Protocoles expérimentaux

Consignes de sécurité

• Porter des lunettes de sécurité en tout temps au laboratoire.
• Les acides HCl et H₂SO₄ sont corrosifs et toxiques et peuvent causer des brûlures.  Porter des gants pour manipuler ces réactifs.  Laver avec de grandes quantités d’eau fraîche si de l’acide est projeté sur votre peau.  Neutraliser les déversements d’acide sur les surfaces de travail avec du bicarbonate de sodium et aviser le professeur.
• Les composés sont toxiques et cancérigènes.  Travailler sous la hotte et porter des gants pendant la manipulation de ce produit.

PARTIE A : synthèse du p-méthylacétanilide ¹

1. Préparer une solution d’acétate de sodium en mélangeant 6,45 g d’acétate de sodium trihydraté (CH3COONa·3H2O) dans 18 mL d’eau distillée (dH2O) dans un Erlenmeyer de 25 mL. L'acétate de sodium agit en tant qu'un tampon pendant la réaction. De plus, l'ion acétate tient lieu de base dans une étape de déprotonation du mécanisme de la réaction. 
2. Agiter vigoureusement avec un mouvement de rotation jusqu’à dissolution complète.
3. Laisser la solution de côté pour utilisation ultérieure.
4. Moudre du p-toluidine avec un mortier et pilon. Dans un Erlenmeyer de 500 mL équipé d’un agitateur magnétique, ajouter 4,83 g de p-toluidine moulu à 120 mL d’eau.
5. En agitant, ajouter 3,9 mL d’acide chlorhydrique concentré. 
6. Mélanger vigoureusement avec le barreau magnétique pendant deux (2) minutes. Une fois que le p-toluidine est complètement dissout, vérifier le pH avec une bandelette de papier indicateur. Si une impureté brune et insoluble est présente dans la solution, enlever l'impureté par une filtration par gravité.
7. En maintenant l’agitation, ajouter 6,3 mL d’anhydride acétique. Vérifier rapidement le pH.  Ajouter immédiatement la solution d’acétate de sodium préparée précédemment. Vérifier le pH encore une fois.
8. Agiter vigoureusement pour mélanger les réactifs.
9. Refroidir la solution dans un bain d’eau glacée et maintenir une vigoureuse agitation pendant la cristallisation du produit (15 min.).
10. Pendant la période de refroidissement, préparer le montage pour la CCM (la cuve, les phases mobile et stationnaire, les solutions des standards).
11. Après la période de refroidissement,iIsoler le produit par filtration sous vide, en lavant les cristaux avec plusieurs petites portions dH2O glacée.
12. Analyser le produit par CCM seulement. Ce n'est pas nécessaire de laisser sécher les cristaux avant de préparer sa solution pour la CCM.
13. Laisser sécher les cristaux pendant la semaine.
14. Peser le produit.
15. Le reste du produit peut être utilisé sans purification pour la prochaine étape.
    

• Point de fusion : déterminer le point de fusion du produit sec.
• CCM : faire une analyse à petite échelle en utilisant une petite plaque (4 cm de largeur x 10 cm de hauteur) couverte de gel de silice.  Développer la plaque dans un bécher de 200 mL à forme haute contenant la phase mobile (10 mL acétate d’éthyle : 5 mL hexanes). Quels composés auriez-vous analysés par la CCM? Appliquer 2 gouttes des solutions de 1% dans du dichlorométhane sur la plaque. Visualiser la plaque sous la lampe UV.
• Spectroscopie infrarouge : préparer des pastilles de KBr avec le produit et avec son étalon (proportions du composé organique et du KBr à déterminer).  Tracer le spectre de chaque composé.

PARTIE B : synthèse de l’acide p-acétamidobenzoïque ¹

1. Préparer une solution de permanganate de potassium en dissolvant 12,0 g de KMnO4 dans 100 mL d’eau bouillante.  Agiter pour dissoudre.
2. Garder la solution chaude sur une plaque chauffante jusqu’à ce que l’addition de celle-ci soit terminée.  Placer un verre de montre sur le bécher pour éviter l’évaporation.
3. Le p‑méthylacétanilide restant de l’analyse à la première étape doit être moulu avec un mortier et un pilon avant d’être pesé pour cette étape. 
4. Dans un Erlenmeyer de 500 mL équipé d’un agitateur magnétique, ajouter 5,5 g du p‑méthylacétanilide moulu, 14.5 g de sulfate de magnésium heptahydraté (MgSO4· 7H2O) et 300 mL d’eau. Le sulfate de magnésium agit en tant qu'un tampon basique lors de cette réaction.
5. Chauffer en agitant jusqu’à 85°C sur une plaque chauffante.
6. Tout en agitant vigoureusement la solution de p‑méthylacétanilide, ajouter lentement la solution chaude de permanganate de potassium en utilisant une pipette (3mL) en plasique.  L’addition doit se faire sur une période de 30 minutes.  Il est très important d’ajouter la solution de permanganate de manière douce et uniforme pour éviter l’accumulation locale d’oxydant.
7. Après que tout l’oxydant ait été ajouté, agiter vigoureusement la solution pendant cinq (5) minutes. 
8. Ajouter de 20 mL d’éthanol pour réagir avec l’excès d’oxydant.
9. Ensuite, faire bouillir la solution jusqu’à ce que la couleur mauve foncé du KMnO4 disparaisse.  Bien surveiller la solution, car pendant l’ébullition celle-ci peut très facilement déborder de l’Erlenmeyer.
10. Afin de séparer le brun de dioxyde de manganèse de la solution contenant l’acide p-acétamidobenzoïque, utiliser la filtration sous vide avec une couche d’un (1) centimètre de terre de diatomée (Celite) sur le papier filtre. Ne pas oublier de mouiller le papier filtre avec une petite portion dH2O avant de mettre la Celite par-dessus. 
11. Laver le précipité brun avec de l’eau chaude pour dissoudre le produit adsorbé.
12. Si le filtrat est toujours coloré, ajouter 5 mL d’éthanol, faire bouillir et filtrer à nouveau.
13. Refroidir le filtrat dans un bain d’eau glacée et acidifier avec une solution d’acide sulfurique à 20 % jusqu’à ce que le pH soit d’environ 3-4.
14. Laisser cristalliser pendant 20 min dans un bain d’eau glacée.
15. Recueillir le produit par filtration sous vide et rincer les cristaux avec de petites portions dH2O glacée.
16. Sécher les cristaux autant que possible en continuant la filtration sous vide.
17. Analyser le produit par la CCM seulement.
18. Le restant du produit humide peut être utilisé sans purification pour la prochaine étape.
    

• Point de fusion : déterminer le point de fusion du produit sec.
• CCM : faire une analyse à petite échelle en utilisant une petite plaque (4 cm de largeur x 10 cm de hauteur) couverte de gel de silice.  Développer la plaque dans un bécher de 200 mL à forme haute contenant la phase mobile (1,5 mL acide acétique glacial : 4 mL hexanes : 15 mL dichlorométhane).  Quels composés auriez-vous analysés par la CCM? Appliquer 2 gouttes des solutions de 1% dans l’éthanol sur la plaque.  Visualiser la plaque sous la lampe UV.

PARTIE C : synthèse de l’acide p-aminobenzoïque ¹

1. Peser environ 3 g de l’acide p-acétamidobenzoïque dans un ballon à fond rond de 50 mL.
2. Ajouter un agitateur magnétique et 15 mL de HCl 6 M au ballon.
3. Assembler le montage du reflux (voir la Figure 6 ci-dessous) en surmontant le ballon d’un réfrigérant.
4. Démarrer l’agitation et chauffer doucement à reflux, tout en agitant, pendant 30 minutes.  Observer.
5. À la fin de la période de reflux, laisser le mélange réactionnel refroidir à la température de la pièce.  Pendant la refroidissement, continuer d'agiter le mélange réactionnel et laisser le réfrigérant attaché au chauffe-ballon avec la circulation d'eau y dedans. 
6. Ajouter 7,5 mL d’eau distillée froide et laisser le mélange brasser avant de vérifier le pH.
7. Ensuite, en gardant l’agitation, ajouter une solution d’hydroxyde d'ammonium de 14 M goutte à goutte jusqu’à ce que le pH soit légèrement basique (pH = 7-8).  Pour ce faire, ajouter 50 gouttes de NH₄OH, mélanger et vérifier le pH.  Répéter deux (2) autres fois pour un total de 150 gouttes de NH₄OH.
8. Maintenant continuer l’ajout plus lentement, par exemple par des ajouts de 10 gouttes avant de vérifier le pH.  La neutralisation du mélange prendra au moins 200 gouttes de NH₄OH.  Ne pas dépasser un pH de 8.
9. Ajouter 1,5 mL d’acide acétique glacial. 
10. Mélanger vigoureusement et laisser la solution refroidir dans un bain de glace.  Il peut être nécessaire d’induire la cristallisation en frottant une tige de verre le long des parois.
11. Isoler le produit par filtration sous vide avec un petit entonnoir Büchner. Rincer les cristaux avec de petites portions dH2O glacée.
12. Laisser sécher et peser les cristaux.  Si vous effectuez une recristallisation dans la même séance de laboratoire, tout simplement peser les cristaux humides. 
13. Conserver environ 10 mg pour l’analyse du produit brut par CCM.
14. Recristalliser le produit dans l’eau sur une plaque chauffante.  Si nécessaire, enlever les impuretés insolubles par une filtration par gravité à chaud ou enlever les impuretés colorées par décoloration avec le noire de carbone.
15. Analyser le PABA selon les quatre (4) méthodes analytiques ci-dessous.

• Point de fusion : déterminer le point de fusion du PABA recristallisé sec.
• CCM : faire une analyse à petite échelle en utilisant une petite plaque (4 cm de largeur x 10 cm de hauteur) couverte de gel de silice.  Développer la plaque dans un bécher de 200 mL à forme haute contenant la phase mobile (1,5 mL acide acétique glacial : 4 mL hexanes : 15 mL dichlorométhane). Quels composés auriez-vous analysés par la CCM? Appliquer 2 gouttes des solutions de 1% dans l’éthanol sur la plaque.  Visualiser la plaque sous la lampe UV.
  
• Spectroscopie UV-Visible : dissoudre le PABA recristallisé dans un solvant approprié et tracer le spectre UV-Visible. Répéter avec l'étalon de PABA. Déterminer la longueur de l'absorption maximale et calculer l'absorptivité molaire. 
• Spectroscopie infrarouge : préparer des pastilles de KBr avec du PABA recristallisé et avec son étalon (masse du composé organique et du KBr à déterminer avec Stéphane). Tracer le spectre de chaque composé.

TOUJOURS s’assurer que les tuyaux sont attachés de manière sécuritaire au condenseur.  Une légère circulation d’eau froide est nécessaire tout simplement.  Surveiller les fuite s!!   Les chimistes ont souvent besoin de chauffer un mélange pendant un long moment, et doivent être en mesure de le laisser plus ou moins sans surveillance. « Le montage à reflux » montré permet ce type de chauffage. Il permet à la réaction d’être amenée au point d’ébullition du solvant, et il prévient la perte du solvant ou du réactif causé par l’évaporation. Un réfrigérant est attaché au chauffe-ballon et est fixé à la position verticale, la « position du reflux ». De l’eau froide circule pour faire condenser les vapeurs au fur et à mesure qu’elles montent dans le réfrigérant. De cette façon, les vapeurs ne peuvent pas s’échapper. Souvent, la partie supérieure des vapeurs dans le réfrigérant peut être considérée comme étant une ligne de reflux. Le sens de la circulation de l’eau devrait permettre au condenseur de se remplir d’eau froide. L’eau devrait entrer dans le réfrigérant par le bas et sortir par le haut. Il est habituellement souhaitable de s’assurer que le chauffe-ballon puisse être facilement enlevé en utilisant un vérin de laboratoire.  L’utilisation d’un vérin sous le chauffe-ballon pourra permettre de retirer la source de chaleur si la réaction s’emballe ou tout simplement refroidir le montage. Video

Figure 6. Montage à reflux pour la synthèse de l'acide p-aminobenzoïque (PABA) et vidéo

Préparation de crème solaire²

1. Choisir vos phases aqueuses et huileuses.  Noter que la phase huileuse peut être composée d’une seule huile (p.ex. 36 g d’huile de tournesol) ou un mélange d’huile et de beurre (p.ex. 30.5 g d’huile de tournesol et 5.5 g de beurre de karité). Également, vous pouvez choisir seulement une phase aqueuse (p.ex. 100 g d’un hydrolat ou du jus d’aloès), ou bien un mélange des phases aqueuses (p. ex 50 g d’un hydrolat et 50 g du jus d’aloès).
2. Dans un bécher de 400 mL, ajouter 36 g de la phase huileuse, 5 g d’acide stéarique et 10 g de cire émulsifiante en tarant le bécher entre chaque addition.
3. Afin d’obtenir un mélange homogène, chauffez-le sur un bain-marie à 50^oC jusqu’à ce que l’émulsifiant soit fondu et que l’acide stérique soit dissout.  Ne pas faire tourbillonner le bécher ou mélanger les ingrédients pendant que les réactifs fondent.
4. Pendant ce temps, dans un bécher de 200 mL, peser 1.5 g de GeoGard Ultra. Ajouter 100 g la phase aqueuse et chauffer à environ 35^oC.  Maintenir à cette température.
5. À ce stade, si vous voulez préparer une crème solaire, ajouter 24 g d’oxyde de zinc (ZnO) à la phase huileuse (vous pouvez aussi en ajouter moins, par exemple 12 g).  Bien mélanger avec le mini fouet équipé avec l’embout à mélanger (stir). Cependant, vous pouvez aussi synthétiser une crème riche et nourrissante en omettant l’oxyde de zinc.
6. Lorsque l’oxyde de zinc est complètement mélangé dans la phase huileuse, ajouter la phase aqueuse lentement à la phase huileuse en mélangeant vigoureusement avec le mini-fouet (l’embout à mélanger).
7. Lorsque la consistance est lisse et crémeuse, ajouter 3 gouttes de la vitamine E (antioxydant). Bien incorporer avec le mini-fouet.
8. Ensuite, vous pouvez ajouter un ingrédient actif de la liste du Tableau 1 dans le document imprimé.
9. Verser la crème dans un pot stérilisé et étiqueté. 
10. Laisser la crème refroidir complètement avant de fermer les contenants afin d’éviter la contamination par des gouttelettes d’eau qui pourraient s’accumuler dans le contenant par condensation.  Les bactéries ont besoin d’eau pour proliférer!
11. Utiliser la crème dans les 6 mois après sa fabrication.

1. Schoffstall AM, Gaddis BA, Druelinger ML.  Microscale and Miniscale Organic Chemistry Laboratory Experiments. 2e éd. Montréal: McGraw Hill Higher Education; 2004. Chapter 27, Amino Acids and Derivatives; p. 518-528
2. Fortin S. Cosmétiques non toxiques.  Montréal (QC), Canada : Les Éditions La Presse; 2016