Du saule au salicylate de méthyle : un exercice complet de chimie organique

Cet exercice du bac S de rattrapage 2011 aux Antilles-Guyane est le plus long de l'épreuve : 6,5 points, soit environ 1 h 18. Il part d'un arbre africain dont les racines contiennent du salicylate de méthyle, puis propose de synthétiser cet ester à partir de l'acide salicylique extrait de l'écorce de saule. Trois parties se suivent : l'extraction de l'acide salicylique, l'étude de la synthèse, puis le calcul du rendement. Un tableau de données physico-chimiques sert tout au long de l'exercice.

Partie 1 : extraction de l'acide salicylique

Parmi trois montages, il faut reconnaître l'hydrodistillation : c'est le montage C, où les vapeurs quittent le ballon, sont condensées dans un réfrigérant droit incliné puis recueillies dans un autre récipient. Le montage A est un chauffage à reflux et le montage B une distillation fractionnée. Pour l'ampoule à décanter, on compare les masses volumiques du cyclohexane (0,79 g.mL^-1) et de l'eau (1,00 g.mL^-1) : la phase organique est au-dessus. Elle contient l'acide salicylique, très soluble dans le cyclohexane, tandis que le glucose reste dans la phase aqueuse. Le piège est de placer la phase organique en bas par habitude.

Partie 2 : la synthèse

Le méthanol, CH₃-OH, porte un groupe hydroxyle : c'est un alcool. L'acide salicylique possède deux groupes caractéristiques, un groupe carboxyle et un groupe hydroxyle lié au cycle ; c'est le groupe carboxyle qui réagit. L'équation de l'estérification s'écrit C₇H₆O₃ + CH₄O = C₈H₈O₃ + H₂O. En comparant la température ambiante aux températures de fusion et d'ébullition, l'acide salicylique est solide et les trois autres espèces sont liquides. Une estérification est lente et limitée. Le chauffage à reflux accélère la transformation sans perte de matière, puisque les vapeurs se condensent et retombent dans le ballon. L'acide sulfurique est un catalyseur et la pierre ponce régule l'ébullition. Au lavage, les ions hydrogénocarbonate réagissent avec les acides restants : AH + HCO₃^- donne A^-, du dioxyde de carbone et de l'eau. Les acides passent ainsi en phase aqueuse sous forme de bases conjuguées, et le dégagement gazeux est du CO₂.

Partie 3 : le rendement

On calcule n₁ = 8,7 / 138 ≈ 6,3 × 10^-2 mol d'acide salicylique et, pour le méthanol liquide, on passe par la masse volumique : n₂ = 0,80 × 10,0 / 32 = 0,25 mol. Le tableau d'avancement montre que l'acide salicylique est le réactif limitant ; le méthanol est en large excès. L'ester obtenu, 6,1 g, correspond à 4,0 × 10^-2 mol, d'où un rendement d'environ 64 %. Calculer le rendement avec les masses directement serait une erreur, car les deux espèces n'ont pas la même masse molaire.

Conseils pour réussir

Appuyez chaque justification sur une donnée du tableau, gardez les valeurs non arrondies en mémoire et vérifiez l'équation en comptant les atomes. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec méthodes et pièges.