Annale corrigée Exercice Ancien programme

Une odeur d'ananas

Amérique du Sud • Novembre 2017

Exercice 3 • 5 points • 50 min

Une odeur d'ananas

Les thèmes clés

Structure et transformation de la matière

Réaction de synthèse organique

 

Les esters ont des arômes souvent agréables et fruités, et sont utilisés dans l'industrie alimentaire pour reproduire des arômes de fruits. Leur synthèse, qui nécessite l'utilisation d'un alcool et d'un acide carboxylique, est généralement facile à réaliser en laboratoire.

Présentation de la réaction d'estérification

L'estérification est une réaction chimique permettant de former un ester à partir d'un acide carboxylique et d'un alcool. En se plaçant dans un cas général, si l'acide carboxylique a pour formule R1CO2H et l'alcool R2OH, alors l'ester formé sera R1CO2R2 selon la réaction d'équation :

pchT_1711_02_00C_01

R1 et R2 sont des groupements alkyles.

Données

H

C

O

Numéro atomique Z

1

6

8

Masse molaire atomique M (en g mol–1)

1,0

12,0

16,0

Électronégativité (échelle de Pauling)

2,1

2,5

3,5

Bandes d'absorption caractéristiques en IR

Liaison

Nombre d'onde (cm–1)

Intensité

OH (alcool)

3 200 à 3 400

forte, large

OH (acide carboxylique)

2 500 à 3 200

forte à moyenne, large

CH (carbone tétraédrique)

2 800 à 3 000

forte

CO

1 650 à 1 750

forte

CO

1 050 à 1 450

forte

1. étude du mécanisme réactionnel
de la réaction d'estérification 35 min

On s'intéresse à la réaction de formation d'un ester à partir d'acide pentanoïque et d'éthanol.

Acide pentanoïque

C5H10O2

pchT_1711_02_00C_02

Éthanol

C2H6O

pchT_1711_02_00C_03

1 Écrire l'équation de la réaction de cette synthèse en utilisant les formules topologiques des espèces mises en jeu. (0,75 point)

2 Le spectre infrarouge du produit obtenu après extraction est présenté ci-dessous. Quelles informations sur ce spectre permettent de savoir si la réaction a bien eu lieu ? (1 point)

pchT_1711_02_00C_04

https://sdbs.db.aist.go.jp

3 La réaction présente un mécanisme réactionnel, en plusieurs étapes. L'une des étapes est représentée ci-dessous.

pchT_1711_02_00C_05

1. Reproduire cette étape sur la copie. Ajouter les doublets non liants manquants et représenter la (les) flèche(s) courbe(s) rendant compte de cette étape. (0,5 point)

2. À quelle catégorie de réaction appartient cette étape ? (0,5 point)

2. réalisation de la synthèse
de l'arôme d'ananas 25 min

La synthèse de l'arôme d'ananas a été réalisée au laboratoire mais il manque des informations dans le cahier de laboratoire. Les quantités de réactifs utilisés pour être dans les proportions stœchiométriques sont indiquées mais la nature des réactifs n'est pas précisée.

Réactifs présents au laboratoire

Nom

Formules

chimiques

Caractéristiques physiques

Pictogrammes

Acide propanoïque

C3H6O

M = 74,1 g ∙ mol–1

d = 0,99

Tfusion : – 21,0 °C

Tébullition : 141 °C

pchT_1711_02_00C_06

Acide butanoïque

C4H8O2

M = 88,0 g ∙ mol–1

d = 0,96

Tfusion : – 7,9 °C

Tébullition : 164 °C

pchT_1711_02_00C_06

Éthanol

C2H6O

M = 46,0 g ∙ mol–1

d = 0,79

Tfusion : – 117 °C

Tébullition : 79 °C

pchT_1711_02_00C_07

Acide sulfurique concentré

H2SO4

M = 98,1 g ∙ mol–1

d = 1,83

pchT_1711_02_00C_06

Extrait du cahier de laboratoire

Dans un ballon de 150 mL, afin d'être dans des proportions stœchiométriques, introduire 10,5 mL d'alcool et 16,5 mL d'acide carboxylique.

Ajouter quelques gouttes d'acide sulfurique concentré et agiter le milieu réactionnel.

Faire chauffer à reflux pendant 30 minutes.

Après avoir été synthétisé, l'ester est isolé.

1 À l'aide des notes prises sur le cahier de laboratoire et des réactifs à disposition, déterminer l'acide carboxylique utilisé. (1,5 point)

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

2 Indiquer les précautions à prendre lors du prélèvement des réactifs. Justifier. (0,5 point)

3 Pourquoi chauffe-t-on à reflux ? (0,25 point)

Les clés du sujet

Partie 1

2 Les réactifs de cette transformation chimiques possèdent une liaison chimique qui ne se retrouve pas dans les produits… Laquelle ? Qu'est-ce que cela changerait sur le spectre IR ?

3 1. Cherchez les différences entre les réactifs et les produits et surtout les différences de liaisons chimiques et de charges électriques. Ensuite trouvez, autour de ces différences, les centres donneurs et les centres accepteurs d'électrons.

Partie 2

1 Il s'agit d'une résolution de problème (voir  fiche 7  en fin d'ouvrage). Votre réponse doit suivre plusieurs étapes :

justifiez que c'est l'éthanol qui est utilisé comme alcool 

déterminez la quantité de matière d'éthanol 

trouvez celle de l'acide en n'oubliant pas que l'expression « proportions stœchiométriques » signifie que les réactifs doivent suivre les coefficients stœchiométriques de l'équation de réaction 

comparez avec les quantités de matière des deux acides proposés.

Corrigé

1. étude du mécanisme réactionnel
de la réaction d'estérification

1 Écrire des formules topologiques

notez bien

Sur les formules topologiques, seuls les atomes autres que C et H sont représentés. H est cependant représenté quand il est lié à un hétéroatome.

Grâce aux formules topologiques, on peut représenter la réaction d'estérification à partir de l'acide pentanoïque et de l'éthanol comme ci-dessous.

pchT_1711_02_00C_08

2 Interpréter un spectre IR

Lors de la réaction, les deux liaisons OH doivent « disparaître » : celle de l'éthanol et celle de l'acide carboxylique.

Or, d'après les données fournies, ces liaisons covalentes possèdent une large bande d'absorption caractéristique entre 3 200 cm–1 et 3 400 cm–1 de nombre d'onde pour l'éthanol et entre 2 500 cm–1 et 3 200 cm–1 pour l'acide carboxylique.

Si cette bande n'est plus visible sur le spectre du produit de l'extraction alors celui-ci n'est ni l'éthanol, ni l'acide pentanoïque : c'est donc que la réaction chimique a bien eu lieu et qu'il s'agit du spectre infrarouge de l'ester synthétisé.

3 1. Schématiser un mécanisme réactionnel

attention !

Les flèches de mécanisme réactionnel sont courbes et vont du centre donneur vers le centre accepteur d'électrons.

pchT_1711_02_00C_09

2. Déterminer la catégorie d'une réaction organique

Il s'agit d'une réaction d'addition puisque l'on constate la « disparition » d'une double liaison CO au profit d'une liaison simple CO.

2. réalisation de la synthèse de l'arôme d'ananas

1 Détermination d'un réactif à partir des produits formés

D'après le cahier du laboratoire, l'ester synthétisé provient de la réaction entre un alcool et un acide carboxylique. Or d'après la liste des réactifs présents dans le laboratoire, le seul alcool est l'éthanol, donc ce dernier est bien l'un des deux réactifs.

De plus le cahier du laboratoire précise que ces réactifs ont été introduits dans les proportions stœchiométriques. D'après l'équation de la réaction demandée à la question 1 de la partie 1, il y a autant d'éthanol que d'acide carboxylique.

Calculons la quantité d'éthanol introduite initialement :

attention !

Vous devez connaître la masse volumique de l'eau :

ρeau = 1,0 g/mL = 1,0 kg/L

ni(éthanol)=ρ(éthanol)×V(éthanol)M(éthanol)=d(éthanol)×ρ(eau)×V(éthanol)M(éthanol)

ni(éthanol)=0,79×1×10,546=0,18 mol

Nous savons maintenant que l'on a dû utiliser 0,18 mol d'acide carboxylique (pour être dans les proportions stœchiométriques).

Nous savons aussi qu'il a été introduit 16,5 mL de cet acide à déterminer. Calculons la quantité correspondante de chacun des acides présents au laboratoire.

Pour l'acide propanoïque :

ni(ac prop)=d(ac prop)×ρ(eau)×V(ac prop)M(ac prop)=0,99×1×16,574,1=0,22 mol

Pour l'acide butanoïque :

ni(ac but)=d(ac but)×ρ(eau)×V(ac but)M(ac but)=0,96×1×16,588=0,18 mol

Le seul qui satisfasse les proportions stœchiométriques est l'acide butanoïque. C'est donc celui-ci qui a été utilisé pour la synthèse.

2 Donner les règles de sécurité à respecter

notez bien

La question porte sur les précautions à prendre par rapport aux réactifs. Il n'est donc pas nécessaire de tenir compte de l'acide sulfurique qui ici n'est pas utilisé comme réactif, mais comme catalyseur (en toute petite quantité).

D'après les pictogrammes des réactifs utilisés, il faut prendre les mesures de sécurité suivantes :

prélever l'acide butanoïque avec des gants (car il est corrosif

se tenir éloigné de toute flamme (car l'éthanol est inflammable).

Évidemment, comme pour toute manipulation chimique, il faut aussi porter une blouse fermée, avoir les cheveux attachés, s'ils sont longs, et porter des lunettes de protection pour éviter les projections d'espèces corrosives puisqu'ici les espèces sont liquides.

3 Justifier un élément de protocole expérimental

notez bien

Il s'agit d'une question très classique qui entraîne toujours cette réponse.

Le chauffage permet d'accélérer la réaction de synthèse mais si l'on n'utilise pas un dispositif à reflux, les espèces volatiles seront perdues par vaporisation, notamment l'éthanol qui a une température d'ébullition égale à 79 °C.

Le dispositif à reflux permet donc de chauffer le milieu réactionnel (donc d'accélérer la réaction) sans perdre ni produit, ni réactif.

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