commencer la leçon.}
\vspace{0.2cm}

\section{Cas d'un liquide : l'eugénol}

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=.3\textwidth]{fig/eugenol.png}
    \caption{La molécule d'eugénol (2-méthoxy-4-(2-propènyl)-phénol).}
    \label{fig:eugenol}
\end{figure}

[ceci est abordable en SECONDE GÉNÉRALE]

Dans de nombreuses synthèses, on se retrouve avec un produit de réaction dissout dans un solvant, qui serait à l'état liquide s'il était pur. Je souhaite isoler ce produit, en dépensant le moins d'énergie possible bien sûr.

Ici la situation initiale est la suivante. On extrait l'huile essentielle de clou de girofle, l'eugénol, utilisé entre autres comme un antidouleur en dentisterie, par hydrodistillation selon le protocole suivant (fait en préparation) :


\prepa{Hydrodistilation de l'eugénol}{Le pdf TP-eugénol}{30 minutes passives}
{
\textbf{matériel :}
\begin{itemize}
    \item 10g de girofle
    \item mortier
    \item ballon bicol de 250ml
    \item chauffe ballon
    \item colonne de distillation
    \item 100mL d'eau
\end{itemize}

Bien que l’eugénol présente un point d’ébullition élevé (253\si{\degree}C) et soit
insoluble dans l’eau, il forme avec ce dernier un « azéotrope » distillant à une
température voisine de 100\si{\degree}C.

On vaporise, on obtient une émulsion, que l'on peut ensuite traiter.
}

Le résultat est un mélange eau-eugénol émulsifié, donc que l'on ne peut pas simplement traiter par décantation, dont on veut extraire l'eugénol.



\subsection{Relargage et extraction par solvant}

Le but de cette étape est d'extraire le produit de l'eau au maximum. C'est une molécule peu polaire, organique, donc on va privilégier les solvants organiques. Il est peu soluble dans l'eau donc on a déjà deux phases, on veut que la phase organique contienne \textbf{autant de produit} que possible, et soit dans un solvant \textbf{aussi peu dangereux que possible}. Idéalement on veut solubiliser dans un solvant qui soit utilisable ou éliminable.

Le solvant doit :
\begin{itemize}
    \item être non miscible avec le solvant initial (eau).
    \item solubiliser d’avantage l’eugénol.
    \item être le moins toxique possible.
    \item avoir une basse température d’ébullition, soit être volatil (cf après).
\end{itemize}

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=\textwidth]{fig/proprietesolub.png}
    \caption{Propriétés de quelques solvants usuels vis à vis de l'eugénol}
    \label{fig:solub}
\end{figure}

Il est intéressant de remarquer que saler l'eau peut aider à relarguer l'eugénol, c'est à dire à le faire quitter la phase aqueuse. C'est d'ailleurs comme ça qu'on récupère traditionnellement l'eugénol, en salant le distillat, cependant on peut faire mieux !


On voit en effet que le solvant le plus adapté à solubiliser l'eugénol est le cyclohéxane. Il est très peu miscible avec l'eau (car totalement apolaire et de densité très différente), et solubilise très bien l'eugénol (mieux que l'eau). De plus, il a une température d'ébullition beaucoup plus faible que l'eugénol, ce qui permettra plus tard de l'éliminer.


\important{Ici, on fait une \textbf{extraction} car le produit d'intérêt change de phase. Si ce sont les impuretés que l'on veut faire changer de phase, on aurait appelé cette opération un \textit{lavage}.}

\experience{Extraction liquide-liquide}{Le pdf TP-eugénol}{3 minutes}
{
\textbf{matériel :}
\begin{itemize}
    \item ampoule à décanter
    \item 10mL de cyclo
    \item du sel
\end{itemize}

On verse dans l’ampoule à décanter le contenu de l’erlenmeyer ainsi que 10 mL environ de cyclohexane.

On agite au moins pendant deux minutes en maintenant le bouchon et sans oublier de lâcher de temps à autre l’éventuelle surpression : le dégazage se fait robinet en l’air vers la vitre de protection !

Le cyclohexane a une densité de 0,780. La phase aqueuse est donc la plus dense ici : il faut la soutirer d’abord avant de récupérer la phase organique qui est la moins dense (garder la phase
aqueuse dans un becher).

(Ajouter du sel au mélange permet un relargage)


Pour s'assurer d'avoir bien identifié les phases organique et aqueuse, on peut utiliser la technique de la goutte d'eau : on fait tomber une goutte d'eau distillée dans l'ampoule à décanter et on regarde dans quelle phase la goutte est tombée.

Sécher la phase organique avec du MgSO$_4$ anhydre.
}

On se retrouve avec de l'eugénol solubilisé dans du cyclohéxane.



\subsection{Évaporation du solvant}

À l'évaporateur rotatif, présent dans le programme de terminale STL, on évapore le solvant, et seulement le solvant, ce qui est possible car il a une température d'ébullition plus basse que le produit d'intérêt.

\url{http://culturesciences.chimie.ens.fr/utilisation-de-l%C3%A9vaporateur-rotatif}

\manip{On met le ballon contenant l’eugénol et le solvant sur l’évaporateur rotatif et on allume l’arrivée d’eau permettant la recondensation des vapeurs de solvant, coulant alors dans le ballon de récupération.

On lance alors le dispositif de rotation et enfin la pompe pour faire le vide. En fin de manipulation, on pense à remettre doucement le système à pression atmosphérique.

Ici le solvant est du cyclohexane dont la température d’ébullition à pression atmosphérique est de 80\deg C. Chauffer à une quarantaine de degrés est alors suffisant en descendant la pression à 10 mmHg.}

On évalue la masse d'Eugénol récupérée, et on montre qu'on a bien extrait plus que si on avait pas utiliser le cyclo.


\subsection{Contrôle de pureté par CCM}

Pour évaluer la pureté du produit final, il est intéressant de procéder à une chromatographie sur couche mince. Le principe est que le liquide, mobile, va monter dans le solide, phase fixe, et en fonction de l'affinité des composants du liquide avec le solide (ici de la silice), ces derniers montent plus ou moins haut sur la plaque. La ligne sur laquelle on dépose les composés analysés est la ligne de base, et on définit le \textbf{rapport frontal} d'un composé comme étant le rapport entre la distance ligne de base - tâche du composé et la distance ligne de base - front de solvant (ligne à laquelle l'éluant s'est arrêté de monter).

Ainsi, cette méthode permet de déterminer si un produit est pur, mais pas forcément de déterminer si c'est le bon produit. Ici on est plutôt certain de ce que l'on récupère, donc on peut s'en servir sans remords.

On fait une CCM du résultat avec comparaison au produit pur, sous une lampe à UV, avec du cyclohexane comme éluant.

On peut aussi regarder par rapport au rapport frontal tabulé, mais cela sort du programme de terminale.



\subsection*{Conclusion}

On a une pureté relative, qu'il faudrait évaluer plus finement, mais si tout se passe bien, elle est assez bonne, et les "déchets" ne sont gère plus dangereux que ce que l'on trouve dans un bouillon de légume contenant des clous de girofle. Pour s'assurer de manière plus fine de sa pureté, on peut penser à des méthodes de spectroscopie RMN et IR.

Le rendement est cependant difficile à évaluer, car on ne sait pas combien d'eugénol il y avait initialement dans le distillat. On pourrait simuler une extraction-purification en faisant nous même le mélange eau-eugénol, à partir d'une quantité connue. C'est pédagogiquement moins intéressant, mais ça permet d'évaluer le rendement du procéder, et de l'extrapoler aux cas réels.

\transition{Et si on a un solide ?}

\section{Cas d'un solide : le paracétamol}

Le paracétamol est une molécule que nous rencontrons assez souvent dans notre vie puisqu'il s'agit du principe actif d'une grande partie de médicaments luttant contre la fièvre et les douleurs bénignes (maux de tête, maux de dent, etc.). On comprend donc assez facilement que sa synthèse doit faire l'objet d'un procédé rigoureux en terme de contrôle de pureté : il faut en effet savoir ce qu'on fait avaler au patient et en connaître les effets sur sa santé, et ensuite il faut garder en tête les enjeux économiques de la synthèse.

On a fait la synthèse du paracétamol (fichier TP-paracetamol), à partir du para-aminophénol et d'anhydride éthanoïque.

On obtient un solide blanc, mais un des réactifs est également un solide blanc, on veux donc vérifier qu'on a bien le produit recherché, surtout que l'un des réactifs est CMR.

\subsection{Test de pureté : le banc Kofler}

Le but de cette partie est de montrer que le résultat n'est pas pur.

On explique comment marche le banc (gradient de température), et \textbf{on l'allume en avance}.

Le produit pur fond à 169\deg C.

\prepa{Kofler}{}{5 minutes}
{
\begin{itemize}
    \item On réalise l’expérience avec le produit de référence, ce qui constitue l’étalonnage.
    \item On essuie le banc Kofler avec un morceau de coton ou du papier sec (et suffisamment épais pour ne pas se brûler) pour en retirer les résidus du produit précédemment utilisé, avant d’y placer l’échantillon à analyser.
    
    Attention, on ne \textbf{lavera pas} à l’éthanol entre les deux utilisations le banc sous peine de le refroidir localement et donc de devoir attendre qu’il atteigne de nouveau l’équilibre thermique.
    \item Une fois le point de fusion du produit brut obtenu, on essuie le banc Kofler, cette fois, avec un bout de coton ou un papier imbibé d’éthanol.
\end{itemize}
}

Ainsi on voit que le produit n'est pas pur ! Il faut donc le purifier, et pour cela on va utiliser une recristallisation.

\subsection{Purification par recristallisation}

Un produit, en se solidifiant, emprisonne en général des impuretés dans son édifice cristallin. Dans le but de les éliminer, on va jouer sur le fait que le produit d’intérêt et les impuretés ont des propriétés de solubilité différentes dans un solvant donné. Il faut s’arranger pour que les impuretés se trouvent solubilisées en milieu liquide pendant que le solide cristallise lentement. On utilise pour cela un solvant de recristallisation dans lequel on va dissoudre le solide à purifier.

\textbf{Ce solvant ne doit pas dissoudre le solide à froid}, sinon on le perd. Par contre, expérimentalement, on constate en général que la solubilité d’une espèce dans un solvant donné croît lorsque la température croît. On va se servir de cette propriété et on va donc chauffer le solvant par un dispositif à reflux pour dissoudre le solide et ses impuretés, ce qui va disperser les impuretés dans le solvant.

Si on veut que la recristallisation soit efficace, il faut que \textbf{le solvant solubilise aussi les impuretés à froid}. Ainsi, en laissant la solution refroidir, le composé d’intérêt va recristalliser mais pas les impuretés qui resteront en solution.

Par ailleurs il faut que cette cristallisation soit \textbf{lente} pour éviter au maximum d’emprisonner de nouveau des impuretés, c’est pourquoi on laisse en général le milieu refroidir à l’air libre, sans utiliser de bain de glace.


Il faut noter que le produit d’intérêt est toujours un peu soluble, même à froid, dans le solvant utilisé. C’est
pourquoi on perd toujours du produit d’intérêt lors de l’étape de filtration qui suit la recristallisation. C’est la raison
pour laquelle on doit toujours \textbf{utiliser le moins de solvant possible} et que toute étape de recristallisation doit se justifier
par un contrôle préalable de la pureté du composé cible.




\prepa{Recristallisation du paracétamol}{}{10 minutes}
{
\begin{itemize}
    \item On effectue la recristallisation du paracétamol avec de l’eau (environ 25 mL pour 0.85g de produit brut), ce qui permet de retirer les impuretés ainsi que les restes de para-aminophénol. Le but est d'être à saturation à chaud, donc on utilise une ampoule de coulée isobare.
    \item On pense à retirer l’agitateur magnétique une fois tout le solide solubilisé à chaud pour éviter qu’il recristallise dessus et donc de perdre du produit.
    \item Si jamais la recristallisation est trop lente, on peut triturer le ballon et en dernier recours le plonger dans la glace, mais on risque d’emprisonner quelques impuretś de nouveau.
    \item garder un peu de produit initial pour la comparaison d'aspect.
\end{itemize}

}

L'aspect est déjà un peu différent, puisque la poudre auparavant grisatre est maintenant très blanche. Elle est cependant mouillée, et ça c'est pas cool.

\subsection{Essorage sur büchner}

\experience{Buchner}{}{3 minutes}{

Effectuer un \textbf{essorage} sur filtre Büchner, avec très peu de solvant (eau) si possible, afin de limiter les pertes.

}

AVEC LE SOLVANT DE RECRISTALLISATION, donc de l'eau, et sans en mettre trop, sinon le solide se redissout.

\important{Faire la différence entre un essorage et séchage, où on veut récupérer le solide (sec), et une filtration où on veut récupérer le liquide.}



\subsection{Retour au banc}

Et paf ça marche !!

On peut également calculer le rendement, en sachant que 2,75 g = 25,2 mmol au maximum, et on a $M_\text{paracétamol} = 151.163$ g/mol.

Ainsi on a une évaluation du rendement, ce qui est fondamental en synthèse industrielle.


\section{Étude spectroscopique}

Est-ce qu'on la rajoute ? En ouverture ? Cadre théorique ?



\section*{Conclusion}

La séparation et la purification sont des étapes de transition indispensables entre la synthèse d'un produit et l'évaluation de son rendement, puisqu'on ne peut en effet pas évaluer le rendement d'un produit impur. Les techniques sont diverses mais la logique qu'elles suivent est toujours plus ou moins la même : exploiter les différences de propriétés entre l'espèce recherchée et ses impuretés/solvants. Les exemples que nous avons vu ici sont généralisables, et se retrouveront tout au long de l'année au cours des tp, puisque chaque synthèse peut (et devrait) inclure une purification (ou du moins un contrôle de pureté).

Les procédés développés ici sont réutilisables et généralisables, y compris à des processus hors chimie organique, comme par exemple la métallurgie, science des diagrammes binaires, qui relève plus du cours de classes préparatoires.

Idée de manipulation introductive/fil rouge : ampoule a décanter et diode, c'est super visuel et ça montre ce que l'on veut.

\end{document}

