Synth�se
d'un ar�me, bac septembre 2021.
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L’�thanoate
de 3-m�thylbutyle est une esp�ce chimique odorante pr�sente notamment
dans les pommes m�res. Son odeur agr�able et sa faible toxicit�
permettent de l’utiliser comme ar�me dans les bonbons. Cette esp�ce
chimique appartient � la famille fonctionnelle des esters.
Cet exercice a pour objectif d’�tudier dans un premier temps les
esp�ces chimiques intervenant dans la synth�se de l’�thanoate de
3-m�thylbutyle, puis d’�tudier les conditions d’optimisation de cette
synth�se.
1.
Des r�actifs aux produits de la synth�se.
Les r�actifs sont l'acide �thano�que et le 3-m�thylbutan-1-ol. La
repr�sentation semi-d�velopp�e du 3 -m�thylbutan-1-ol est donn�e
ci-dessous.
1.1. Justifier le
nom de cet ester.
1.2. Donner sa
repr�sentation topologique et entourer le groupe caract�ristique.
Nommer la famille fonctionnelle correspondante.
La chaine carbon�e la plus grande compte 4 atomes de carbone , elle
nous rappelle celle du butane.
Il y a deux substituants : OH hydroxyle, prioritaire, et CH3
m�thyle.
L'atome de carbone porteur du groupe OHest situ� en bout de cha�ne, il
porte le num�ro 1.
D'o� le nom : 3-m�thylbutan-1-ol.
1.3. On donne
les spectres infrarouges des deux r�actifs. Identifier, en justifiant,
le spectre correspondant au 3-m�thylbutan-1-ol.
1.4. Repr�senter la
formule semi-d�velopp�e de l’�thanoate de 3-m�thylbutyle.
2. Optimisation de
la synth�se au laboratoire de l’�thanoate de 3-m�thylbutyle.
La synth�se de l’�thanoate de 3-m�thylbutyle est une transformation
lente et non totale.
Protocole de la
synth�se :
Verser dans un ballon un volume V1 de 3-m�thylbutan-1-ol,
une masse m2 d’acide �thano�que et un volume V3
d’acide sulfurique concentr�.
Le ballon, surmont� d’un r�frig�rant � air, est plac� dans un
bain-marie maintenant la temp�rature constante.
Pour montrer l’influence de certaines conditions exp�rimentales sur
cette synth�se, quatre exp�riences sont r�alis�es. Le tableau ci-apr�s
pr�sente les r�sultats exp�rimentaux pour quatre conditions diff�rentes.
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Exp�rience
1
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Exp�rience
2
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Exp�rience
3
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Exp�rience
4
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Temp�rature
�C
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30
|
30
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60
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60
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V1(mL)
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12,0
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12,0
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12,0
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36,0
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m2(g)
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6,62
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6,62
|
6,62
|
6,62
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V3(mL)
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0
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0,5
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0,5
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0,5
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temps
de demi r�action
|
plusieurs
mois
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plusieures
heures
|
une
dizaine de minutes
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inf�rieur
� 10 minutes
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2.1. Ecrire � l'aide des formules brutes, l'�quation de la r�action mod�lisant la synth�se.
acide �thano�que + 3-m�thylbutan-1-ol = �yhanoate de 3-m�thylbutyle + eau.
C2H4O2 + C5H12O = C7H14O2 +H2O.
2.2. Indiquer les conditions exp�riementales permettant d'optimiser la synth�se.
Pr�sence d'un catalyseur, l'acide sulfurique.
La temp�rature est un facteur cin�tique, travailler � 60�C.
Utiliser l'un des r�actifs en exc�s.
2.3.1. D�terminer les quantit�s de mati�re des r�actifs ( exp�rience 3). Qualifier ce m�lange.
Acide �thano�que ( M = 60 g / mol ) : n2 = m2 / 60 = 6,62 / 60 = 0,110 mol.
Alcool ( M =88,1 g/mol ; �=0,81 g / mL) : n1 = � V1 / M = 0,81 x 12,0 / 88,1 =0,110 mol.
Le m�lange est �quimolaire.
2.3.2. On obtient m3 = 6,20 g d'ester ( M =130,2 g / mol). D�terminer le rendement de cette synth�se et commenter.
Rendement = masse exp�rimentale / masse th�orique ( si la r�action �tait totale).
Masse th�orique : 0,110 x 130,2 =14,4 g.
Rendement : 6,20 / 14,4 =0,43 ( 43 %), valeur faible.
2.4. D�termination exp�rimentale du rendement de la synth�se de l’exp�rience 4.
� la fin de la synth�se, on s�pare la phase aqueuse de la phase
organique form�e dans le ballon. Cette phase aqueuse contient l’acide
�thano�que qui n’a pas r�agi et l’acide sulfurique. Ces deux acides
sont responsables de l’acidit� totale de la solution.
On r�alise 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-m�trie et les courbes pH = f(VB) et dpH
dV = f(VB) sont repr�sent�es.
2.4.1. �crire l’�quation de la r�action support du titrage entre l’acide �thano�que et l’ion hydroxyde.
CH3COOH + HO- --> CH3COO- + H2O.
2.4.2. D�terminer le volume d’hydroxyde de potassium n�cessaire pour titrer l’acide �thano�que.
6,7 mL d'apr�s le graphe.
2.4.3. En d�duire la quantit� de mati�re d’acide �thano�que restant � la fin de la synth�se dans l’exp�rience 4.
6,7 x 1,0 = 6,7 mmol.
2.4.4. D�terminer
la quantit� de mati�re d’ester form� et calculer le rendement de la
synth�se dans l’exp�rience 4. En d�duire un moyen d’optimiser le
rendement de cette synth�se.
Acide �thano�que initial : 0,110 mol.
Acide �thano�que ayant r�agi : 0,110 - 6,7 10-3 =0,103 mol.
Quantit� de mati�re 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 r�actif en exc�s, le rendement cro�t fortement.
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3. Am�lioration du rendement de la synth�se gr�ce � l’utilisation d’un tube d�canteur de Dean-Stark.
On r�alise de nouveau l’exp�rience 3 mais en utilisant un dispositif de
Dean-Stark, qui permet de s�parer en continu l’eau form�e du reste du
milieu r�actionnel. Le tube d�canteur de ce dispositif est initialement
vide. Un volume de 30 mL de cyclohexane est ajout� initialement dans le
milieu r�actionnel, puis on chauffe � reflux le m�lange r�actionnel.
On suppose que seuls l’eau et le cyclohexane se vaporisent alors que
les r�actifs et l’�thanoate de 3-m�thylbutyle restent dans le ballon.
Le cyclohexane et l’eau se liqu�fient dans le r�frig�rant � eau et
tombent dans le tube d�canteur du Dean-Stark. Lorsque le tube d�canteur
est plein, l’exc�s de phase A s’�coule dans le m�lange r�actionnel.
3.1. Identifier la nature des phases A et B pr�sentes dans le tube d�canteur. Justifier.
Le liquide le plus dense, l'eau, occupe la partie inf�rieure.La phase A est le cyclohexane.
3.2. Indiquer l’int�r�t de ce dispositif pour optimiser cette synth�se.
En �liminant l'un des produits de la r�action ( l'eau), on d�place l'�quilibre dans le sens direct, formation de l'ester.
3.3. Lorsque la transformation est termin�e, le volume d’eau recueilli dans le tube d�canteur est de V = 1,8 mL.
En d�duire la quantit� de mati�re d’ester form�. Conclure quant � l’efficacit� de ce dispositif.
Quantit� de mati�re d'eau : 1,8 / 18 = 0,10 mol.
Quantit� de mati�re d'ester form� : 0,10 mol.
Masse d'ester :0,10 x130,2 = 13,0 g.
Rendement : 13,0 / 14,4 =0,90 ( 90 %).
Le rendement est �lev�, ce dispositif est tr�s efficace.
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