Synthèse de la menthone à partir du menthol (Avec calculatrice)

E3C2 – 10 points – Durée 1h – calculatrice autorisée

Le menthol et la menthone sont deux espèces chimiques organiques présentes dans certaines espèces de menthe.

Le menthol (2-isopropyl-5-méthylcyclohexan-1-ol) est utilisé fréquemment dans les industries agroalimentaire, pharmaceutique et cosmétique.

La menthone (2-isopropyl-5-méthylcyclohenan-1-one) entre dans la composition de certains parfums et arômes naturels ; elle est obtenue par oxydation, en milieu acide, du menthol. 

Dans cet exercice, on s’intéresse à la synthèse de la menthone à partir du menthol, réalisable au laboratoire du lycée.

 MentholMenthone
CouleurBlancheIncolore
Masse molaire (g.mol-1)156154
Température de fusion (°C)43– 6,5
Température d’ébullition (°C)212209

Données :

SolvantDichlorométhaneCyclohexaneEthanolEau
Densité1,330,780,791
Miscibilité avec l’eauNon miscibleNon miscibleMiscible 
Miscibilité avec l’éthanolNon miscibleNon miscible Miscible
Solubilité du menthol à 25°CTrès solublePeu solubleSolubleNon soluble
Solubilité de la menthone à 25°CTrès solubleTrès solubleSolubleNon soluble

Tableau de données de spectroscopie infrarouge (IR) :

LiaisonNombre d’onde (cm-1)Intensité
O-H libre3500 – 3700Forte, fine
O-H liée3200-3400Forte, large
O-H acide carboxylique2500-3200Forte à moyenne, large
C-H2800-3000Forte
C=O aldéhyde et cétone1650-1730Forte
C=O acide carboxylique1680-1710Forte
C=C1640-1680Moyenne

1. La formule semi-développée du menthol  est représentée ci-après :

Justifier le fait que le menthol fasse partie de la famille des alcools

2. Sachant que lors de l’oxydation ménagée du menthol en menthone seul le groupe caractéristique est modifié et que la menthone appartient à la famille des cétones, représenter la formule semi-développée de la molécule de menthone.

3. L’oxydation du menthol en menthone s’effectue en milieu acide par l’ion permanganate MnO_{4(aq)}^- qui appartient au couple oxydant-réducteur  MnO_{4(aq)}^-/Mn_{(aq)}^{2+}. Cette oxydation est modélisée par une réaction dont l’équation est la suivante :

2MnO_{4(aq)}^- + 5 C_9H_{18}CHOH_{(s)} + 6H_{(aq)}^{+} \rightarrow 2 Mn_{(aq)}^{2+}  + 5 C_9H_{18}CO_{(l)} + 8 H_2O_{(l)}

Justifier le fait que le menthol subit une oxydation.

4. On réalise, au laboratoire du lycée, l’oxydation d’une masse m=15,6 g de menthol par un volume V=200 mL d’une solution aqueuse acide permanganate de potassium dont la concentration en ions permanganate est C=0,5 mol.L-1 . Le mélange est acidifié par quelques millilitres d’acide sulfurique concentré. Le dispositif expérimental utilisé est celui du chauffage à reflux.

4.1. Parmi les montages A, B et C précédents, indiquer celui qu’il convient de choisir pour réaliser le chauffage à reflux.

4.2. Expliquer le rôle des différents éléments de verrerie dans le montage à reflux.

4.3. En s’aidant éventuellement d’un tableau d’avancement, montrer que, lors de cette oxydation, le menthol est le réactif limitant.

4.4. Déterminer la masse théorique maximum mth de menthone que l’on peut obtenir.

5. On transvase le contenu du ballon dans une ampoule à décanter et on y ajoute 20 mL d’un solvant extracteur. On agite puis on laisse reposer. On observe la séparation de 2 phases, la phase organique surnageant.

Déterminer quel solvant, parmi le dichlorométhane, le cyclohexane, l’éthanol et l’eau, a été utilisé pour extraire la menthone du mélange réactionnel. Justifier.

6. La séparation de la menthone du solvant extracteur se fait en réalisant une distillation. En fin d’opération on obtient une masse mexp = 10,3 g de distillat que l’on considère être de la menthone pure. On réalise le spectre infrarouge du distillat ; il est reproduit ci-après.

6.1. Justifier que le spectre précédent est compatible avec celui de la menthone.

6.2. Déterminer le rendement de cette synthèse. Conclure.