De la poudre de tara à un additif alimentaire

L'exercice 2 du bac S Liban 2005 est le plus long de l'épreuve : 7 points, soit environ 1 h 31 de travail conseillé. Il suit la préparation du gallate de propyle, un antioxydant alimentaire identifié par le code E310, à partir de l'acide gallique extrait de la poudre de tara. La calculatrice est interdite. L'exercice associe deux grands chapitres de chimie : les réactions acido-basiques et la synthèse organique par estérification.

Partie A : l'extraction de l'acide gallique

Le chauffage à reflux

Il faut d'abord légender le montage : réfrigérant à boules, ballon contenant le mélange réactionnel et la pierre ponce, chauffe-ballon, arrivée et sortie d'eau. L'eau entre par le bas du réfrigérant et sort par le haut ; inverser les deux est le piège classique. Le chauffage accélère la saponification du tanin, et le reflux évite toute perte de matière : les vapeurs se condensent et retombent dans le ballon.

L'acide gallique en solution

L'ion gallate est la base conjuguée de l'acide gallique : le groupe carboxyle a cédé un ion H⁺. On écrit ensuite la réaction de l'acide avec l'eau et l'expression de la constante d'acidité. À pH = 1,5, avec pK_a = 3,1, le rapport [AH]/[A^-] vaut 10^1,6, soit environ 40 : l'acide gallique prédomine. Le diagramme de prédominance place la frontière à pH = 3,1, AH à gauche, A^- à droite.

Refroidir et contrôler la pureté

L'acide gallique est très peu soluble dans l'eau froide : refroidir le mélange le fait précipiter presque entièrement, ce qui permet de le récupérer par filtration. Pour vérifier sa pureté, on mesure sa température de fusion au banc Kofler et on la compare à 253 °C ; une chromatographie sur couche mince est une autre possibilité.

Partie B : la synthèse du gallate de propyle

Groupe ester et alcool utilisé

Le gallate de propyle contient l'enchaînement –CO–O–C, caractéristique du groupe ester, à entourer sur la formule topologique. La chaîne linéaire –C₃H₇ liée à l'oxygène vient du propan-1-ol ; répondre simplement « propanol » est insuffisant, car le propan-2-ol donnerait une chaîne ramifiée.

L'estérification

L'acide gallique réagit avec le propan-1-ol pour donner l'ester et de l'eau. Cette estérification est lente et limitée. L'acide sulfurique est un catalyseur : il accélère la réaction sans modifier l'état final. La pierre ponce régularise l'ébullition et évite les projections.

Rendement et excès d'alcool

Avec 17,0 g d'acide gallique (M = 170 g·mol^-1), on dispose de 0,100 mol. Le mélange étant équimolaire, on pourrait obtenir au plus 0,100 mol d'ester ; avec un rendement de 70 % et M = 212 g·mol^-1, la masse attendue est d'environ 15 g. Appliquer les 70 % à la masse d'acide est l'erreur à éviter. Enfin, un excès d'alcool déplace l'équilibre dans le sens de la formation de l'ester : le rendement dépasse alors 70 %. On choisit en excès le réactif le moins coûteux et le plus facile à séparer.

Conseils

Soignez les justifications qualitatives, qui rapportent beaucoup de points : rôle du reflux, du catalyseur, de la pierre ponce et du refroidissement. Pour les calculs sans calculatrice, travaillez avec les exposants : 10^{pK_a - pH} suffit pour conclure sur l'espèce prédominante.