Des esters pour un parfum de pomme et de banane

L'exercice « La chimie au service de la parfumerie » est le plus lourd de l'épreuve du bac S Centres étrangers 2006 : 6,5 points, soit environ 1 h 18. Un parfumeur veut associer l'odeur de la pomme et celle de la banane. La première partie porte sur un ester de l'arôme naturel de pomme et sur son extraction, la seconde sur la synthèse de l'ester à odeur de banane, l'éthanoate d'isoamyle, suivie au cours du temps. On y retrouve la nomenclature, l'estérification, l'avancement d'une transformation limitée et la cinétique.

Partie 1 : un parfum de pomme

L'ester E est le butanoate de méthyle : la chaîne qui porte le groupe C=O compte quatre atomes de carbone, le groupe lié à l'atome d'oxygène n'en compte qu'un. Le piège consiste à inverser les deux chaînes. En coupant l'ester entre le carbone du groupe C=O et l'oxygène de la chaîne, on retrouve l'acide butanoïque et le méthanol, et l'on écrit l'équation de l'estérification sans oublier l'eau parmi les produits. Parmi les formules proposées, l'éthanoate de butyle est la quatrième : deux carbones du côté du groupe C=O, quatre liés à l'oxygène. Il faut enfin légender le montage de distillation fractionnée : chauffe-ballon, ballon, colonne de Vigreux, thermomètre en tête de colonne, réfrigérant droit et erlenmeyer qui recueille le distillat.

Partie 2 : synthèse de l'éthanoate d'isoamyle

Le mélange initial contient 1,00 mol d'acide éthanoïque et 1,00 mol d'alcool isoamylique. Le tableau d'évolution donne n_ester = 1,00 − n_A, ce qui permet de compléter le tableau de mesures : 0,18 mol à 1 h, puis 0,46 ; 0,54 ; 0,59 ; 0,62 et 0,66 mol. Entre 20 h et 25 h, la quantité d'acide ne varie plus : l'état final est atteint, avec x_f = 0,66 mol. Le taux d'avancement final vaut τ = x_f/x_max = 0,66, soit 66 % : la transformation n'est pas totale, elle aboutit à un état d'équilibre.

Pour améliorer ce taux, le corrigé retient deux moyens : mettre l'un des réactifs en excès ou éliminer un produit au fur et à mesure de sa formation. Chauffer ou ajouter un catalyseur ne fait qu'atteindre plus vite le même état final, c'est un piège fréquent.

Cinétique de la synthèse

La vitesse volumique de réaction est proportionnelle au coefficient directeur de la tangente à la courbe n_ester = f(t). Les tangentes deviennent de moins en moins inclinées : la vitesse diminue, car les réactifs sont consommés et leur concentration baisse. Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement atteint la moitié de sa valeur finale, et non la moitié de la durée de la réaction. Avec x_f/2 = 0,33 mol, la lecture graphique donne t_1/2 ≈ 2,3 h. Le refroidissement brutal de chaque prélèvement est une trempe : il fige la composition au moment du prélèvement. À température plus élevée, la courbe monte plus vite mais atteint le même palier de 0,66 mol.

Conseils

Distinguez bien ce qui modifie la vitesse d'une transformation et ce qui modifie son état final : c'est le fil rouge de cet exercice.