Protection solaire

E3C2 – 10 points – Durée 1h – calculatrice autorisée

Sujet n°G1SPHCH02694

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Le rayonnement solaire est indispensable à la synthèse de la vitamine D, essentielle pour la croissance, et il a des effets antidépressifs, mais son caractère nocif en cas d’exposition prolongée est aussi reconnu. La photoprotection désigne tous les moyens de protection contre les effets néfastes du rayonnement solaire.

L’acide para-aminobenzoïque ou acide 4-aminobenzoïque, représenté ci-contre, a des propriétés de photoprotecteur. Il est nommé PABA (pour « para-aminobenzoic acid »).

Le rayonnement solaire qui atteint la Terre est composé de rayonnements infrarouges, de lumière visible et de rayonnements ultraviolets potentiellement nocifs, comme l’indique le tableau ci-après. Les crèmes de protection solaire qui contiennent des substances actives appelées filtres organiques agissent par absorption d’une partie des rayonnements ultraviolets. Le PABA est le plus ancien filtre organique. Utilisé dès le début des années 70 dans les crèmes solaires, il est résistant à l’eau et la transpiration. Cependant, en raison de son instabilité au soleil et de son potentiel allergisant, il a été peu à peu abandonné.

• Classification des rayonnements ultraviolets (ou UV) : 

UV	UVC	UVB	UVA
Filtrés par la couche d’ozone	totalement	partiellement	non
Gamme de longueur d’onde λ (nm)	< 280	280 – 315	315 – 400
Danger		Coups de soleil Facteur principal de cancers de la peau	Vue (cataracte) Vieillissement de la peau Rôle dans l’apparition de cancers de la peau

D’après fiches pratiques du DGCCRF et cosmeticobs.com

Dans cet exercice seront étudiés le rôle de PABA comme photoprotecteur et comme réactif pour produire une autre substance active utile pour soulager des « coups de soleil ».

Données :

• Masse molaire moléculaire : M_(PABA) = 137 g·mol^-1 M(éthanol) = 46 g·mol^-1 ; M(benzocaïne) = 165 g·mol^-1 ; 
• Masse volumique : ρ(éthanol) = 0,79 g·mL^-1

1. Protéger sa peau

L’acide para-aminobenzoïque est préconisé dans la prévention et le traitement de certaines maladies de la peau dues au soleil ; il est alors utilisé par voie interne, sous forme de comprimés à avaler, avant une exposition solaire, mais peut aussi être utilisé par voie externe dans une crème, pendant l’exposition.

On donne ci-dessous l’allure du spectre UV-visible du PABA en solution dans l’éthanol

D’après J. Soc. Cosmet. Chem., 1987

1.1. Estimer la quantité de matière de PABA contenue dans un comprimé enrobé comportant 1000 mg de substance active.

$n=\frac{m}{M}$
$n=\frac{1000.10^{-3}}{137}=7,30.10^{-3}\ mol$

1.2. Indiquer si une solution de PABA dans l’éthanol est colorée. Justifier.

1.3. Justifier que le PABA est un filtre organique solaire.

Le PABA est un donc filtre organique solaire.

2. Soulager sa peau

Le « coup de soleil » est  une brûlure, généralement du premier degré, causée par une exposition prolongée au rayonnement solaire  de la peau non protégée ; il peut être très douloureux. La benzocaïne est un anesthésique local pouvant être utilisé dans les médicaments soulageant les brûlures mineures.

Sa synthèse au laboratoire peut s’effectuer à partir du PABA et elle est modélisée par la réaction d’équation suivante :

Le protocole expérimental mis en œuvre est le suivant.

Dans un ballon de 100 mL introduire une masse m_PABA= 1,50 g (10,9 mmol) de PABA et un volume V = 20 mL d’éthanol pur. Agiter jusqu’à dissolution du solide et ajouter, avec précaution, environ 2 mL d’acide sulfurique concentré. Adapter au ballon un réfrigérant à eau et porter le mélange au reflux pendant une heure. À la fin du chauffage, laisser revenir le mélange réactionnel à température ambiante […]                      D’après Bac2006, Bac2015 et Iftlm.fr

2.1. Réaction modélisant la synthèse de la benzocaïne

2.1.1. Justifier le nom  éthanol  associé au deuxième réactif.

Ethanol CH₃-CH₂-OH :

• éthan : 2 atomes de carbone
• ol : Présence d’un groupe OH (hydroxyle) de la famille des alcools

2.1.2. Ecrire l’équation de la synthèse de la benzocaïne en utilisant les formules brutes et en déduire quel est le produit secondaire accompagnant sa formation.

PABA : C₇H₇NO₂

éthanol : C₂H₆O

Benzocaïne : C₉H₁₁NO₂

C₇H₇NO₂ + C₂H₆O   = C₉H₁₁NO₂  + Produit secondaire

Il y a conservation des éléments lors d’une réaction chimique.

Atomes	Réactifs	Produits (sans le produit secondaire)
Carbone	9	9
Hydrogène	13	11
Azote	1	1
Oxygène	3	2

Le produit secondaire est composé des atomes restants : 2 hydrogène et 1 oxygène.

La formule du produit secondaire est H₂O.

2.1.3. Reproduire et compléter le tableau d’avancement suivant puis montrer que PABA est le réactif limitant.

Équation de réaction		+                   = C9H11NO2 +
	Avancement (en mol)	Quantités de matière (en mol)
État initial	0	1,09×10-2			0
État intermédiaire	X

Calculons la quantité initiale d’éthanol :
$n_{éthanol}^i=\frac{m_{éthanol}^i}{M_{éthanol}}$
Or
$m_{éthanol}^i=\rho_{éthanol}\times V_{éthanol}$
$n_{éthanol}^i=\frac{\rho_{éthanol}\times V_{éthanol}}{M_{éthanol}}$
$n_{éthanol}^i=\frac{0,79\times20}{46}=3,4.10^{-1}\ mol$

Équation de réaction		C7H7NO2	+  C2H6O	=C9H11NO2	+  H2O
	Avancement (en mol)	Quantités de matière (en mol)
État initial	0	1,09.10-2	3,4.10-1	0	0
État intermédiaire	X	1,09.10-2-x	3,4.10-1-x	x	x

Pour déterminer le réactif limitant, calculons l’avancement maximal xmax :
$1,09.10^{-2}-x_{max1}=0 \Rightarrow x_{max1}=1,09.10^{-2}\ mol$
$3,4.10^{-1}-x_{max2}=0 \Rightarrow x_{max2}=3,4.10^{-1}\ mol$

$x_{max1}<x_{max2}$ , donc le PABA est le réactif limitant.

2.1.4. Déterminer la composition finale du système dans l’hypothèse d’une transformation totale.

Si la transformation est totale, $x_{max}=x_{max1}=1,09.10^{-2}\ mol$

Équation de réaction		C7H7NO2	+  C2H6O	=C9H11NO2	+  H2O
	Avancement (en mol)	Quantités de matière (en mol)
État initial	0	1,09.10-2	3,4.10-1	0	0
État intermédiaire	X	1,09.10-2-x	3,4.10-1-x	x	x
État final (si la transformation est totale)	xmax=1,09.10-2	1,09.10-2– xmax =1,09.10-2– 1,09.10-2 =0	3,4.10-1– xmax =3,4.10-1– 1,09.10-2– =3,3.10-1	xmax=1,09.10-2	xmax=1,09.10-2

2.2. Protocole et résultats

2.2.1. Schématiser et légender le schéma expérimental du montage à reflux de la photo ci-contre.

http://www.ostralo.net/materieldelabo/pages/reflux.htm

À la fin des étapes de transformation et isolement, un solide blanc qualifié de « produit brut » est obtenu. Ce solide est ensuite purifié par recristallisation, et la poudre cristallisée blanche obtenue est séchée et pesée. On obtient une masse de produit sec purifié de 0,81 g. Une chromatographie sur couche mince est effectuée et le chromatogramme obtenu après révélation est reproduit ci-après.

Dépôt	Composé
A	PABA commercial
B	Produit brut
C	Produit recristallisé
D	Benzocaïne commerciale

D’après Bac2006, Bac2015 et Iftlm.fr

2.2.2. Justifier que la recristallisation a été efficace.

Le produit B (Produit brut) est composé de deux éléments : A (PABA) et D (Benzocaïne). Il n’est pas pur.

Le produit C (Produit recristallisé) est composé d’un seul éléments : D (Benzocaïne). Il est pur.

Ainsi la recristallisation a été efficace.

2.2.3. Déterminer la valeur du rendement de la synthèse. Commenter et proposer plusieurs hypothèses pouvant expliquer cette valeur.

Le rendement est défini par :

$\eta=\frac{m_{Experimentale}}{m_{Théorique}}$

$m_{Théorique}=n_{Théorique}\times M$
$m_{Théorique}=x_{max}\times M$
$m_{Théorique}=1,09.10^{-2}\times165=1,80\ g$

Donc

$\eta=\frac{m_{Experimentale}}{m_{Théorique}}=\frac{0,81}{1,80}=0,44=44%$

Le rendement est inferieur à 1 (ou 100%).

Voici les différentes hypothèses :
La réaction est limitée
La transformation n’est pas terminée
L’isolement du produit n’a pas été fait correctement

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