Une synthèse d'ester pour une amorce de pêche

L'exercice 3 du Bac S Amérique du Nord 2012, sur 4 points (environ 52 minutes), porte sur la synthèse de l'acétate d'amyle, un ester utilisé dans une amorce à gardons. C'est un exercice de chimie organique très représentatif de l'ancien programme : écriture de l'estérification, préparation des réactifs, montage à reflux, calcul de rendement, puis deux méthodes pour améliorer ce rendement.

L'estérification et ses caractéristiques

La question 1.1 demande l'équation entre l'acide éthanoïque et le pentan-1-ol. Il ne faut oublier ni l'eau dans les produits ni la double flèche : la réaction n'est pas totale. L'ester formé est l'éthanoate de pentyle. La question 1.2 attend trois mots : réaction lente, limitée (équilibre avec l'hydrolyse) et athermique. Pour un mélange équimolaire avec un alcool primaire, l'avancement final ne dépasse pas environ 67 % de l'avancement maximal, ce qui servira à interpréter le rendement.

Le protocole de synthèse

La question 2.1 est un calcul de quantité de matière pour des liquides purs : m = ρV puis n = m/M. En écrivant l'égalité des quantités de matière, on trouve V₂ ≈ 16 mL de pentan-1-ol, chaque réactif valant environ 0,15 mol. Le rôle du catalyseur (question 2.2) est un piège classique : il accélère la réaction mais ne modifie ni l'état d'équilibre ni le rendement final.

Il faut ensuite nommer les éléments du montage à reflux : réfrigérant à boules avec l'arrivée d'eau en bas et la sortie en haut, ballon, chauffe-ballon. L'intérêt du chauffage à reflux se justifie en deux temps : chauffer accélère la réaction, le réfrigérant condense les vapeurs pour qu'aucune espèce ne soit perdue. Le rendement se calcule en comparant la masse d'ester obtenue (11,7 g) à la masse maximale (19,6 g) : r ≈ 60 %, cohérent avec la limite de l'équilibre et quelques pertes au traitement.

L'appareil de Dean-Stark

La partie 3 introduit le Dean-Stark. Dans le tube décanteur, la phase aqueuse est en bas, car le cyclohexane est moins dense que l'eau (0,78 contre 1,00 g/mL). L'eau est retirée au fur et à mesure : l'hydrolyse ne peut plus se produire, le système évolue dans le sens de l'estérification et la réaction devient quasi totale. L'expérimentateur arrête le chauffage quand le niveau d'eau dans le tube ne monte plus. Le nouveau rendement vaut r' ≈ 90 %. Attention à la formulation : de 60 % à 90 %, c'est un gain de 30 points, soit une hausse relative de 50 %.

La dernière question demande un dérivé d'acide permettant une réaction totale et rapide : l'anhydride éthanoïque, de formule CH₃-CO-O-CO-CH₃.

Conseils

Retiens les deux leviers pour augmenter le rendement d'une réaction limitée : mettre un réactif en excès ou éliminer un produit. Soigne les chiffres significatifs et justifie chaque élément du montage par son rôle. Le corrigé détaillé reprend chaque question et ses pièges.