L’arôme de vanille

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Asie
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
L’arôme de vanille
 
 

Synthétiser des molécules, fabriquer de nouveaux matériaux

Corrigé

40

Agir

pchT_1306_05_02C

 

Asie • Juin 2013

Exercice 3 • 5 points


 

La vanille est le fruit d’une orchidée grimpante, le vanillier, qui a besoin d’un climat tropical chaud et humide pour se développer. On la cultive à Madagascar, à Tahiti, à La Réunion, en Amérique du Sud…

Elle est utilisée dans de nombreux domaines comme par exemple la parfumerie, l’industrie agro-alimentaire, en tant qu’intermédiaire de synthèse dans l’industrie pharmaceutique.

La composition de la gousse de vanille est très riche en arômes dont le principal est la vanilline. Du fait de son coût d’extraction élevé, on lui préfère souvent aujourd’hui la vanilline de synthèse ou encore l’éthylvanilline qui a un pouvoir aromatisant 2 à 4 fois plus grand.


 

 

1. À propos de la molécule de vanilline

1 La molécule de vanilline possède-t-elle un carbone asymétrique ? Justifier la réponse.

2 La molécule de vanilline possède plusieurs groupes caractéristiques.

Après avoir recopié la formule de la molécule, entourer et nommer deux d’entre eux.

3 Indiquer en justifiant brièvement si les propositions suivantes sont vraies ou fausses.

Proposition a : les molécules de vanilline et d’éthylvanilline sont isomères.

Proposition b : les molécules de vanilline et d’éthylvanilline sont chirales.

2. Dosage spectrophotométrique de la vanilline contenue dans un extrait de vanille acheté dans le commerce

Principe du dosage


 

La vanilline contenue dans un échantillon du commerce (solution aqueuse sucrée) est extraite par du dichlorométhane.

Un traitement basique à l’aide d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) permet ensuite de faire repasser la vanilline en solution aqueuse sous forme d’ion phénolate représenté ci-contre.

On réalise ensuite un dosage par étalonnage de cet ion par spectrophotométrie UV-visible afin de déterminer la concentration en vanilline de l’échantillon du commerce.

Protocole du dosage

Étape 1 : Extraction de la vanilline et passage en solution basique

  • À 1,0 mL d’échantillon de vanille liquide, on ajoute 10 mL d’eau distillée.
  • On procède à trois extractions successives en utilisant à chaque fois 20 mL de dichlorométhane.
  • À partir de la phase organique, on extrait trois fois la vanilline avec 50 mL d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium de concentration 0,1 mol . L–1.
  • On rassemble les phases aqueuses.

Étape 2 : Préparation de la solution à doser et mesure de son absorbance

On introduit les phases aqueuses précédentes dans une fiole jaugée de 250 mL et on complète jusqu’au trait de jauge avec la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium de concentration 0,1 mol . L–1.

La mesure de l’absorbance de la solution à doser donne A = 0,88.

Étape 3 : Préparation d’une gamme étalon de solutions de vanilline basique et mesure de leur absorbance

À partir d’une solution mère de vanilline, on prépare par dilution dans une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium de concentration 0,1 mol . L–1 des solutions filles et on mesure leur absorbance.

Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-dessous.

 

Solution fille

S1

S2

S3

S4

S5

Concentration en vanilline (mol · L–1)

5,0 × 10–5

4,0 × 10–5

3,0 × 10–5

2,0 × 10–5

1,0 × 10–5

Absorbance

1,36

1,08

0,81

0,54

0,27

 

Données

  • Couples acido-basiques de l’eau : H3O+/H2O et H2O/HO.
  • Dichlorométhane CH2Cl2 : densité d = 1,33 ; non miscible à l’eau.
  • Vanilline C8H8O3 :

Solubilité : soluble dans la plupart des solvants organiques, très peu soluble dans l’eau.

Masse molaire moléculaire : Mvanilline = 152 g . mol–1.

1 Lors de l’extraction par le dichlorométhane de la vanilline, indiquer sur le schéma donné sur le document 1 de l’annexe :

  • le nom de l’instrument de verrerie utilisé ;
  • en justifiant sa position, la phase dans laquelle se trouve la vanilline en fin d’extraction.

2 L’équation de réaction de la vanilline avec les ions hydroxyde de la solution d’hydroxyde de sodium s’écrit :


 

Dans la théorie de Brönsted, la vanilline est-elle un acide ou une base ? Expliquer la réponse.

3 Le spectre d’absorption UV-visible de l’ion phénolate est donné ci-dessous.


 

1. Cet ion absorbe-t-il dans le domaine du visible ? Justifier la réponse à l’aide du graphe ci-dessus.

2. On rappelle que la présence de sept liaisons conjuguées ou plus dans une molécule organique qui ne présente pas de groupe caractéristique forme le plus souvent une substance colorée. Les solutions basiques de vanilline sont-elles colorées ? Expliquer pourquoi à l’aide de la structure de l’ion phénolate.

41. Tracer sur papier millimétré donné en document 2 de l’annexe la courbe d’étalonnage A = f (c) (Échelle : 1 cm pour 0,10 en absorbance et 1 cm pour 0,50 × 10–5 mol . L–1 en concentration).

2. La loi de Beer-Lambert est vérifiée. À l’aide du graphique précédent, expliquer pourquoi elle s’énonce sous la forme A = k c.

5 Déterminer en détaillant la méthode utilisée la concentration en vanilline dans la solution à doser. On précise que la concentration en vanilline est égale à celle de l’ion phénolate.

6 Compte tenu du protocole suivi, en déduire la concentration en g . L–1 de vanilline dans l’échantillon de vanille liquide du commerce.

Annexe

Document 1

 
Document 2

 

Notions et compétences en jeu

Connaître l’énantiomérie • Connaître les techniques d’extraction • Savoir lire un protocole • Savoir doser par étalonnage • Savoir utiliser la loi de Beer Lambert.

Conseils du correcteur

Partie 1

1 Utilisez la définition d’asymétrique.

Partie 2

1 N’oubliez pas de lire les données de l’exercice.

41. Attention respectez l’échelle.

6 Attention aux dilutions éventuelles.

Corrigé

1. À propos de la molécule de vanilline

1 Reconnaître un carbone asymétrique

Pour être asymétrique, un atome de carbone doit être lié à quatre groupements d’atomes différents. Aucun atome de la molécule de vanilline ne possède cette particularité.

 

Notez bien

Pour repérer rapidement les carbones asymétriques, souvenez-vous que ne peuvent pas l’être ni ceux qui possèdent une liaison double, ni ceux du type –CH2 ou –CH3.

2 Nommer des groupes caractéristiques


 

3 Valider des affirmations

  • Proposition a : Faux car l’éthylvanilline possède un atome de carbone en plus.
  • Proposition b : Faux, les deux images de la vanilline sont superposables dans un miroir.
 

Notez bien

En effet, il suffit de faire tourner la molécule autour de cette liaison pour retrouver son image.


 

2. Dosage spectrophotométrique de la vanilline contenue dans un extrait de vanille acheté dans le commerce

1 Annoter un schéma d’extraction


 

La vanilline est insoluble dans l’eau et très soluble dans les solvants organiques. Le dichlorométhane est un solvant organique, la vanilline est donc solubilisée dans la phase organique.

 

Notez bien

Ce sont les densités des solvants qui déterminent les positions relatives des phases.

De plus, la densité du dichlorométhane est supérieure à celle de l’eau donc la phase organique, dans laquelle se trouve la vanilline, est la phase inférieure.

2 Identifier un acide ou une base

D’après l’équation, la vanilline donne un proton, celui lié au groupe hydroxyle. La vanilline est donc un acide puisqu’elle réagit selon la définition de Brönsted (espèce chimique capable de céder un proton).

31. Exploiter un graphique

Le graphe montre l’évolution de l’absorbance de l’ion phénolate en fonction de la longueur d’onde du rayonnement. On constate que cette absorbance est nulle pour les longueurs d’onde supérieures à 400 nm. Or le domaine du visible s’étend de 400 nm à 800 nm.

Cet ion n’absorbe donc pas dans le domaine visible.

2. Déterminer le nombre de liaisons conjuguées

Dans une solution basique, la vanilline se présente sous forme d’ion phénolate. Ce dernier n’est pas coloré puisqu’il n’absorbe pas dans le visible (question précédente).

En analysant sa formule topologique, on constate qu’il ne contient que 4 liaisons délocalisées (liaisons covalentes doubles séparées par une liaison simple), alors que l’énoncé évoque la nécessité d’en posséder au moins 7 pour être coloré. Les deux informations sont donc cohérentes.

 

Notez bien

Une molécule est obligatoirement neutre.

Remarque : La règle donnée dans l’énoncé concerne les liaisons conjuguées dans les molécules. L’ion phénolate est un ion et non une molécule. On a ici supposé que cette règle s’applique aussi sur les ions polyatomiques.

41. Tracer une courbe d’étalonnage


 

Voici la courbe d’étalonnage.

2. Exploitation de la courbe d’étalonnage

La courbe de l’absorbance A en fonction de la concentration c en vanilline est modélisable par une droite passant par l’origine. Il s’agit donc d’une fonction de type y = ax, ici A = k × c.

Les deux grandeurs sont proportionnelles.

5 Déterminer la concentration en vanilline

À l’aide du graphique, on détermine l’abscisse du point d’ordonnée 0,88 (en bleu).

On mesure ainsi c = 33 × 10–6 mol . L–1.

6 Déterminer une concentration après dilution

La solution dont on a mesuré l’absorbance a une concentration en vanilline égale à c = 3,3 × 10–5 mol . L–1.

Or d’après le protocole, la vanille commerciale a été diluée.

La dilution avant le dosage donne une solution diluée (solution-fille) de 250 mL dans laquelle il n’y a que 1 mL d’extrait de vanille (solution-mère).

  • 1re méthode

Lors de la dilution, la quantité de vanilline n’a pas été modifiée, donc la quantité dans la solution mère nm est égale à la quantité dans la solution fille nf :

nm = nf

cm × Vm = cf × Vf donc cm = cf×VfVm = cf × 2501

cm = cf × 250 = 8,1 × 10–3 mol . L–1.

On en déduit la concentration t en g . L–1 de l’extrait de vanille :

t = c × M avec M la masse molaire de la vanilline

t = c × M =8,1 × 10–3 × 152

t = 1,2 g . L–1

  • 2e méthode
 

Notez bien

Lorsque l’on dose un produit commercial, il y a souvent une étape de dilution avant !

La concentration molaire de cet extrait de vanille est divisée par un facteur 250 lors de la dilution :

cextrait vanille= csolution diluée × 250

= 8,1 × 10–3 mol . L–1

La suite est identique à la 1re méthode.