L'anesthésie des prémices à nos jours

Énoncé

Pendant longtemps la chirurgie a été confrontée au problème de la douleur des patients. Ne disposant d'aucun produit permettant de la soulager, le médecin ne pouvait pratiquer une opération « à vif » du patient.
L'éther diéthylique était connu depuis le XVIe siècle>, mais ce n'est qu'en 1840 que William T.G. Morton eut l'idée de l'utiliser afin d'endormir un patient. Et il fallut attendre l'automne 1846 pour que, dans deux amphithéâtres combles, le docteur John Warren, assisté de William Morton, réussisse deux opérations chirurgicales indolores pour les patients. L'anesthésie venait de naître et allait permettre un essor bien plus rapide de la chirurgie…
Données :
Composé
Éthanol
Éther diéthylique ou Éther
Eau
Éthylène ou Éthène
Formule brute
C2H6O
C4H10O
H2O
C2H4
Température d'ébullition sous une pression de 1 bar (en °C )
78
35
100
–  104
Masse molaire (\mathrm{g\cdot mol^{-1}})
46
74
18
28

Masse volumique d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium :
\rho=1,0\,\mathrm{g\cdot mL^{-1}}  ;
Masse volumique de l'éthanol : \rho_{\mathrm{\acute{e}thanol}}=0,81\,\mathrm{g\cdot mL^{-1}}  ;
Masse volumique de l'éther diéthylique : \rho_{\mathrm{\acute{e}ther}}=0,71\,\mathrm{g\cdot mL^{-1}}  ;
L'eau et l'éther ne sont pas miscibles ;
La température du laboratoire est de 20 °C.
I. Synthèse de l'éther diéthylique
1 
Choix d'un protocole
La synthèse de l'éther diéthylique peut se faire par déshydratation de l'éthanol. Cependant, selon les conditions opératoires choisies, la déshydratation peut aboutir à deux produits différents.
Les deux équations de réaction correspondantes sont les suivantes :
\mathrm{CH_3-CH_2-OH\rightarrow CH_2=CH_2+H_2O}
\mathrm{2\,CH_3-CH_2-OH\rightarrow CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3+H_2O}
La température joue un rôle important dans l'orientation de la réaction : une température moyenne favorise la formation de l'éther diéthylique, une température élevée celle de l'éthylène.
On étudie deux protocoles possibles de déshydratation :
  • Conditions opératoires 1 : on fait passer à 300 °C des vapeurs d'éthanol sur de l'alumine ;
  • Conditions opératoires 2 : on chauffe l'éthanol à 140 °C en présence d'un acide fort.
Compléter le tableau :
Conditions opératoires
Température (°C)
Nom du produit obtenu
Catégorie de la réaction en chimie organique
1
300


2
140



2 
Analyse du protocole retenu
Pour synthétiser l'éther diéthylique, on suit le protocole expérimental suivant :
  • réaliser un montage de distillation fractionnée dans lequel un ballon bicol supporte une colonne à distiller ainsi qu'une ampoule de coulée ;
  • verser 25 mL d'éthanol dans le ballon et placer dans l'ampoule de coulée 10 mL d'un acide fort, l'acide sulfurique concentré ;
  • sous agitation, verser goutte à goutte l'acide sulfurique dans le mélange, puis chauffer ;
  • récupérer le distillat lorsque la température en tête de colonne est à 35 °C ;
  • verser le distillat dans une ampoule à décanter, ajouter une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium \mathrm{Na^+(aq)+HO^-(aq)}  ;
  • récupérer la phase contenant l'éther diéthylique.
a) Pourquoi faut-il mettre l'erlenmeyer de récupération du distillat dans un bain de glace ?
b) Malgré les précautions prises, la formation d'éthylène peut avoir lieu de façon minoritaire, mais pour autant on ne le trouve pas dans le distillat. À l'aide des données, proposer une explication.
c) Calculer la quantité de matière d'éthanol introduite dans le ballon et la masse attendue d'éther diéthylique.
d) Le distillat obtenu présente un caractère acide. Quelle étape du protocole permet d'éliminer les traces acides du distillat ? Justifier.
e) Où se trouve l'éther diéthylique dans l'ampoule à décanter ? Justifier.
3 
Étude du mécanisme de la synthèse de l'éther diéthylique
Le mécanisme réactionnel proposé pour la réaction de déshydratation conduisant à l'éther diéthylique est proposé ci-dessous. Il comporte trois étapes.
Étape (a) : \mathrm {CH_3-CH_2-\underline {\overline{O}}H+H^{+}\,\rightleftharpoons\,CH_{3}-CH_{2}- {\overline{O}}H_{2}^{+}}
Étape (b) : \mathrm {CH_{3}-CH_{2}- {\overline{O}}H_{2}^{+}+CH_{3}-CH_{2}-\underline {\overline{O}}H\,\rightleftharpoons}
\mathrm {CH_{3}-CH_{2}- {\overline{O}}H^{+}-CH_{2}-CH_{3}+H_{2}\underline {\overline{O}}}
Étape (c) : \mathrm {CH_{3}-CH_{2}- {\overline{O}}H^{+}-CH_{2}-CH_{3}\,\rightleftharpoons}
\mathrm {CH_{3}-CH_{2}-\underline {\overline{O}}-CH_{2}-CH_{3}+H^{+}}
a) À l'aide de vos connaissances sur les sites donneurs et accepteurs de doublets d'électrons, expliquer l'étape (a) du mécanisme.
Recopier l'équation de l'étape (a) et faire apparaître la flèche courbe schématisant le transfert électronique.
b) En observant les équations des étapes (a) et (c), justifier que l'acide sulfurique n'est pas un réactif dans cette synthèse. Quel peut alors être son rôle dans la synthèse ?
4 
Les techniques utilisées sont la spectroscopie infrarouge IR et la spectrométrie RMN du proton.
On donne ci-dessous deux spectres RMN du proton et deux spectres infrarouge (IR) correspondant à l'éther diéthylique et à l'éthanol ainsi qu'une table de données de spectroscopie infrarouge IR.
Associer chaque spectre infrarouge IR et RMN à la molécule correspondante en justifiant.
Attribuer un signal en RMN à chaque groupe de protons chimiquement équivalents et justifier sa multiplicité pour chacun des signaux.
Table de données pour la spectroscopie IR
Liaison
C−C
C−O
O−H (acide carboxylique)
C−H
O−H (alcool)
Nombre d'onde (\mathrm{cm^{-1}})
1 000-1 250
1 050-1 450
2 500-3 200
2 800-3 000
3 200-3 700
Table de données pour la spectroscopie IR

II. Un remplaçant de l'éther diéthylique
À l'heure actuelle, du fait de son extrême inflammabilité, de ses nombreux effets secondaires, de sa toxicité ainsi que du risque élevé de dépendance qu'il entraîne, l'éther diéthylique n'est pratiquement plus utilisé comme anesthésiant, et d'autres molécules beaucoup plus spécifiques l'ont remplacé. C'est le cas par exemple de la kétamine, qui contient un mélange équimolaire des deux molécules ci-dessous.
1 
Étude des molécules de la kétamine
a) Reproduire la formule topologique de la molécule  \mathrm A. Entourer et identifier les groupes caractéristiques présents dans cette molécule.
b) Quelle est la différence entre les molécules  \mathrm A et  \mathrm A'  ?
2 
Utilisation médicale de la kétamine
Du fait de son action rapide, la kétamine est principalement utilisée en médecine d'urgence. Elle est le plus souvent administrée via une injection intraveineuse unique avec une dose de l'ordre de 2 mg par kg de corps humain et sa demi-vie d'élimination est de 2 à 4 heures.
Par analogie avec le temps de demi-réaction défini en cinétique chimique, proposer une définition au terme de « demi-vie d'élimination » donné dans le texte.

Corrigé

I. Synthèse de I'éther diéthylique
1 
Choix du protocole

Dans les conditions opératoires 1, on fait passer à 300 °C des vapeurs d'éthanol sur de l'alumine.
La température est élevée, donc, d'après les indications, c'est la formation de l'éthylène \mathrm{CH_2=CH_2} qui est favorisée, selon la réaction d'équation-bilan :
\mathrm{CH_3-CH_2-OH\rightarrow\,CH_2=CH_2+H_2O}
Il y a formation d'une double liaison et perte d'une molécule d'eau : c'est une réaction d'élimination.
Dans les conditions opératoires 2, on chauffe l'éthanol à 140 °C en présence d'un acide fort.
La température est moyenne (moins élevée que dans le 1er cas), donc cette fois, c'est la formation de l'éther diéthylique \mathrm{CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3} qui est favorisée, selon la réaction d'équation-bilan :
\mathrm{2\,CH_3-CH_2-OH\rightarrow CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3+H_2O}
que l'on peut aussi écrire :
\mathrm{CH_3-CH_2-OH+HO-CH_2-CH_3}\rightarrow
\mathrm{CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3+H_2O}
Au cours de cette réaction, le groupement \mathrm{-OH} de la 1re  molécule d'éthanol est substitué par le groupement \mathrm{O-CH_2-CH_3} de la 2e  molécule d'éthanol. Cela s'accompagne de la formation d'une molécule d'eau.
C'est donc une réaction de substitution.
On peut ainsi compléter le tableau fourni :
Conditions opératoires
Température (en °C)
Nom du produit obtenu
Catégorie de la réaction en chimie organique
1
300
éthylène
élimination
2
140
éther diéthylique
substitution

2 
Analyse du protocole retenu

a) La température du laboratoire est de 20 °C. Comme la température d'ébullition de l'éther diéthylique est de 35 °C (sous une pression de 1 bar), l'éther risquerait de s'évaporer assez rapidement. Pour éviter cela, on met donc l'erlenmeyer de récupération du distillat dans un bain de glace : sa température étant plus basse, l'évaporation sera beaucoup moins importante.
b) La température de liquéfaction des vapeurs d'éthylène est de \mathrm{-104\,^oC} sous une pression de 1 bar (la température de liquéfaction d'une espèce chimique étant égale à sa température d'ébullition). Les vapeurs d'éthylène sont donc simplement refroidies, mais pas liquéfiées dans le réfrigérant. Elles s'échappent à la sortie de celui-ci et, ainsi, on ne les retrouve pas dans le distillat.
c) La quantité initiale d'éthanol est :
n_i(\mathrm{\acute{e}thanol})=\frac{m_i(\mathrm{\acute{e}thanol})}{\mathrm{M(\acute{e}thanol)}}=\frac{\rho_{\mathrm{\acute{e}thanol}}\cdot V_{\mathrm{\acute{e}thanol}}}{\mathrm{M(\acute{e}thanol)}}
n_i(\mathrm{\acute{e}thanol})=\frac{0,81\times 25}{46}=0,44\,\mathrm{mol}
Calculons maintenant la quantité attendue d'éther diéthylique formé :
2\,\mathrm{CH}_{3}-\mathrm{CH}_{2}-\mathrm{OH}\,\rightarrow\,\mathrm{CH}_{3}-\mathrm{CH}_{2}-\mathrm{O}-\mathrm{CH}_{2}-\mathrm{CH}_{3}+\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}
D'après l'équation-bilan, n_{\mathrm{\acute{e}ther\,form\acute{e}}}=\frac{1}{2}n_{\mathrm{\acute{e}thanol\,ayant\,r\acute{e}agi}}
De plus, la transformation étant totale, n_{\mathrm{\acute{e}thanol\,ayant\,r\acute{e}agi}}=n_i(\mathrm{\acute{e}thanol})
Donc n_{\mathrm{\acute{e}ther\,form\acute{e}}}=\frac{1}{2}n_i(\mathrm{\acute{e}thanol})=\frac{1}{2}\times 0,44=0,22\,\mathrm{mol}
On en déduit la masse attendue d'éther diéthylique :
m_{\mathrm{\acute{e}ther}}=n_i(\mathrm{\acute{e}ther})\cdot \mathrm{M(\acute{e}ther)}=0,22\times 74=16\,\mathrm{g}
d) Pour éliminer les traces acides du distillat, on ajoute de la solution d'hydroxyde de sodium (solution basique).
e) L'eau et l'éther diéthylique ne sont pas miscibles, donc il y a formation de 2 phases distinctes dans l'ampoule à décanter.
De plus, la masse volumique de l'éther diéthylique (0,71\,\mathrm{g\cdot mL^{-1}}) est inférieure à celle de la solution aqueuse (1,0\,\mathrm{g\cdot mL^{-1}}). L'éther sera par conséquent dans la phase supérieure.
3 
Étude du mécanisme de la synthèse de l'éther diéthylique

a) Le proton \mathrm H^+ est chargé positivement : c'est un site accepteur de doublets d'électrons.
L'atome \mathrm O, lui, possède 2 doublets non liants : c'est un site donneur de doublets d'électrons. Il y a donc attaque du proton  \mathrm H^+ par un doublet non liant de \mathrm O  :
b)  \mathrm H^+, fourni par l'acide sulfurique, n'est pas un réactif car il est consommé à l'étape (a), mais il est régénéré à l'étape (c).
C'est un catalyseur : il augmente la vitesse de la réaction, mais sans figurer dans l'équation-bilan.
4 
Technique d'analyse des espèces chimiques intervenant dans la réaction

Spectres RMN  :
molécule d'éthanol :
Elle comporte 3 groupes de protons équivalents, il y aura donc 3 types de signaux sur le spectre. (rappel : des protons sont chimiquement équivalents s'ils ont le même environnement chimique)
Groupe de protons équivalents
Nombre de protons
Nombre de voisins et multiplicité
a
3H
2 « voisins » (les H de type b) \Rightarrow  triplet
b
2H
3 « voisins » (les H de type a) \Rightarrow  quadruplet
c
1H
pas de voisin \Rightarrow singulet

L'éthanol correspond donc au spectre RMN 1 :
molécule d'éther diéthylique :
Elle comporte 2 groupes de protons équivalents, il y aura donc 2 types de signaux sur le spectre.
Groupe de protons équivalents
Nombre de protons
Nombre de voisins et multiplicité
a
6H
2 « voisins » (les H de type b) \Rightarrow  triplet
b
4H
3 « voisins » (les H de type a) \Rightarrow  quadruplet

L'éther diéthylique correspond donc au spectre RMN 2 :
Spectres IR  :
Contrairement à l'éther diéthylique \mathrm{CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3},
l'éthanol \mathrm{CH_3-CH_2-OH} comporte une liaison \mathrm{O-H} qui, d'après les données, doit donner une bande large d'absorption entre 3\,200 et 3\,700\,\mathrm{cm^{-1}} dans le spectre  IR.
Or seul le spectre IR 1 possède ce type de bande d'absorption, c'est donc lui qui correspond à l'éthanol.
Le spectre IR 2 est par conséquent celui de l'éther diéthylique.
II. Un remplaçant de I'éther diéthylique
1 
Étude des molécules de la kétamine

a) La molécule  \mathrm A comporte 2 groupes caractéristiques :
b) 
Les molécules  \mathrm A et \mathrm A' ont la même formule semi-développée, mais diffèrent par l'agencement spatial de leurs atomes : ce sont des stéréoisomères.
De plus, ces molécules sont images l'une de l'autre dans un miroir et non superposables : ce sont donc des énantiomères.
2 
La « demi-vie d'élimination » est la durée au bout de laquelle la moitié de la kétamine a été éliminée.
m(t_{\frac{1}{2}})=\frac{m_0}{2}