Chromatographie sur plaque de silice, rétention comparée des dérivés du phénols
Temps de réalisation Difficulté théorique Difficulté expérimentale Techniques utilisées Objectif 1 h 2 / 3 1 / 3 CCM Nature des interactions composé / éluant / support
Introduction
L'objet de cette série d'expériences est de mettre en évidence la nature des interactions qui existent entre composé-éluant-support lors d'une chromatographie sur couche mince (CCM).
Les CCM seront réalisées sur plaque de silice. On rappelle que les plaques de silice sont des supports classiques de CCM (avec l'alumine). On choisit de préférence la silice pour les CCM de composés acides, l'alumine pour les CCM de composés basiques, la silice étant de loin la plus employée. On utilise aussi des supports en cellulose mais uniquement pour les composés très polaires (sucres, acides aminés). La silice possède comme sites actifs le groupement Si-O-H.
Deux constatations s'imposent :
- cette liaison est polaire
- elle peut créer des liaisons hydrogènes
Question 1. Justifier ces deux propositions.
Afin d'effectuer des comparaisons, nous avons choisi de nous limiter aux composés nitrés du phénol (o-nitrophénol ; m-nitrophénol ; p-nitrophénol), au phénol, à l'o-nitroanisole et au nitrobenzène.
Phénol Nitrophénol m-nitrophénol p-nitrophénol Étant donné la structure de ces composés, on peut déjà se douter que les liaisons hydrogènes interviendront lors de l'élution.
Afin de vérifier les hypothèses concernant le véritable statut de la liaison hydrogène dans le système composé - éluant - support, nous allons réaliser les trois expériences suivantes.
Expérience 1 : influence des pKa
On rappelle que le caractère plus ou moins donneur d'une liaison H est caractérisé par le pKa du composé. Nous donnons ici les valeurs des pKa de quelques composés.
phénol
o-nitrophénol
m-nitrophénol
p-nitrophénol
pKa
9,89
7,17
8,28
7,15
Question 2. Justifier rapidement les valeurs relatives des pKa.
Expérience 2 : influence de l'encombrement stérique
La liaison hydrogène n’est peut être pas la seule orgine des interactions.. De façon à voir si un encombrement stérique peut être responsable de certaines élutions particulières, nous allons former les acétates de phénols.
CH3-CO-Cl + Ar-OH ® Ar -O-CO-CH3 + HCl
Expérience 3 : influence de la polarité du solvant
Nous allons changer la nature du solvant en remplaçant le chlorure de méthylène par des solvants possédant un hétéroatome : THF ou diéthyléther.
Cet hétéroatome de l'éluant (O, pour R-O-R) est susceptible de créer une liaison hydrogène ( ... ) avec, soit le support (SiOH) , soit le composé phénolique (PhOH). Le schéma d'échange sera le suivant :
SiOH ... PhOH + 2 R-O-R
¯
SiOH ... R-O-R + PhOH ... R-O-R
L'aptitude qu'ont les solvants de se lier avec les phénols décroît dans l'ordre suivant :
THF > Diéthyléther >> Chlorure de méthylène
Le THF sera donc plus susceptible d'emmener un composé possédant une liaison H disponible.
Le p-nitrophénol ayant le même type de comportement que l'o-nitrophénol, nous le remplacerons par de l'o-nitroanisole.
Mode opératoire
Préliminaires : préparation du matériel et des solutions
- Dissoudre 50 mg de chaque composé (o-nitrophénol, m-nitrophénol, p-nitrophénol, phénol, nitrobenzène) dans 1,5 mL de chlorure de méthylène.
- Il est conseillé de distiller le chlorure de méthylène sur hydrure de calcium, THF et diéthyléther sur potasse en présence de benzophénone et de sodium. Distiller lorsque la solution est bleue.
Question 3. Quel est l'intérêt de mettre de la benzophénone et du sodium lors de la distillation ? D'où vient la coloration bleue ?
- Plaque de CCM : utiliser des plaques de silice (4 au format 5 ´ 6 cm, une au format 3 ´ 6 cm) sur support aluminium avec révélateur UV (254 nm).
- Préparation des plaques. Faire un trait à 1 cm du bas, placer une goutte de chaque échantillon tous les centimètres à l’aide d’un pipette Pasteur (les gouttes ne pas doivent se superposer !).
- Révélation : sous une lampe UV (254 nm), les dérivés bénzéniques absorbent. Il suffira d'entourer les spots au crayon. Si les spots ne sont pas assez intenses, vaporiser une solution ammonicale de bleu de bromophénol (attention, coloration non persistante !).
Expérience 1 : influence de l'acidité des phénols
Sur plaque de silice, déposer cinq petites gouttes de chaque composé, éluer par un solvant apolaire et révéler. On obtient le chromatogramme suivant.
· · · · · 1 2 3 4 5 1 : nitrobenzène ; 2 : phénol ; 3 : o-nitrophénol ; 4 : m-nitrophénol ; 5 : p-nitrophénol.
Eluant : chlorure de méthylène-pentane 40 : 60.
Question 4. Interprétation du chromatogramme. Il s'agit ici, pour chaque composé, de comparer la position de la tache par rapport à son pKa. En déduire le comportement des composés lors de l'élution et justifier le comportement de 3.
Expérience 2 : influence de l'encombrement stérique
Conversion en acétates : déposer comme précédemment une goutte de o-, m-, et p-nitrophénol sur une plaque 3 ´ 6 cm. Déposer en suite une goutte de chlorure d'acétyle directement sur chaque tache. Laisser sécher (10 min) puis laisser éluer. On obtient le chromatogramme suivant.
· · · 1 2 3 1 : o-nitrophénol ; 2 : m-nitrophénol ; 3 : p-nitrophénol.
Eluant : chlorure de méthylène-pentane 40 : 60.
Question 5. Quelle est la conclusion qui s'impose ?
Expérience 3 : influence de la nature du solvant
Reprendre le mode opératoire de l'expérience 1 en remplaçant le p-nitrophénol par de l'o-nitroanisole. Les trois éluants sont des mélanges 40 : 60 solvant / pentane.
Voici un exemple des trois chromatogrammes obtenus.
· · · · · 1 2 3 4 5 I : éluant chlorure de méthylène-pentane, 40 : 60.
1 : nitrobenzène ; 2 : phénol ; 3 : o-nitrophénol ; 4 : o-nitroanisole ; 5 : m-nitrophénol.
· · · · · 1 2 3 4 5 II : éluant éther-pentane, 40 : 60.
1 : nitrobenzène ; 2 : phénol ; 3 : o-nitrophénol ; 4 : o-nitroanisole ; 5 : m-nitrophénol.
· · · · · 1 2 3 4 5 III : éluant THF-pentane 40 : 60.
1 : nitrobenzène ; 2 : phénol ; 3 : o-nitrophénol ; 4 : o-nitroanisole ; 5 : m-nitrophénol.Questions 6. Influence des solvants.
6.a. Dans le chromatogramme I, comparer la position de 3 et 4.
6.b. Comparer les positions de 1 et 3 dans les chromatogrammes I, II et III.
6.c. Dans les chromatogrammes I, II et III, comparer la position relative de 2 et 4.Question 7. Conclure
Bibliographie
- Feigenbaum 1986 - Hydrogen bonding and Retention on Silica - J. Chem.Ed., 63, p 815-817.
- Kurth M.J. 1986 - Thin-Layer Chromatographic Separation of Phenols - J. Chem.Ed., 63, p 360-361.
- Moore, Dalrymple et Rodig 1982 - Experimental Methods in Organic Chemistry - 3ème éd. Saunders, Philadelphia, p 196-199.
