Synthèse de l’arome de Banane

Bac Métropole mars 2023 Sujet 1

Exercice 2 – (5 points) –  Durée 0h53 – Calculatrice autorisée

Sujet n°23-PYCJ1ME1

Sujet et corrigé

EXERCICE 2 – SYNTHÈSE DE L’ARÔME DE BANANE (5 points)

Flacon d’arôme alimentaire banane commercial

L’objectif de cet exercice est de comparer plusieurs protocoles permettant de synthétiser au laboratoire cette espèce chimique, afin de déterminer quelle synthèse est la plus éco-responsable.

L’équation de la réaction de synthèse de l’éthanoate de 3-méthylbutyle est la suivante :

Données :

• table de données de spectroscopie infrarouge :

Liaison	O–H	C–H	C=C	C=O
Nombre d’onde (en cm–1)	3200 – 3700	2850 – 3100	1620 – 1680	1650 – 1750
Allure de la bande caractéristique	Forte et large	Forte	Faible et fine	Forte et fine

1.   Identification des espèces mises en jeu dans la réaction

Q1. Représenter la formule topologique des réactifs et de l’éthanoate de 3-méthylbutyle. Entourer les groupes caractéristiques et identifier les familles fonctionnelles correspondantes.

Q2. Justifier que le produit P obtenu lors de cette synthèse est de l’eau.

Atomes	Réactifs	Produits (sans P)	Différence
C	7	7	0
H	16	14	16-14=2
O	3	2	3-2=1

Pour que l’équation soit équilibrée il faut que le produit P soit composé de 2 atomes hydrogenes et 1 atome d’oxygène.
Formule de P : $H_2O$.

Q3. Attribuer, à l’aide des données et en justifiant, chacun des spectres A et B représentés ci-après soit à l’acide éthanoïque, soit à l’éthanoate de 3-méthylbutyle.

Spectre A

Spectre B

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

L’acide éthanoïque comporte une liaison O-H (nombre d’onde entre 3200 et 3700 cm^-1 Forte et large), une liaison C=O (nombre d’onde entre 1650 et 1750 cm^-1 Forte et fine) et des liaisons C-H (nombre d’onde entre 2850 et 3100 cm^-1 Forte).

L’ éthanoate de 3-méthylbutyle  comporte une liaison C=O (nombre d’onde entre 1650 et 1750 cm^-1 Forte et fine) et des liaisons C-H (nombre d’onde entre 2850 et 3100 cm^-1 Forte).

2.   Comparaison de protocoles de synthèse

Données :

• l’ion hydrogénocarbonate HCO₃⁻ est une espèce amphotère appartenant aux couples acide-base suivants : HCO₃⁻(aq)⁄CO₃²⁻(aq) et (CO₂ (g),H₂O(l))⁄HCO₃⁻(aq) ;
• données physico-chimiques à 20°C et données de sécurité :

Espèce chimique	Masse molaire en g∙mol–1	Densité	Solubilité dans l’eau salée	Pictogrammes de sécurité
3-méthylbutan-1-ol	88,2	0,81	Peu soluble
Acide éthanoïque	60,0	1,05	Très soluble
Éthanoate de 3-méthylbutyle	130,2	0,87	Très peu soluble
Cyclohexane	84,2	0,78	Insoluble

Dans la suite de l’exercice on compare trois protocoles de synthèse. Protocole A : synthèse avec montage de chauffage à reflux

• Étape 1 : dans un ballon on introduit 22 mL de 3-méthylbutan-1-ol, 15 mL d’acide éthanoïque pur et 10 gouttes d’acide sulfurique concentré, ainsi que quelques grains de pierre ponce.
• Étape 2 : le mélange est chauffé à reflux pendant 45 minutes puis refroidi à la température ambiante.
• Étape 3 : la phase organique est ensuite lavée avec une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium puis avec une solution aqueuse d’hydrogénocarbonate de sodium.
• La phase organique est alors séchée à l’aide de sulfate de magnésium anhydre.

Q4. Nommer les étapes 2 et 3 du protocole A.

Etape 2 : Transformation chimique des réactifs
Etape 3 : Purification

L’acide sulfurique concentré est utilisé comme catalyseur dans ce protocole.

Q5. Préciser le sens du mot catalyseur.

Un catalyseur est une espèce chimique, qui accélère la réaction sans modifier l’état final du système chimique.

Q6. Préciser l’utilité du montage de chauffage à reflux dans ce protocole.

Le chauffage à reflux permet d’accélérer la réaction sans perte de matière.

Lors du second lavage de l’étape 3 du protocole, on observe un dégagement gazeux.

Q7. À l’aide des données, proposer une explication à cette observation et justifier l’utilité de cette étape.

L’ion hydrogénocarbonate ${\rm HCO}_{3(aq)}^-$ réagit avec l’acide restant dans la phase organique et se transforme en $CO_2\left(g\right),H_2O(l)$.
$CO_2\left(g\right)$ est un gaz d’où le dégagement gazeux.

Cette étape permet de supprimer les traces d’acide sulfurique présent dans la phase organique.

Q8. Déterminer le réactif limitant utilisé dans le protocole A puis calculer le rendement de la synthèse réalisée en suivant ce protocole.

Calculons les quantités de matière des réactifs :
$n=\frac{m}{M}$
Or $\rho=\frac{m}{V}$ donc $m=\rho\times V$
$n=\frac{\rho\times V}{M}$
Or $d=\frac{\rho}{\rho_{eau}}$
$\rho=d\times \rho_{eau}$
$n=\frac{d\times \rho_{eau}\times V}{M}$
Quantité de matière du 3-méthylbutan-1-ol :

$$
n_{3\text{-méthylbutan-1-ol} }=\frac{d_{3\text{-méthylbutan-1-ol}}\times\rho_{eau}\times V_{3\text{-méthylbutan-1-ol}}}{M_{3\text{-méthylbutan-1-ol}}
}
$$

$$
n_{3\text{-méthylbutan-1-ol} }=\frac{0,81\times1000\times22\times10^{-3}}{88,2}=2,0\times10^{-1}\ \text{mol}
$$

$$
n_{\text{acide éthanoique}}=\frac{d_{\text{acide éthanoique}}\times\rho_{eau}\times V_{\text{acide éthanoique}}}{M_{\text{acide éthanoique}}}
$$

$$
n_{\text{acide éthanoique}}=\frac{1,05\times1000\times15\times10^{-3}}{60,0}=2,6\times10^{-1}\ \text{mol}
$$

$$
x_{max1}=\frac{n_{3\text{-méthylbutan-1-ol}}}{1}=2,0\times10^{-1}\ \text{mol}
$$

$$
x_{max2}=\frac{n_{\text{acide éthanoique}}}{1}=2,6\times10^{-1}\ \text{mol}
$$

$$
x_{max1}<x_{max2}
$$

$$
x_{max}=x_{max1}=2,0\times10^{-1}\ \text{mol}
$$

$$
m_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}^{\text{théorique}}=n_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}\times M_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}
$$

$$
m_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}^{\text{théorique}}=x_{max}\times M_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}
$$

$$
m_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}^{\text{théorique}}=2,0\times10^{-1}\times130,2
$$

$$
m_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}^{\text{théorique}}=26\ g
$$

$$
\eta=\frac{m_{exp}}{m_{\text{éthanoate de 3-méthylbutyle}}^{\text{théorique}}}
$$

$$
\eta=\frac{19,7}{26}
$$

$$
\eta=0,76=76%
$$

Dans les protocoles B et C, les étapes 1 et 3 sont identiques à celles du protocole A mais l’étape 2 est modifiée comme indiqué ci-dessous :

	Protocole B	Protocole C
	Synthèse au four à micro-ondes	Synthèse avec un appareil de Dean-Stark
Modifications de l’étape 2	Chauffage avec une puissance de 800 W pendant 30 s.	Chauffage à l’aide de l’appareil de Dean- Stark permettant d’extraire l’eau au cours de sa formation, en présence de cyclohexane jouant le rôle de solvant.
Rendement	87 %	85 %

Le chauffe-ballon utilisé dans les protocoles A et C lors de l’étape 2 consomme une énergie de 4,1×10⁵ J.

Q9. Calculer l’énergie utilisée pour chauffer le mélange réactionnel dans le protocole B. Commenter.

$$
P=E\Delta t
$$
$$
E\Delta t=P
$$
$$
E=P\times \Delta t
$$
$$
E=800\times 30
$$
$$
E=2,4{\times10}^4\ J
$$

L’énergie utilisée dans le protocole B est inférieur à celle utilisée dans les protocoles A et C.

L’objectif de la chimie verte est de réduire l’impact de la chimie sur la santé humaine et l’environnement. Il s’agit donc de rechercher des milieux réactionnels alternatifs et respectueux de l’environnement tout en s’efforçant, dans le même temps, d’augmenter les vitesses et d’abaisser les températures de réaction. Paul

T. Anastas et John C. Warner ont développé 12 principes de la chimie verte en 1991. Ces principes se divisent en deux groupes : « réduire le risque » et « réduire le plus possible l’empreinte environnementale ».

D’après https://www.sigmaaldrich.com/

Figure 1. Schéma illustrant quelques principes directeurs de la chimie verte

Q10. À l’aide de la figure 1, identifier, en le justifiant, quel protocole répond le mieux aux principes directeurs de la chimie verte.

Le protocole B répond au mieux aux principes directeurs de la chimie verte car :
Il limite les dépenses énergétiques (Q9)
Il n’utilise pas de solvant polluant (comme le cyclohexane du protocole C)