Exercice corrigé Ancien programme

Synthèse d'un arôme, la vanilline


La vanille contient de nombreux composés aromatiques. La note dominante de son parfum est due à la molécule de vanilline (4-hydroxy-3-méthoxybenzaldéhyde) représentée ci-contre. Depuis plus d'un siècle, la vanilline est essentiellement produite artificiellement. Elle est très utilisée en parfumerie.

La synthèse de la vanilline se fait en trois étapes.

Première étape : synthèse de l'acétate d'isoeugénol à partir de l'isoeugénol.

La réaction est représentée par l'équation suivante :

Deuxième étape : transformation de l'acétate d'isoeugénol en acétate de vanilline.

Troisième étape : obtention de la vanilline par action de l'eau sur l'acétate de vanilline, selon une réaction schématisée ci-dessous :

On se propose d'étudier la première et la dernière étape de ce procédé chimique conduisant à la synthèse de la vanilline.

Les parties A et B sont indépendantes.

Données.

Espèce
chimique

Masse molaire

Quelques propriétés

Isoeugénol

164

Densité .
Nocif en cas d'ingestion et irritant pour les yeux, les voies respiratoires et la peau.

Acétate
d'isoeugénol

205

.
Soluble dans la plupart des solvants organiques et insoluble dans l'eau glacée.

Anhydride
éthanoïque

102

Densité .
Corrosif, inflammable, provoque des brûlures.

Réagit avec l'eau.

Partie A. Synthèse de l'acétate d'isoeugénol

Mode opératoire :

  •  Dans un ballon de 250 mL, introduire 10,0 g d'isoeugénol, 20,0 mL d'anhydride acétique (anhydride éthanoïque) et quelques gouttes d'acide orthophosphorique.
  •  Chauffer en utilisant un montage à reflux et maintenir une ébullition douce pendant 30 minutes.
  •  Refroidir jusqu'à température ambiante.
  •  Verser le contenu du ballon dans un bécher contenant 30 mL d'eau glacée, tout en agitant.
  •  Filtrer sur büchner et laver les cristaux formés avec de l'eau glacée.

1. Quel est le rôle du montage à reflux ?

2. Quelles précautions faut-il prendre pour manipuler l'anhydride éthanoïque ?

3. L'acide orthophosphorique est un catalyseur de la synthèse. Quel est son rôle ?

4. Quelle est la formule semi-développée et le nom de l'espèce A qui se forme au cours de la réaction de synthèse étudiée ?

5. Pourquoi verse-t-on le contenu du ballon dans l'eau glacée ?

6. a. Calculer la quantité de matière initiale de chacun des réactifs.

b. L'expérimentateur a obtenu 11,3 g de cristaux d'acétate d'isoeugénol. Calculer le rendement de la synthèse.

Partie B. Synthèse de la vanilline

1. Donner le nom et la formule semi-développée de l'espèce chimique B.

2. Comment peut-on déplacer l'état d'équilibre du système dans le sens favorable à la synthèse de la vanilline ?

Partie C. Analyse des étapes

Finalement l'ensemble de la synthèse peut se résumer par les équations suivantes :

1. Entourer et nommer le groupe fonctionnel présent dans la molécule de vanilline formé dans la seconde étape. De quelle famille de composés organique est-il caractéristique ?

2. Quel est le rôle de la première étape ?

3. Que peut-on en déduire quant à la réactivité du groupe hydroxyle dans la molécule d'isoeugénol.

Partie A

1. Le montage à reflux est un montage permettant de chauffer un mélange réactionnel, donc d'accélérer une réaction, sans perdre de matière par évaporation et sans avoir de surpression due à l'élévation de température.

2. D'après les indications données, il faut le manipuler avec des gants et des lunettes (corrosivité) et utiliser une verrerie sèche (car il réagit avec l'eau). Il faut de plus éviter les flammes à proximité (inflammable).

3. Le rôle d'un catalyseur est d'augmenter la vitesse d'une réaction.

4. Dans cette transformation, il s'est formé une fonction ester. La molécule A est donc un acide carboxylique. Ici c'est l'acide éthanoïque.

5. L'eau glacée sert à diminuer radicalement la température et donc à stopper la réaction chimique.

6. a. Quantité initiale d'isoeugénol : .

Quantité initiale d'anhydride :

.

b. D'après les coefficients stœchiométriques de la réaction, le réactif limitant est l'isoeugénol et on devrait former d'acétate d'eugénol à la fin de la réaction si celle-ci était totale.

Ce qui correspond à une masse théorique

.

Le rendement de la réaction est donc .

Partie B

1. La molécule B est l'acide éthanoïque  puisque la dernière étape est l'hydrolyse d'un ester.

2. Pour déplacer un équilibre, on peut soit ajouter un des réactifs, soit retirer un des produits de la réaction. Ici, on pourrait utiliser un grand excès d'eau ce qui augmenterait le rendement et donc la production de vanilline.

Partie C

1. La vanilline est synthétisée à la fin de la troisième étape. C'est la molécule suivante :

Il s'agit d'un groupe carbonyle. Il est caractéristique des composés carbonylés qui se séparent en deux familles organiques : les aldéhydes et les cétones.

Ici c'est une fonction aldéhyde car le groupe carbonyle est porté par un carbone terminal.

2. La première étape est une réaction de protection de fonction. Ici, elle sert à protéger la fonction alcool de l'isoeugénol. La troisième étape sert justement à retrouver ce groupe hydroxyle intact grâce à la protection pendant la seconde étape.

3. On ne protège que les fonctions qui risquent de réagir par la suite. Donc ici, on peut en déduire que le groupe carbonyle serait susceptible de réagir lors de la deuxième étape, donc qu'il serait oxydé par l'oxydant utilisé.

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