synthèse - chimie.

synthèse - chimie. 1 PRÉSENTATION synthèse, élaboration artificielle de molécules, généralement complexes, en partant de matière première organique ou inorganique de structure simple, en une ou plusieurs étapes. Il est possible de synthétiser des composés organiques, inorganiques, organométalliques et de coordination (complexes). De nombreuses molécules existant dans la nature font l'objet d'une synthèse en laboratoire, puis souvent à l'échelle industrielle dans un but commercial. On compte actuellement plus de 10 millions de composés organiques obtenus par voie de synthèse (voir chimie macromoléculaire). 2 HISTORIQUE Pour créer artificiellement de nouveaux produits, il faut être capable de contrôler toutes les étapes de la synthèse. Cela n'est possible qu'en analysant les différents intermédiaires obtenus à chaque étape. Ces opérations, en apparence antagonistes, se développent en même temps dès le début du XIXe siècle. Sans leur développement simultané, toute synthèse aurait été impossible à réaliser. Par la démarche d'analyse, qui consiste souvent à détruire un composé synthétisé pour en connaître les fragments plus petits et ainsi les éléments simples qui le constituent, les chimistes découvrent les propriétés particulières des différentes molécules synthétisées ; mais il leur reste à découvrir comment faire varier les paramètres de réaction pour augmenter les rendements ou la pureté des nouvelles molécules. C'est le début de la rationalisation de la chimie et de l'accumulation des connaissances qui fait la qualité des chimistes de la fin du espèces simples conduit à la définition des éléments chimiques et l'évolution de cette définition aboutit à l'élaboration du tableau périodique de Mendeleïev au milieu du XIXe XIXe et du XXe siècle. La connaissance pratique des siècle, qui illustre la périodicité des propriétés physico-chimiques des éléments. Les premières synthèses de composés inorganiques sont difficiles à dater avec précision et remontent à l'Antiquité et au Moyen Âge avec les alchimistes. En 1828, Friedrich Wöhler démontre -- en synthétisant l'urée (H 2N--CO--NH2) à partir de cyanate de plomb (Pb(OCN)2), d'eau (H2O) et d'ammoniac (NH3) -- qu'il est possible de créer artificiellement un produit organique en partant de produits inorganiques plus simples. De plus, cette synthèse est la preuve que des produits organiques peuvent être fabriqués artificiellement, donc autrement que par des organismes vivants et en obéissant à d'autres lois que celles qui régissent le monde du vivant. Dès lors, la synthèse devient la voie par excellence de production de nouvelles molécules plus ou moins complexes en partant d'unités simples. Après cette première synthèse de Wöhler, des produits nouveaux sont élaborés en laboratoire (acide acétique en 1845, éthane en 1849, acide cinnamique en 1856, colorants azoïques vers 1870, etc.), puis à l'échelle industrielle dès qu'ils présentent un intérêt économique. La saccharine est ainsi synthétisée en 1879 par deux chimistes de l'université Johns Hopkins de Baltimore (États-Unis), Ira Remsem et Constantin Fahlberg, qui découvrent fortuitement son pouvoir sucrant (environ 300 fois plus élevé que celui du saccharose) lors de leurs études sur les dérivés du toluène. La synthèse industrielle, puis la commercialisation de la saccharine est rapidement mise en oeuvre après cette découverte et sa production annuelle augmente progressivement jusqu'à atteindre environ 40 000 tonnes au début du XXIe siècle. En synthèse inorganique, les problèmes qui se posent sont essentiellement d'ordre technique. En synthèse organique, outre les problèmes techniques de plus en plus complexes qui apparaissent au fur et à mesure que les synthèses se compliquent (synthèses multiétapes), des problèmes de principe interviennent également. Avant les travaux de Marcelin Berthelot en synthèse organique (1855), les chimistes étaient persuadés que les synthèses de produits organiques, à partir de composés simples organiques ou de minéraux, obéissaient à la doctrine de la « force vitale « propre aux êtres vivants et indispensable à l'élaboration d'un être vivant et, par conséquence, à la fabrication de molécules organiques. En effet, avant la synthèse de l'urée par Wöhler, les molécules organiques étaient uniquement extraites de plantes ou d'animaux. Dans ce contexte, la synthèse organique se voit attribuer un rôle majeur, celui de fabriquer des produits naturels pour vérifier les structures et les lois fondamentales de la chimie naissante. En réalisant des synthèses systématiques, Berthelot montre qu'une molécule organique complexe ne s'obtient pas d'un seul coup mais pas à pas, par des réactions successives relativement faciles à contrôler. Actuellement, la plupart des synthèses sont multi-étapes, mais toute synthèse organique n'implique pas obligatoirement un processus multi-étapes. Vers la moitié du XIXe siècle, le terme de synthèse est presque exclusivement réservé à l'élaboration de molécules organiques complexes par agrandissement du squelette carboné à partir de molécules organiques simples (création de liaisons carbone- carbone). Actuellement, la définition est plus floue : synthétiser une molécule organique ne suppose pas d'agrandir nécessairement le squelette carboné. Les réactions d'oxydoréduction ou de dégradation par coupures de liaisons chimiques, entre autres, font également partie de l'arsenal des techniques de synthèse. 3 MÉTHODOLOGIE DE SYNTHÈSE 3.1 Histoire de la synthèse de l'aspirine L'histoire de la synthèse de l'aspirine (ou acide acétylsalicylique) permet de bien comprendre comment procèdent les chimistes pour imaginer et réaliser la synthèse d'une nouvelle molécule. L'aspirine, substance totalement artificielle, est synthétisée en 1897 par le chimiste allemand Félix Hoffmann de la société Bayer. La molécule fait l'objet un brevet en 1899 sous le nom commercial « Aspirin «. Il aura fallu près de 70 ans de recherches pour mettre au point une méthode de synthèse suffisamment simple en vue d'une production industrielle. La découverte du principe actif, la salicine, par extraction de l'écorce de saule, a en effet lieu en 1825. L'analyse de la salicine en 1829 et l'expérimentation médicale montrent que le principe actif est l'acide salicylique, qui présente des propriétés analgésiques (qui soulagent la douleur) et antipyrétiques (qui font baisser la fièvre). Les chimistes ont donc deux possibilités : transformer la salicine et en extraire l'acide salicylique -- mais ils sont limités par la source naturelle de salicine, l'écorce de saule -- ou bien synthétiser l'acide salicylique artificiellement en cherchant une autre matière première. La découverte de la structure et de la réactivité de l'acide salicylique, ainsi que la découverte de la réactivité de composés organiques pouvant être choisis comme matière première de cette synthèse apporte la solution. C'est en 1859 qu'est synthétisé l'acide salicylique en partant du phénol, moins cher que la salicine car plus facile à obtenir à partir du benzène. On s'affranchit ainsi des limites imposées par l'extraction d'un composé naturel, dont la teneur dans l'écorce de saule est de toute façon faible. Le passage à l'acide acétylsalicylique se fera ultérieurement, en affinant les recherches sur les propriétés thérapeutiques des substances voisines de l'acide salicylique. Cet exemple illustre ainsi l'évolution et l'intérêt majeur de la synthèse organique. 3.2 La symbiose synthèse-analyse chimique Pour synthétiser un composé, il faut connaître à la fois la structure des différents produits entrant dans sa synthèse et la réactivité de tous ses composés. La détermination de ces paramètres -- qui s'est affinée tout au long des XIXe et XXe siècles -- et la méthodologie de synthèse qui en a résulté sont toujours les mêmes aujourd'hui. C'est en analysant de nouveaux produits à l'aide notamment de techniques spectroscopiques que les synthèses deviennent de plus en plus sophistiquées et précises. De fait, on remarque que le développement de la synthèse va de pair avec celui de l'analyse chimique, qui donne accès aux structures et aux propriétés chimiques des différents constituants entrant en jeu dans les synthèses ou étant synthétisés. C'est ainsi que les synthèses se sont améliorées régulièrement tout au long des XIXe et XXe siècles. Les techniques de synthèse de pierres précieuses se sont développées au XXe siècle avec le développement des techniques spectroscopiques, notamment l'analyse aux rayons X, qui permettent de déterminer avec une grande précision les structures cristallines (voir cristallographie). Les progrès réalisés en synthèse inorganique, dans la seconde moitié du XXe siècle, ont débouché sur la synthèse de monocristaux de silicium de plus en plus grands, donnant naissance à l'électronique moderne. 3.3 Synthèse et rétrosynthèse Avant de se lancer dans une nouvelle synthèse, le chercheur doit effectuer un travail intellectuel qui consiste à élaborer la meilleure stratégie de synthèse possible par rapport à un cahier des charges précis. Ceci est valable pour le chercheur de laboratoire en recherche fondamentale autant que pour l'ingénieur responsable de la recherche et du développement dans une entreprise de chimie fine. Cet exercice de style demande une très grande culture chimique, une connaissance des réactions chimiques, des réactifs utilisés et de la sélectivité de chaque étape proposée. Élaborer le plan de synthèse demande de fragmenter la molécule que l'on veut préparer en « morceaux « de plus en plus simples, selon leurs fonctions chimiques ou leurs facilités d'obtention. Cette étape de réflexion, appelée rétrosynthèse, demande de grandes qualités de créativité et d'imagination au chimiste. Le travail des chercheurs comme celui des industriels consiste de plus en plus à augmenter la sélectivité des synthèses en réduisant le nombre d'étapes, donc le coût de fabrication, ainsi que les nuisances pour l'environnement. Augmenter la pureté d'un principe actif médicamenteux de synthèse est garant de la diminution de ses effets secondaires dus à des sous-produits indésirables. Utiliser un catalyseur en chimie fine permet de réduire le temps de synthèse, la quantité de réactifs et de solvants, et d'augmenter la sélectivité tout en préservant l'environnement par une meilleure connaissance des milieux réactionnels. Actuellement, tout résultat issu de la recherche fondamentale dans ce domaine est immédiatement répercuté aux industriels, d'autant plus qu'ils sont souvent les commanditaires et les financiers de la plupart des projets de synthèse. 4 INTÉRÊTS ET ENJEUX DE LA SYNTHÈSE ORGANIQUE La synthèse organique permet de fabriquer artificiellement des composés à haute valeur ajoutée. Au départ, il s'agissait d'élaborer des substances naturelles connues, dont la synthèse s'avérait économiquement plus intéressante que leur extraction à partir de sources naturelles. Par la suite, des produits inconnus dans la nature -- mais dotés de propriétés intéressantes et insoupçonnées -- ont vu le jour par synthèse. Ainsi, des colorants diazoïques de synthèse remplacent peu à peu les colorants naturels plus rares et plus difficiles à obtenir dès la seconde moitié du goût, des édulcorants et autres produits inconnus au XIXe XIXe siècle (voir colorants). Des substances odorantes, des additifs alimentaires, des exhausteurs de siècle voient le jour grâce aux techniques de synthèse en parachimie. De nombreux autres composés, produits à l'échelle industrielle, sont issus de synthèses organiques : les détergents, les solvants, les matières plastiques, les pesticides, la majorité des médicaments, etc. Toutes ces synthèses sont aujourd'hui possibles grâce à une matière première que l'homme a appris à transformer : le pétrole. Sans la pétrochimie, ce serait plus difficile et plus coûteux. Actuellement, on distingue la chimie fine de la chimie lourde, dont le but est de fabriquer des intermédiaires pour son propre compte ou pour la chimie fine et pour d'autres entreprises de transformation. La fabrication de monomères pour l'industrie des matières plastiques et autres polymères entre dans ce transfert chimie lourde-chimie de transformation (acrylonitrile, éthylène, acide téréphtalique, etc.). La chimie lourde n'innove d'ailleurs presque plus de nos jours en matière de synthèse. En revanche, la recherche en chimie fine est très active, dans la mesure où les besoins sont évolutifs et où les petits tonnages demandés pour satisfaire des besoins spécifiques permettent de répercuter plus vite les améliorations des synthèses obtenues en laboratoire au stade de fabrication. On recherche notamment plus facilement des pesticides plus sélectifs et moins dommageables pour l'environnement, des bases de parfum synthétiques en remplacement des bases naturelles épuisées ou difficiles à extraire, des colorants adaptés aux nouvelles fibres textiles elle-mêmes synthétiques, et surtout de nouveaux médicaments très spécifiques. Dans le domaine de la pharmacochimie, la recherche sur les nouvelles voies de synthèse évolue très vite. Elle devient très complexe et elle se trouve, de ce fait, confrontée à des exigences de rentabilité. C'est dans cette branche de la chimie que les chercheurs ont été amenés à utiliser les nouvelles technologies. Par exemple, la synthèse de la vitamine B12 en 1972 a demandé l'équivalent de 300 années-chercheurs de travail. La synthèse assistée par ordinateur permet de réduire ce temps de recherche en optimisant les plans d'expérience qui tiennent compte de tous les paramètres possibles. La créativité n'est pas enlevée au chimiste ; au contraire, elle est décuplée par la puissance informatique et logicielle. Les chercheurs peuvent ainsi avoir un inventaire rapide de toutes les réactions envisageables et en même temps une évaluation comparée de tous les chemins réactionnels inventoriés. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.