Synthèse d'un arôme, bac septembre 2021.

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L’éthanoate de 3-méthylbutyle est une espèce chimique odorante présente notamment dans les pommes mûres. Son odeur agréable et sa faible toxicité permettent de l’utiliser comme arôme dans les bonbons. Cette espèce chimique appartient à la famille fonctionnelle des esters.
Cet exercice a pour objectif d’étudier dans un premier temps les espèces chimiques intervenant dans la synthèse de l’éthanoate de 3-méthylbutyle, puis d’étudier les conditions d’optimisation de cette synthèse.
1. Des réactifs aux produits de la synthèse.
Les réactifs sont l'acide éthanoïque et le 3-méthylbutan-1-ol. La représentation semi-développée du 3 -méthylbutan-1-ol est donnée ci-dessous.
1.1. Justifier le nom de cet ester.
1.2. Donner sa représentation topologique et entourer le groupe caractéristique. Nommer la famille fonctionnelle correspondante.
La chaine carbonée la plus grande compte 4 atomes de carbone , elle nous rappelle celle du butane.
Il y a deux substituants  : OH hydroxyle, prioritaire, et CH3 méthyle.
L'atome de carbone porteur du groupe OHest situé en bout de chaîne, il porte le numéro 1.
D'où le nom :
3-méthylbutan-1-ol.

1.3. On donne  les spectres infrarouges des deux réactifs. Identifier, en justifiant, le spectre correspondant au 3-méthylbutan-1-ol.

1.4. Représenter la formule semi-développée de l’éthanoate de 3-méthylbutyle.

2. Optimisation de la synthèse au laboratoire de l’éthanoate de 3-méthylbutyle.
La synthèse de l’éthanoate de 3-méthylbutyle est une transformation lente et non totale.
Protocole de la synthèse :
Verser dans un ballon un volume V1 de 3-méthylbutan-1-ol, une masse m2 d’acide éthanoïque et un volume V3 d’acide sulfurique concentré.
Le ballon, surmonté d’un réfrigérant à air, est placé dans un bain-marie maintenant la température constante.
Pour montrer l’influence de certaines conditions expérimentales sur cette synthèse, quatre expériences sont réalisées. Le tableau ci-après présente les résultats expérimentaux pour quatre conditions différentes.

Expérience 1
Expérience 2
Expérience 3
Expérience 4
Température °C
30
30
60
60
V1(mL)
12,0
12,0
12,0
36,0
m2(g)
6,62
6,62
6,62
6,62
V3(mL)
0
0,5
0,5
0,5
temps de demi réaction
plusieurs mois
plusieures heures
une dizaine de minutes
inférieur à 10 minutes
2.1. Ecrire à l'aide des formules brutes, l'équation de la réaction modélisant la synthèse.
acide éthanoïque + 3-méthylbutan-1-ol = éyhanoate de 3-méthylbutyle + eau.
C2H4O2
+C5H12O = C7H14O2 +H2O.
2.2. Indiquer les conditions expériementales permettant d'optimiser la synthèse.
Présence d'un catalyseur, l'acide sulfurique.
La température est un facteur cinétique, travailler à 60°C.
Utiliser l'un des réactifs en excès.

2.3.1. Déterminer les quantités de matière des réactifs ( expérience 3). Qualifier ce mélange.
Acide éthanoïque ( M = 60 g / mol ) : n2 = m2 / 60 = 6,62 / 60 = 0,110 mol.
Alcool ( M =88,1 g/mol ; µ=0,81 g / mL) : n1 = µ V1 / M = 0,81 x 12,0 / 88,1 =0,110 mol.
Le mélange est équimolaire.
2.3.2. On obtient m3 = 6,20 g d'ester ( M =130,2 g / mol). Déterminer le rendement de cette synthèse et commenter.
Rendement = masse expérimentale / masse théorique ( si la réaction était totale).
Masse théorique : 0,110 x 130,2 =14,4 g.
Rendement : 6,20 / 14,4 =0,43 ( 43 %), valeur faible.
2.4. Détermination expérimentale du rendement de la synthèse de l’expérience 4.
À la fin de la synthèse, on sépare la phase aqueuse de la phase organique formée dans le ballon. Cette phase aqueuse contient l’acide éthanoïque qui n’a pas réagi et l’acide sulfurique. Ces deux acides sont responsables de l’acidité totale de la solution.
On réalise un titrage acido-basique de cette phase aqueuse, avec comme solution titrante une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (K+(aq) ; HO-(aq)) de concentration CB = 1,0 mol·L-1. Ce titrage est suivi par pH-métrie et les courbes pH = f(VB) et dpH
dV = f(VB) sont représentées.

2.4.1. Écrire l’équation de la réaction support du titrage entre l’acide éthanoïque et l’ion hydroxyde.
CH3COOH + HO- --> CH3COO- + H2O.
2.4.2. Déterminer le volume d’hydroxyde de potassium nécessaire pour titrer l’acide éthanoïque.
6,7 mL d'après le graphe.
2.4.3. En déduire la quantité de matière d’acide éthanoïque restant à la fin de la synthèse dans l’expérience 4.
6,7 x 1,0 = 6,7 mmol.
2.4.4. Déterminer la quantité de matière d’ester formé et calculer le rendement de la synthèse dans l’expérience 4. En déduire un moyen d’optimiser le rendement de cette synthèse.
Acide éthanoïque initial : 0,110 mol.
Acide éthanoïque ayant réagi : 0,110 - 6,7 10-3 =0,103 mol.
Quantité de matière d'ester : 0,103 mol.
Masse d'ester : 0,103 x130,2 =13,4 g.
Rendement : 13,4 / 14,4 =0,93 ( 93 %).
En utilisant un réactif en excès, le rendement croît fortement.

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3. Amélioration du rendement de la synthèse grâce à l’utilisation d’un tube décanteur de Dean-Stark.
On réalise de nouveau l’expérience 3 mais en utilisant un dispositif de Dean-Stark, qui permet de séparer en continu l’eau formée du reste du milieu réactionnel. Le tube décanteur de ce dispositif est initialement vide. Un volume de 30 mL de cyclohexane est ajouté initialement dans le milieu réactionnel, puis on chauffe à reflux le mélange réactionnel.
On suppose que seuls l’eau et le cyclohexane se vaporisent alors que les réactifs et l’éthanoate de 3-méthylbutyle restent dans le ballon. Le cyclohexane et l’eau se liquéfient dans le réfrigérant à eau et tombent dans le tube décanteur du Dean-Stark. Lorsque le tube décanteur est plein, l’excès de phase A s’écoule dans le mélange réactionnel.

3.1. Identifier la nature des phases A et B présentes dans le tube décanteur. Justifier.
Le liquide le plus dense, l'eau, occupe la partie inférieure.La phase A est le cyclohexane.
3.2. Indiquer l’intérêt de ce dispositif pour optimiser cette synthèse.
En éliminant l'un des produits de la réaction ( l'eau), on déplace l'équilibre dans le sens direct, formation de l'ester.
3.3. Lorsque la transformation est terminée, le volume d’eau recueilli dans le tube décanteur est de V = 1,8 mL.
En déduire la quantité de matière d’ester formé. Conclure quant à l’efficacité de ce dispositif.
Quantité de matière d'eau : 1,8 / 18 = 0,10 mol.
Quantité de matière d'ester formé : 0,10 mol.
Masse d'ester :0,10 x130,2 = 13,0 g.
Rendement : 13,0 / 14,4 =0,90  ( 90 %).
Le rendement est élevé, ce dispositif est très efficace.


  
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