2ème Année ICBE

VincentCéliaMartialPerrine

Projet de Chimie

Organique

Tuteur : M. Mathé 7 mai 2009

Sommaire

Introduction

I- Présentation du colorant à synthétiser : le cristal violet

A Les colorants

B Notre colorant : le cristal violet

II- La synthèse du cristal violet

A La manipulation

B La purification

C L'analyse spectrophotométrique

III- Les applications du cristal violet

A Utilisation comme indicateur coloré dans une réaction de dosage

B Utilisation dans la coloration de Gram

C Utilisation pour la révélation d'emprunte digitale

D Solvatochromie

Conclusion

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Introduction

Nous sommes amenés en deuxième année ICBE à organiser un TP sur un des sujets proposés. Le but étant de nous faire connaître la difficulté de préparer un TP, le coût de celui-ci ou encore de pouvoir choisir parmi les protocoles qui nous intéressent. Nous avons choisi de synthétiser le cristal violet, plus généralement appelé violet de gentiane. Les applications industrielles des colorants synthétiques sont très diverses : le textile, l’alimentaire… C’est pourquoi nous avons choisi de travailler sur ce sujet. Cela nous permettra d’acquérir dans ce domaine quelques notions élémentaires.

Dans une première partie nous aborderons la notion de colorant, puis nous verrons comment synthétiser le cristal violet et enfin nous nous intéresserons à quelques applications de ce colorant.

I- Présentation du colorant à synthétiser : le cristal violet

A. Les colorants

1) Histoire des colorants

Les premiers colorants furent utilisés pour la première fois il y a plus de 17 000 ans pour décorer les grottes de Lascaux. Les Egyptiens utilisaient (en 1500 avant JC) du safran pour colorer des textiles.

Jusqu’en 1850 tous les colorants utilisés étaient d’origine naturelle. En effet, c’est en 1856 que Sir William Henry Perkin, chimiste anglais, découvrit la mauvéine en tentant de synthétiser la quinine. Dès lors l’industrie des colorants synthétique s’est développée et petit à petit les colorants naturels ont été remplacés par les colorants synthétiques.

2) Les Colorants

En général les produits utilisés comme colorant sont des composés organiques aromatiques et insaturés. Leur coloration est intrinsèque et dépend d’un groupe chimique insaturé appelé chromophore. Ces groupes sont capables d’absorber l’énergie des photons dans une gamme du spectre visible, entre 400 nm et 800 nm. Il existe deux principaux types de chromophores : les systèmes à liaisons π conjuguées et les complexes métalliques autour d’un métal de transition.

Les systèmes à liaisons π conjuguées créent un nuage électronique pouvant entrer en résonance avec le rayonnement incident.

L’absorption d’un photon dans les complexes métalliques va se traduire par un saut d’électron vers une orbitale atomique supérieure. Le retour à l’état stable se fera par la libération d’un photon.

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B. Notre colorant : le cristal violet

Le violet de gentiane fait partie des triphénylméthanes (cf. fig. 1). Ce composé peut être plus ou moins méthylé (deux, quatre ou six groupements méthyle). La forme avec quatre méthyles se nomme le violet de méthyle ou méthyle violet 2B et celle avec six méthyles est appelée le cristal violet ou méthyle violet 10B. Il présente une coloration violette lorsque le pH est supérieur à 1,8 d’autant plus prononcée que le nombre de groupement méthyle est important. Le composé est jaune en dessous de ce pH qui varie légèrement en fonction du nombre de groupements méthyle.

II- La synthèse du cristal violet

Afin de synthétiser ce colorant, nous allons d’abord utiliser un procédé d’alkylation, puis une purification, et enfin analyser par spectrophotométrie le résultat obtenu.

A. La manipulation

Nous allons réaliser la synthèse du cristal violet par l’alkylation de Friedel-Crafts :

1) Précautions nécessaires   : N,N-diméthylanilineTétrachlorure de carboneChlorure d’ammonium

Les deux premières substances sont cancérogènes, et doivent donc être manipulées sous la hotte en portant des gants.

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Figure 1 Violet de Gentiane

Cristal violet (méthyle violet 10B) :

Formule brute : C25H30ClN3

Masse molaire : 407,9796 g.mol-1

Température de fusion : 215°CSolubilité dans l’eau à 25°C : 4 g/l

Le chlorure d’ammonium, quant à lui, réagit violemment avec l’eau en dégageant du chlorure d’hydrogène, qui est un composé toxique et corrosif. Il faudra donc également manipuler avec gants, lunettes de protection et sous la hotte.

2) Préparation du chlorure d’aluminium   :

Au contact de la vapeur d’eau présente dans l’air, le chlorure d’aluminium s’hydrolyse facilement pour donner de l’alumine et du chlorure d’hydrogène :

Il doit donc d’abord être purifié par sublimation :

Protocole expérimental   :

Dans un erlenmeyer, placer 1g environ d’AlCl3.Chauffer au bec Bunsen en le tenant avec des pinces en bois.Le chlorure d’aluminium se sublime et cristallise sur les parois supérieures froides de l’erlenmeyer. Il reste généralement un petit caillou d’alumine au fond.Retourner doucement le récipient pour se débarrasser du petit caillou, AlCl3 restant collé aux parois.Laisser refroidir quelques minutes dans un bain de glace.

3) Synthèse du cristal violet   :

Pendant le refroidissement du chlorure d’aluminium cristallisé nous allons commencer la synthèse elle-même :

Protocole expérimental   :

Préparer un mélange de 5 mL de diméthylaniline et 15 mL de CCl4.Verser ce mélange dans le premier erlenmeyer.Diverses colorations apparaissent allant du rouge au violet.Agiter un peu l’erlenmeyer pour améliorer le contact entre les réactifs et le catalyseur (AlCl3).Laisser reposer dans un bain de glace.Un solide foncé précipite.

4) Discussion   :

Equation globale de la synthèse :

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AlCl3

+ CCl4

Cette manipulation met en œuvre des alkylations successives par le même carbone électrophile :

Le premier réactif électrophile est formé par action du tétrachlorure de carbone sur le catalyseur AlCl3 lors de l’introduction du mélange dans le premier erlenmeyer :

Cet électrophile +CCl3 réagit avec l’aromatique en position para seulement, car les deux positions ortho sont encombrées par les groupements méthyle de l’amine tertiaire.

Et AlCl3 + HCl

Le produit formé peut donc à nouveau réagir avec le catalyseur pour engendrer un nouvel électrophile, stabilisé par conjugaison de la charge avec le cycle et son substituant.

Cet électrophile réagit à nouveau sur le N,N-diméthylaniline :

Et

AlCl3 + HCl

Ainsi, la réaction se poursuit de la même façon jusqu’au composé :

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+ +CCl3 +

+ AlCl3

+

D’où la réaction bilan :

Le composé final réagit à nouveau avec AlCl3 pour donner l’ion tri-N,N-diméthylanilinométhane :

,

Dans cet ion, la charge est délocalisée sur les trois cycles aromatiques et leurs substituants. Cette forte conjugaison est responsable de la coloration violette du composé. Les couleurs rouges que l’on peut observer au début de la réaction sont dues aux cations intermédiaires cités plus haut.

L’ion formé est faiblement soluble dans CCl4 mais notablement soluble dans l’eau, sous forme de chlorure. C’est un des constituants de l’encre violette.

La couleur du cation dépend des substituants de l’aromatique initial. Par exemple, le composé ci-dessous est le constituant coloré du vert malachite :

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3 + CCl4

AlCl3

+ 3HCl

B. La purification

Comme on obtient un précipité de cristal violet baigné dans l’eau, on décide de faire une filtration (pour séparer un solide d’un liquide). Pour enlever le maximum de liquide et aller plus vite, on fait une filtration sous vide (filtre Buchner).

Protocole expérimental   :

Filtrer le contenu de l’erlenmeyer où sont les produits de la synthèse sur filtre Büchner. Cesser de tirer sous vide.Laisser sécher (on pourra utiliser l’étuve), puis peser le produit obtenu

1) Schéma de l’installation   :

2) Précaution nécessaire   :

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Figure 2 : installation d’une filtration sur Büchner

Il faut faire attention lors de la filtration sur Büchner, d’arrêter la manipulation, c’est-à-dire d’enlever le tuyau à vide avant de couper l’eau, afin d’éviter les remontées d’eau dans l’erlenmeyer. On évite ainsi de polluer le précipité.

C. Analyse spectrophotométrique

Maintenant que nous avons synthétisé et purifié le cristal violet, nous allons vérifier la qualité du produit obtenu en le comparant avec du cristal violet industriel. Pour cela, trois méthodes sont possibles :

- La chromatographie sur couche mince (CCM)- La spectrophotométrie- Le banc Kofler

Nous n’utiliserons pas le banc Kofler. En effet, le produit obtenu sera pâteux, car il est difficile d’évaporer certains produits de la synthèse. Or, pour que l’étude sur banc Kofler soit précise, le produit doit être totalement sec et pur.

La CCM pourrait être utilisée, mais cette méthode ne nous permettrait pas d’obtenir des mesures précises. En effet, il faut mesurer le centre des tâches, dont il est difficile d’estimer la position, ce qui entraîne une première erreur, et de plus, les tâches sont souvent trop grosses pour pouvoir différencier les produits.

Nous effectuerons donc une analyse spectrophotométrique du produit que nous avons obtenu. Nous étudierons d’abord le colorant industriel, sensé être pur, à partir duquel nous réaliserons la courbe théorique d’absorption du cristal violet. Cette courbe devrait avoir l’allure suivante, avec un pic d’absorbance à 580 nm :

En effet, la couleur complémentaire du violet est le jaune qui absorbe à 580 nm, comme on peut le constater sur le schéma ci-contre.

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Protocole expérimental   :

Prendre une petite quantité de colorant industriel et diluer dans de l’eau distillée.Faire le zéro avec une cuve d’eau distilléeRéaliser le spectre théorique du cristal violetEffectuer une quinzaine de mesures régulièrement espacées entre 400 et 700 nm, plus 4 ou 5 autour de 580 nm.Ne pas oublier de refaire le zéro entre chaque mesure.

Maintenant que nous avons la courbe théorique d’absorption du cristal violet, nous pouvons déterminer la pureté de notre colorant synthétisé.

Pour cela, il suffit de mesurer l’absorbance de notre colorant à 580 nm et de déterminer sa concentration selon la loi de Beer-Lambert :

Loi de Beer-Lambert   : A = l C εA : Absorbanceε : coefficient d'extinction molaire (L.mol-1.cm-1)l : longueur de cuve traversée par la lumière (cm)C : concentration molaire (mol.L-1)A 580 nm, la valeur de ε devrait être de 112,000 M-1cm-1

Nous pourrons ainsi obtenir la concentration de notre produit et en déduire le rendement de la synthèse.

III- Les applications de notre colorant

A. Utilisation comme indicateur coloré dans une réaction de dosage

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Le cristal violet peut également servir d’indicateur coloré lors d’un dosage, puisqu’il est jaune sous sa forme acide et bleu-violet, sous sa forme basique. Quant à sa zone de virage, elle se situe entre pH 0,0 et pH 1,8.

Notre expérience consistera à doser une solution d’HCl, par une seconde solution d’HCl. On part d’une solution à pH 4,0 dans le bécher, pour arriver à une solution à pH 1,0. On utilisera à cet effet une solution titrante à 1 mol.L-1.

Pour cela, on calcule le volume qu’il est nécessaire de verser :

Au départ :

nbécher = [ H3O+] x Vtitrée = 10-pH x 50 x10-3 = 10-4 x 50 x10-3 = 50 x10-7 mol

A l’arrivée, on veut [H30+]f = 10-Ph = 10-1 mol.L-1

nfinal = [H30+]f x Vtitrée = 0,1 x 50 x 10-3 = 50 x 10-4 mol (en négligeant le volume versé

< volume dans le bécher)

D’où nversée = [solution titrante] x Vversé

On obtient Vversé = 50 x10 -4 – 50 x10 -7 = 4,995 x10-3 L 1

Protocole expérimental   :

Préparer 50 mL d’une solution de HCl à 10-4 mol.L-1 dans un bécher.Ajouter quelques gouttes de cristal violet.Verser la solution titrante de concentration C = 1 mol.L-1.

On pourra faire cette expérience une première fois assez rapidement pour repérer la zone de virage, et une seconde fois plus précisément. Relever Véq et conclure

Néanmoins, on peut d’ores et déjà dire que les calculs sont approximatifs, puisque à des concentrations si fortes, il faudrait prendre en compte les activités pour les faire. Mais l’importance de notre expérience réside dans l’observation du virage de notre colorant.

B. Utilisation dans la coloration de Gram

La coloration de Gram a été mise au point en 1884 par le bactériologiste danois Hans Christian Gram. Cette méthode de coloration met en évidence les propriétés de la paroi bactérienne et permet d’identifier et de classer les bactéries selon deux critères : leur type de paroi et leur forme. Cette technique d’identification par des colorants est ainsi utilisée dans les diagnostics de contamination afin d’adapter des traitements efficaces.

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La coloration de Gram est constituée de plusieurs étapes :

Dans un premier temps, on colore les bactéries à l’aide du violet de gentiane, celui-ci se fixe sur des composants cytoplasmiques des bactéries.

Ensuite, on effectue la fixation au lugol, autrement appelée étape de mordançage. Il s’agit de bien fixer la coloration interne.

Dans un troisième temps, on procède à la différenciation des bactéries. Pour cela, on les soumet à l’action de l’alcool (+ acétone = facultatif). Les bactéries se répartissent alors en deux catégories : celles qui conservent la coloration violette, que l’on qualifie de « Gram positives » et celles qui sont décolorées, les « Gram négatives ». Ce phénomène s’explique par la différence entre les parois de ces deux types de bactéries. Les « Gram négatives » possèdent une paroi riche en lipides, plutôt fine, qui laisse passer l’alcool, et qui en éliminant le violet de gentiane décolore le cytoplasme. Et au contraire, les « Gram positives » ont une paroi, plutôt épaisse, riche en protéines (peptidoglycane), qui se révèle être une barrière imperméable à l’alcool. Elles restent ainsi violettes.

La dernière étape est utilisée pour mieux visualiser mes bactéries décolorées. Pour cela, on utilise un traitement à la fuchsine ou à la safranine. Cette seconde coloration donne aux bactéries à Gram négatif une teinte rose-orangée.

On peut ainsi obtenir au microscope ce type d’observation :

Protocole expérimental   :

Utilisation d’un frottis fixé à l’alcool pendant 5 min.Recouvrir de violet de gentiane en versant le colorant en bout de lame et en le faisant glisser le long de la lame. Laisser agir de 30 secondes à 1 minute.De la même façon, appliquer la solution de lugol. Laisser agir 30 secondes. Refaire la manipulation pour plus de sécurité.Verser quelques gouttes d’alcool sur le frottis tenu verticalement jusqu’à ce que l’alcool s’écoule (5 secondes environ).Attention, entre chaque manipulation, il faut rincer la lame à l’eau déminéralisée pour éliminer les excédants.

Déposer une goutte d’huile à immersion sur la préparation.Observation de notre frottis à l’objectif x 100 et analyse.

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Figure 4 : Des bactéries à Gram négatif

(Escherichia coli)

Figure 3 : Des bactéries à Gram positif

(Bacillus subtillis)

C. Empreintes digitales

Le violet de Gentiane est un colorant qui, combiné aux protéines trouvées dans les sécrétions des glandes sébacées1, donne une réaction violet foncé.

Ainsi, il est généralement utilisé pour l’analyse des traces de sang et donne de très bons résultats pour la révélation d’empreintes sur la face adhésive des rubans et films.

Protocole expérimental   :

Laisser une empreinte digitale sur un ruban adhésif.Vaporiser du cristal violet sur la préparation.Répéter cette opération sur d’autres supports (papier, matériel plastique non adhésif,...)Observations et conclusions

D. Solvatochromie

La molécule du cristal violet étudiée possède une charge formelle positive. Cette charge implique la polarité de la molécule, qui peut donc interagir avec le solvant. Selon le solvant utilisé, la molécule sera stabilisée sous une certaine forme : c’est ce qu’on appelle le phénomène de solvatochromie, c’est-à-dire l’influence du solvant sur la charge de la molécule et donc la couleur sous laquelle elle nous apparaît.

Ainsi, l’utilisation de solvants différents entraînera des molécules différentes notamment de par l’intensité de la coloration : plus le cristal violet possède de groupements alkyles, plus il sera foncé.

Nous allons donc utiliser différents solvants polaires afin d’étudier la réaction du colorant.

Un solvant polaire est caractérisé par son moment dipolaire et sa constante diélectrique. Le moment dipolaire caractérise le dipôle du solvant. La constante diélectrique caractérise la permittivité du solvant.

Protocole de la solvatochromie   :

Dissoudre quelques grammes de colorant dans chaque solvantVérifier que la solution ne sature pas le spectrophotomètre à 580 nmTracer la courbe d’absorption pour chaque solvant en pensant à faire le blanc entre chaque mesure.

1 Glandes sébacées : Ce sont des glandes situées dans l'épiderme, à l'origine de la sécrétion du sébum qui est un corps gras (essentiellement

composé de triglycérides). En sécrétant le sébum, elles permettent à la peau de se protéger contre les agressions extérieures (bactériennes, excès de température), mais également de garder une certaine élasticité.

Solvants Constante diélectrique (ε) Moment dipolaire (μ Debye)

Ethanol 24,3 1,69

Diméthylsulfoxyde (DMSO) 45 3,96

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Le complémentaire du colorant violet étant le jaune, il absorbe à 580 nm. Nous devrions donc obtenir des courbes présentant un pic à 580 nm. Théoriquement, nous devrions obtenir un léger déplacement du maximum d’absorption selon le solvant. Le DMSO étant le solvant le plus polaire, le déplacement le plus important devrait avoir lieu avec ce solvant et entraîner un déplacement de la courbe vers la droite, c’est-à-dire vers une absorbance plus élevée. En effet, le cristal violet est plus stabilisé par le DMSO, ce qui se traduit par un mouvement de quelques nanomètres de la bande d’absorbance du cristal vers les grandes longueurs d’ondes. On appelle ce phénomène l’effet batochrome. Ce déplacement du pic d’absorbance signifie que la nuance du colorant dans le DMSO est plus foncée que dans l’éthanol.

Ces résultats sont pour l’instant purement théoriques et devront être vérifiés expérimentalement.

Conclusion

La mise en œuvre de cette manipulation nous a permis dans un premier temps de

découvrir comment établir un procédé de synthèse particulier, que nous pouvons généraliser à

tout procédé de synthèse : étude des propriétés du composé à synthétiser, recherche des

réactifs et des mécanismes nécessaires, établissement de la liste du matériel…

Ensuite, nous avons appris à être autonomes dans cette démarche, avec l’aide de M.

Mathé : à partir d’un objectif donné, chercher les bonnes informations, décider des différentes

expériences à mettre en place, organiser le groupe, mettre en commun les données, et préparer

l’analyse des résultats.

Enfin, nous avons pu appréhender ce à quoi un chimiste peut être confronté dans la

recherche ou l’industrie : prise en compte de tous les aspects de la réaction (réactifs, solvants,

mécanismes,…), préparation de la manipulation, recherche de la dangerosité et des prix des

produits, et enfin stress en vue du résultat de l’expérience… qu’il faudra analyser afin de

rendre des comptes.

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Sources

* Sites utilisés *

http://www.bacterio.cict.fr/bacdico/bacteriogene/gram.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Coloration_de_Gram

http://www.bvda.com/EN/sect1/en_1_12a.html

http://pagesperso-orange.fr/ptl/Repertoire/repertoire.html

www.wikipedia.fr,

www.fr.encarta.msn.com/encyclopedia_761557540/colorants.html

www.fr.wikipedia.org

en.wikipedia.org

* Bibliographie *

- Chimie Organique Expérimentale, de Blanchard-Desce, Editions Hermann

* Logiciels utilisés *

- Microsoft Word- ACDLabs ChemSketch

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