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L'acide cinnamique

Pondichéry • Mai 2018

Exercice 3 • 5 points • 50 min

L'acide cinnamique

Les thèmes clés

Synthétiser des molécules

 

L'acide cinnamique est utilisé dans l'industrie des parfums, des saveurs, des cosmétiques et dans l'industrie pharmaceutique. Il est présent dans certaines plantes comme le xuan shen (Scrophularia ningpoensis). Il s'agit d'une plante vivace qui pousse en Asie et principalement en Chine. Il peut également être facilement synthétisé en laboratoire à faible coût.

L'objectif de cet exercice est de comparer deux procédés d'obtention de l'acide cinnamique.

Données

Masses molaires atomiques :

M(C) = 12 g ∙ mol–1  M(H) = 1 g ∙ mol–1  M(O) = 16 g ∙ mol-1.

Espèce chimique

Caractéristiques

Formule

Benzaldéhyde

Formule brute : C7H6O

Masse molaire : 106 g ∙ mol–1

Tfusion = – 26 °C

Tébullition = 179 °C

Masse volumique à 20 °C :

ρ = 1,04 g ∙ mL-1

Peu soluble dans l'eau

pchT_1805_12_00C_01

Acide malonique

Formule brute C3H4O4

Masse molaire : 104 g ∙ mol–1

Tfusion = 135 °C

Soluble dans l'eau

pchT_1805_12_00C_02

Acide cinnamique

Masse molaire : 148 g ∙ mol–1

Tfusion = 135 °C

Tébullition = 300 °C

Peu soluble dans l'eau

pKA = 4,4

pchT_1805_12_00C_03

1. étude de la molécule d'acide cinnamique 10 min

1 À partir des informations données et de vos connaissances, vérifier la valeur de la masse molaire de l'acide cinnamique. Quel est son état physique à la température ambiante ? Justifier. (0,25 point)

2 Recopier la formule de la molécule d'acide cinnamique. Entourer le groupe caractéristique et nommer la fonction chimique correspondante. (0,25 point)

3 La molécule d'acide cinnamique présente un stéréoisomère noté A. Représenter la formule topologique du stéréoisomère A et nommer le type de stéréoisomérie de configuration qui le lie à l'acide cinnamique. (0,5 point)

2. synthèse de l'acide cinnamique au laboratoire 35 min

La synthèse de l'acide cinnamique peut se faire à partir du benzaldéhyde et de l'acide malonique selon la réaction d'équation suivante :

pchT_1805_12_00C_04

Le protocole expérimental de cette synthèse est le suivant.

Dans un ballon à fond rond, introduire 25,0 g d'acide malonique, 10,0 mL de benzaldéhyde, en présence de bêta-alanine et de ­pyridine. Placer un barreau aimanté.

Chauffer à reflux à 130 °C et agiter pendant une heure et demie.

Laisser refroidir, ajouter 130 mL d'eau froide puis de l'acide ­chlorhydrique concentré (H3O+, Claq) pour amener la valeur du pH du mélange à 1. L'acide cinnamique précipite.

1 Déterminer la formule brute de la molécule notée B. (0,5 point)

2 Choisir le nom, en nomenclature officielle, de l'acide malonique parmi les trois propositions suivantes : acide 2-méthylpropanoïque, acide propanedioïque, acide 3-hydroxypropanoïque. Justifier votre choix. (0,25 point)

3 Faire un schéma légendé du montage utilisé pour réaliser cette synthèse. (0,75 point)

4 Dans l'une des étapes de la synthèse, la pyridine réagit avec l'acide cinnamique dès sa formation suivant la réaction d'équation :

C6H5CHCHCOOH + C5H5N C6H5CHCHCOO + C5H5NH+

Quelle est la nature de la réaction ? Justifier. (0,25 point)

5 Proposer une justification pour expliquer l'apparition d'un précipité d'acide cinnamique lors de l'ajout d'acide chlorhydrique concentré. (0,5 point)

6 Proposer une méthode de récupération de l'acide cinnamique. (0,25 point)

7 Lors de la synthèse, des étudiants ont obtenu 11,6 g d'acide cinnamique.

Déterminer la valeur du rendement de la réaction. (1 point)

3. extraction de l'acide cinnamique du xuan shen 5 min

La teneur moyenne en acide cinnamique dans le xuan shen est de 0,35 mg pour un gramme de végétaux. On fait l'hypothèse que le rendement de l'extraction de l'acide cinnamique est de 80 %.

Estimer la masse de xuan shen nécessaire pour obtenir 10 g d'acide cinnamique. (0,5 point)

Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie même si elle n'a pas abouti. La démarche suivie est évaluée et nécessite donc d'être correctement présentée.

Les clés du sujet

Partie 1

1 Déterminez la formule brute de l'acide cinnamique.

Partie 2

3 Faites le schéma d'un montage de chauffage à reflux.

5 L'ajout d'acide chlorhydrique diminue le pH. Utilisez un diagramme de prédominance pour déterminer la forme prise par l'acide cinnamique (acide ou basique ?) puis utilisez la donnée sur la solubilité de l'acide cinnamique.

7 Utilisez la définition du rendement :

R=masse d'acide cinnamique obtenumasse maximale théorique d′ acide cinnamique

Corrigé

1. étude de la molécule d'acide cinnamique

1 Déterminer la masse molaire et l'état physique d'une espèce chimique

attention !

Trouver la valeur 148 g ∙ mol–1 ne suffit pas, il faut la justifier. Utilisez pour cela les grandeurs algébriques.

La masse molaire moléculaire est égale à la somme des masses molaires atomiques des constituants. La formule brute de l'acide cinnamique est C9H8O2, sa masse molaire est donc :

M(C9H8O2)=9M(C)+8M(H)+2M(O)M(C9H8O2)=9×12+8×1+2×16M(C9H8O2)=148gmol1

De plus, l'acide cinnamique est solide à la température ambiante puisque celle-ci est inférieure à la température de fusion (voir tableau des données).

2 Nommer un groupe fonctionnel

pchT_1805_12_00C_05

3 Représenter un stéréoisomère

pchT_1805_12_00C_06

Le stéréoisomère A est représenté ci-contre.

info

Même si l'isomérie Z/E est souvent vue en classe de 1re, il s'agit bien d'une isomérie spatiale, une stéréo­isomérie, et plus précisément une diastéréo­isomérie.

Le stéréoisomère A et l'acide cinnamique sont des diastéréoisomères de type Z/E.

L'acide cinnamique est l'isomère Z et le composé A est l'isomère E.

2. synthèse de l'acide cinnamique au laboratoire

1 Équilibrer une équation chimique

gagnez des points !

N'oubliez pas de justifier votre réponse par la loi de conservation de la matière.

Pour trouver la formule brute de la molécule B, nous utilisons la loi de conservation de la matière lors d'une réaction chimique : « Rien ne se perd. Rien ne se crée. Tout se transforme. » Tous les atomes présents dans les réactifs doivent donc se retrouver dans les produits de la réaction : c'est la loi de conservation de la matière.

L'équation de la réaction en formule brute est la suivante :

C7H6O + C3H4O4 C9H8O2 + H2O + B

B a donc pour formule brute CO2.

2 Déduire le nom systématique d'un composé polyfonctionnel

L'acide malonique possède deux groupes fonctionnels identiques, on doit donc retrouver le préfixe « di ». De plus, le groupe fonctionnel est un groupe carboxyle, donc le seul nom proposé qui peut correspondre est celui de l'acide propanedioïque. Le préfixe « di » est placé devant le suffixe « oïque », signifiant qu'il y a deux groupes carboxyle.

3 Schématiser le montage du chauffage à reflux

gagnez des points !

N'oubliez pas le support élévateur (présent pour raison de sécurité).

pchT_1805_12_00C_06bis

4 Reconnaître un type de réaction

Cette réaction est une réaction acido-basique puisqu'il s'agit d'un transfert de proton (ion H+). L'acide cinnamique perd un H+ pour devenir sa base conjuguée.

5 Justifier l'apparition d'un précipité

Lors de la synthèse de l'acide cinnamique, ce dernier est immédiatement transformé en sa base conjuguée par réaction avec la pyridine. L'ajout de la solution d'acide chlorhydrique a pour conséquence d'abaisser la valeur du pH jusqu'à la valeur de 1.

pchT_1805_12_00C_07

Or, ce pH est inférieur à la valeur du pKA du couple de l'acide cinnamique. Ainsi, d'après le diagramme de prédominance ci-dessus, on retrouve la forme acide du couple. De plus, les données indiquent que l'acide cinnamique est peu soluble dans l'eau, c'est donc pour cela qu'il y a précipitation.

6 Déterminer une technique expérimentale

L'acide cinnamique étant solide, on peut le récupérer en effectuant une filtration, et notamment une filtration sous pression réduite à l'aide d'un Buchner.

7 Calculer le rendement

Le rendement est défini par la relation :

R=masse d'acide cinnamique obtenumasse maximale théorique d'acide cinnamique

Pour déterminer la masse maximale théorique d'acide cinnamique formé, il faut revenir sur l'équation de sa réaction de synthèse :

pchT_1805_12_00C_04bis

Étant donné que les coefficients stœchiométriques des réactifs sont tous les deux égaux à 1, le réactif limitant est celui dont la quantité initiale est la plus petite.

Calculons alors ces quantités initiales :

ni(acide malonique)=mi(acide malonique)M(acide malonique)= 25104=2,40×101mol

ni(benzaldéhyde)=ρ(benzaldéhyde) × V(benzaldéhyde)M(benzaldéhyde)ni(benzaldéhyde)=1,04×10106=9,81×102mol

Le réactif limitant est donc le benzaldéhyde.

notez bien

Vous pouvez établir un tableau d'avancement pour déterminer la quantité maximale d'acide cinnamique formé.

D'après l'équation de la réaction, chaque mole de benzaldéhyde consommée permet d'obtenir une mole d'acide cinnamique, donc la quantité maximale d'acide cinnamique synthétisé est égale à la quantité de benzaldéhyde initiale, soit 9,81 × 10–2 mol.

Appelons mmax cette masse, cela donne :

mmax = 9,81 × 10–2 × M(acide cinnamique) = 14,5 g

Le rendement est alors :

R=masse d'acide cinnamique obtenumasse maximale théorique d'acide cinnamique=11,614,5=0,789

Le rendement est donc de 78,9 %.

3. extraction de l'acide cinnamique du xuan shen

attention !

Pensez à unifier les unités que vous utilisez ! Ici, pour harmoniser les masses d'acide cinnamique, nous avons choisi le milligramme.

D'après l'énoncé, il y a 0,35 mg d'acide cinnamique dans 1 g de xuan shen. Or, on arrive à en extraire uniquement 80 %, donc pour 1 g de végétal on ne peut en extraire que :

80100× 0,35 = 0,8 × 0,35 = 0,28 mg

À l'aide d'un produit en croix, on déduit que pour obtenir 10 g d'acide cinnamique il faut partir d'une masse de xuan shen :

mxuan shen =10 000×10,28=36×103g = 36 kg

Pour obtenir 10 g d'acide cinnamique il faut traiter 36 kg de ce végétal.

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