Annales gratuites Bac S : QCM : synthèse d'un ester

SYNTHESE D'UN ESTER (4 points)

L'huile essentielle de Gaulthérie autrement appelée "essence de Wintergreen" est issue d'un arbuste d'Amérique septentrionale: le palommier, également appelé "thé du Canada", "thé rouge", "thé de Terre Neuve". Cette substance est un anti-inflammatoire remarquable. Elle est aussi utilisée en parfumerie et comme arôme dans l'alimentation. Autrefois, elle était obtenue par distillation complète de la plante.

Cette huile est constituée principalement de salicylate de méthyle. Il est possible de synthétiser cet ester au laboratoire, à partir de l'acide salicylique et du méthanol selon la réaction d'équation :

C₇H₆O₃(s) + CH₄O (l) = C₈H₈O₃ (l) + H₂O (l)

Cet exercice comporte 13 AFFIRMATIONS concernant un mode opératoire de cette synthèse.

L'aide au calcul peut comporter des résultats ne correspondant pas au calcul à effectuer.

Toute réponse doit être accompagnée de justifications ou de commentaires. A chaque affirmation, répondre par VRAI ou FAUX, en justifiant le choix à l'aide de définitions, de schémas, de calculs, d'équations de réactions,...

SI L'AFFIRMATION EST FAUSSE, DONNER LA REPONSE JUSTE.

Données :

Formule de l'ion hydrogénocarbonate : HCO₃^-.

Masse volumique de l'eau : 1,0 g.mL^-1.

Couples acide/base :
HCO₃^-(aq)/ CO₃^2-(aq)
CO₂, H₂O/ HCO₃^-(aq) : le dioxyde de carbone est un gaz peu soluble dans l'eau.

Dans un ballon, on introduit une masse m₁ = 27,6 g d'acide salicylique, un volume V₂ d'environ 20 mL de méthanol et 1 mL d'acide sulfurique concentré. Puis on chauffe à reflux. Sur le flacon de méthanol, on peut voir les pictogrammes suivants :

AFFIRMATION 1 : on doit manipuler le méthanol sous la hotte.

AFFIRMATION 2 : le schéma d'un chauffage à reflux est le suivant :

AFFIRMATION 3 : pour prélever le méthanol, il faut absolument utiliser une pipette jaugée munie d'une poire à pipeter (ou propipette).

AFFIRMATION 4 : la quantité n₁ d'acide salicylique introduit vaut n₁ = 2,00 x 10^-1 mol.

AFFIRMATION 5 : la quantité n₂ de méthanol introduit vaut environ n₂ = 5 mol.

AFFIRMATION 6 : l'équation associée à la réaction de synthèse de salicylate de méthyle s'écrit :

Acide salicylique

AFFIRMATION 7 : le réactif introduit en excès est le méthanol.

Après plusieurs heures de chauffage, on refroidit à température ambiante. On ajoute 100 mL d'eau glacée et on verse dans une ampoule à décanter. On extrait la phase organique avec du cyclohexane. Cette phase a une masse volumique proche de celle de cyclohexane.

AFFIRMATION 8 : la phase organique se situe dans la partie inférieure de l'ampoule à décanter.

La phase organique contient l'ester, du méthanol, du cyclohexane et des acides. On lave ensuite plusieurs fois cette phase avec une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium afin d'éliminer les acides restant dans la solution. Il se produit un dégagement gazeux.

AFFIRMATION 9 : le gaz est un dioxyde de carbone.

On effectue à nouveau un lavage à l'eau et on sèche. On sépare les constituants de la phase organique par distillation.

AFFIRMATION 10 : lors de la distillation, le salicylate de méthyle est recueilli en premier.

Après purification, on récupère une masse m₃= 21 g de salicylate de méthyle.

AFFIRMATION 11 : le rendement de cette synthèse est de 50 %.

AFFIRMATION 12 : l'ajout d'acide sulfurique a permis d'augmenter le rendement de la synthèse.

AFFIRMATION 13 : l'excès d'un des réactifs a permis d'augmenter le rendement de la synthèse.

I - LES RESULTATS

Affirmation 1   : VRAI
Affirmation 2   : FAUX
Affirmation 3   : FAUX
Affirmation 4   : VRAI
Affirmation 5   : FAUX
Affirmation 6   : FAUX
Affirmation 7   : VRAI
Affirmation 8   : FAUX
Affirmation 9   : VRAI
Affirmation 10 : FAUX
Affirmation 11 : FAUX
Affirmation 12 : FAUX
Affirmation 13 : VRAI

II - LES RESULTATS COMMENTES ET DETAILLES

Affirmation 1 : VRAI.
On doit manipuler le méthanol sous la hotte car il est "toxique par inhalation".

Affirmation 2 : FAUX.
C'est le schéma d'une distillation. Voici le schéma d'un chauffage à reflux. Un simple condenseur (réfrigérant) surmontant le ballon suffit (pour condenser les vapeurs qui retombent dans le ballon).

Affirmation 3 : FAUX.
Pas besoin de pipette jaugée puisque le volume V₂ est d'environ 20 mL.

Affirmation 4 : VRAI.
D'après la relation qui lie n, m et M :

 soit 2,00.10^-1mol

Affirmation 5 : FAUX.

 (d'après la définition de la masse volumique)

 soit 0,5 mol.

Affirmation 6 : FAUX.

Affirmation 7 : VRAI.
D'après l'équation ci-dessus, les coefficients stoechiométriques valent 1 donc le méthanol est bien le réactif en excès puisque .

Affirmation 8 : FAUX.
La masse volumique du cyclohexane (donc de la phase organique) est ρ₄ = 0,78 g.mL^-1
La masse volumique de l'eau est ρ_eau = 1,0 g.mL^-1
ρ₄ < ρ_eau donc la phase organique constitue la phase supérieure.

Affirmation 9 : VRAI.
Puisque, si AH est un acide quelconque,

Affirmation 10 : FAUX.
Lors d'une distillation, c'est le composé le plus volatil qui est recueilli en premier, c'est-à-dire le composé qui a la température d'ébullition la plus basse : ici, ce sera le méthanol.

Affirmation 11 : FAUX.
Par définition, le rendement r est :

avec  : quantité de matière finale d'ester si transformation totale

or

r = 0,69 soit 69%.

Affirmation 12 : FAUX.
L'acide sulfurique est le catalyseur de la réaction d'estérification. Il ne modifie pas le rendement de la synthèse, il ne déplace pas l'équilibre.

Affirmation 13 : VRAI.
L'excès d'un des réactifs ou l'élimination d'un des produits permet de déplacer un équilibre chimique dans le sens direct (critère d'évolution).

III - LES OUTILS : SAVOIRS ET SAVOIR-FAIRE

● Ecrire l'équation de la réaction associée à une transformation acido-basique et identifier dans cette équation les deux couples mis en jeu.
● Reconnaître dans la formule d'une espèce chimique organique les groupes caractéristiques : -OH, -CO2H, -CO2R, -CO-O-CO-.
● Ecrire l'équation des réactions d'estérification et d'hydrolyse.
● Savoir qu'un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans figurer dans l'équation de la réaction et sans modifier l'état d'équilibre du système.
● Savoir que l'excès de l'un des réactifs et/ou l'élimination de l'un des produits déplace l'état d'équilibre du système dans le sens direct.

● Calculer le rendement d'une transformation.
● Mettre en œuvre au laboratoire : chauffage à reflux, distillation fractionnée, cristallisation, filtration sous vide, chromatographie sur couche mince, en justifiant le choix du matériel à utiliser.
● Respecter les consignes de sécurité.

IV - LES DELIMITATIONS DE L'EXERCICE

Exercice comportant 13 affirmations à justifier concernant un mode opératoire de synthèse donc exercice à caractère expérimental. Les trois premières affirmations concernent d'ailleurs le protocole et les consignes de sécurité.
Puis, quelques calculs théoriques sans difficultés. Il fallait cependant bien manier les puissances de 10.
Et retour sur l'exploitation d'expériences de chimie organique, pour terminer sur des considérations théoriques. Un exercice relativement classique somme toute.