Synthétiser l'aspirine : de l'estérification à l'anhydride

Cet exercice de 6,5 points du Bac S Amérique du Sud 2003 suit la fabrication de l'aspirine, l'acide acétylsalicylique, au laboratoire. Il compare deux voies de synthèse : l'estérification de l'acide salicylique par l'acide éthanoïque, puis la réaction avec l'anhydride éthanoïque. C'est un parcours complet de chimie organique de terminale : groupes caractéristiques, équilibre chimique, quotient de réaction, taux d'avancement, montage à reflux, catalyse et rendement.

Partie 1 et 2 : reconnaître les groupes et la réaction

La formule de l'aspirine porte deux groupes caractéristiques : un groupe ester, lié au cycle par un atome d'oxygène, et un groupe carboxyle. Le piège classique consiste à entourer seulement la double liaison C=O, commune aux deux groupes : il faut inclure l'oxygène lié au cycle pour l'ester et le groupe OH pour le carboxyle. La réaction d'un acide carboxylique sur un groupe hydroxyle est une estérification. Pour écrire l'équation en formules semi-développées, on vérifie la conservation des éléments : 9 atomes de carbone, 10 d'hydrogène et 5 d'oxygène de chaque côté, sans oublier la molécule d'eau. L'estérification est lente et limitée : ce sont deux propriétés distinctes, l'une cinétique, l'autre liée à l'équilibre.

Partie 3 : quotient de réaction et taux d'avancement

Le mélange initial contient 0,10 mol de chaque réactif. Le tableau d'avancement donne un avancement maximal de 0,10 mol. Le quotient de réaction s'écrit comme le carré de x/(0,10 − x), car le volume se simplifie. Attention : l'eau n'est pas ici le solvant mais un produit, sa concentration figure donc dans le quotient. Le quotient initial est nul, inférieur à K = 7,0 × 10^-3 : le système évolue dans le sens direct. En prenant la racine carrée de l'expression de K, on évite une équation du second degré et on obtient un avancement final de 7,7 × 10^-3 mol. Le taux d'avancement final vaut alors 7,7 %, inférieur aux 8 % annoncés : la transformation est très limitée.

Partie 4 : une synthèse plus efficace

Le montage proposé est un chauffage à reflux : le réfrigérant à boules condense les vapeurs, on chauffe sans perte de matière, et la température accélère la transformation. L'acide sulfurique joue le rôle de catalyseur ; il ne modifie pas l'état final, contrairement à une idée répandue. Le ballon doit être sec, car l'anhydride réagit avec l'eau. Les réactifs sont corrosifs : blouse, gants, lunettes et hotte sont de rigueur.

Le calcul des quantités de matière montre que l'acide salicylique, 7,25 × 10^-2 mol, est le réactif limitant, face à 0,13 mol d'anhydride, introduit en excès. Pour le liquide, il faut passer par la masse volumique avant de diviser par la masse molaire. La masse théorique d'aspirine vaut 13,0 g et le rendement 83 % pour 10,8 g obtenus.

Conseils pour réussir

Distinguez toujours état final théorique et état final réel, comparez des quantités de matière plutôt que des masses, et justifiez chaque sens d'évolution par la comparaison du quotient initial avec K. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec la rédaction attendue sur la copie, les pièges à éviter et les écrans de calculatrice.