Synthétiser la phéromone d'alarme des abeilles

Cet exercice de chimie du bac S 2009 Inde (Pondichéry), noté sur 6,5 points pour une durée conseillée de 1 h 18, est le plus long de l'épreuve. Il porte sur la synthèse d'une phéromone d'alarme des abeilles, la molécule P, un ester préparé à partir d'acide éthanoïque et d'un alcool B. Les quatre parties sont indépendantes : réaction de synthèse, montage expérimental, étude quantitative et amélioration du rendement.

Partie 1.1 : la réaction de synthèse

Groupe caractéristique et alcool de départ

Dans la formule de P, on entoure l'enchaînement −CO−O− lié à un carbone de chaque côté : c'est un groupe ester. Entourer seulement C=O est une erreur, car il s'agirait alors d'un groupe carbonyle. Dans l'ester, la chaîne portée par l'atome d'oxygène provient de l'alcool : B est le 3-méthylbutan-1-ol, HO−CH₂−CH₂−CH(CH₃)−CH₃. Sa masse molaire, 88,0 g·mol⁻¹, confirme ce résultat avec le tableau 1. L'équation de la synthèse ne doit pas oublier l'eau parmi les produits, et l'estérification est une transformation lente et limitée.

Partie 1.2 : montage et verrerie

On chauffe parce que la température est un facteur cinétique : l'état final est atteint plus vite. Le réfrigérant à boules condense les vapeurs, qui retombent dans le ballon : le reflux permet de chauffer sans perte de matière. Le piège est d'affirmer que le chauffage augmente le rendement. Pour mesurer 14,3 mL d'acide, aucune pipette ne convient en un seul prélèvement et une éprouvette n'est pas assez précise : on choisit la burette graduée de 25 mL, au dixième de millilitre.

Partie 1.3 : étude quantitative

Quantités initiales et avancement

Pour l'acide, liquide, on passe par la masse volumique : n_A(0) = ρ_A·V_A / M_A = 0,250 mol. Pour l'alcool, la masse est donnée : n_B(0) = 0,250 mol. Le mélange est stœchiométrique, donc x_M = 0,250 mol. La masse de phéromone obtenue donne x_f = 0,167 mol et un taux d'avancement τ = 0,668, soit un rendement de 66,8 %, valeur typique d'un mélange équimolaire d'acide carboxylique et d'alcool primaire.

Constante d'équilibre et réactif en excès

La constante K est la valeur du quotient de réaction à l'équilibre. Ici, l'eau figure dans son expression car elle n'est pas le solvant. Le volume se simplifie et l'on obtient K = x_f² / [(n_A(0) − x_f)(n_B(0) − x_f)] ≈ 4,0. Avec 0,25 mol d'acide et 0,50 mol d'alcool, on écrit Q_r,f = K, ce qui conduit à une équation du second degré : 3,0x² − 3,0x + 0,50 = 0. Des deux racines, seule 0,21 mol est inférieure à la quantité d'acide disponible. Le taux d'avancement final devient τ' = 0,85, soit 85 % : introduire l'un des réactifs en excès améliore le rendement. Attention à bien diviser par 0,25 mol, quantité du réactif limitant.

Partie 1.4 : augmenter le rendement

Ajouter de l'acide sulfurique ne change rien au rendement : un catalyseur agit sur la vitesse, pas sur l'état final. Éliminer l'eau au fur et à mesure maintient Q_r inférieur à K et déplace l'évolution dans le sens direct ; c'est réalisable car l'eau est l'espèce la plus volatile du mélange. Remplacer l'acide par l'anhydride éthanoïque rend la réaction totale et rapide.

Conseils pour réussir

Distinguez toujours ce qui agit sur la vitesse (température, catalyseur) de ce qui agit sur l'état final (excès d'un réactif, élimination d'un produit) : c'est la clé de nombreuses questions d'estérification.