Une molécule d'avenir issue de déchets

Le deuxième exercice du Bac S 2017 Liban est le plus long de l'épreuve : 10 points, soit environ 1 h 40. Il porte sur l'acide lévulinique, une molécule que l'on peut obtenir à partir de déchets riches en cellulose. La première partie analyse une publication qui compare plusieurs synthèses ; la seconde étudie les transformations de cette molécule, avec spectroscopie, stéréoisomérie, mécanisme réactionnel et calculs de quantités de matière.

Partie 1 : optimiser une synthèse verte

Isoler l'effet d'un paramètre

Les questions 1.1 à 1.5 reposent sur une seule méthode : comparer deux expériences qui ne diffèrent que par un paramètre, puis citer les deux rendements. Les paramètres étudiés sont la matière première, l'irradiation micro-ondes avec sa durée, et le catalyseur. Les synthèses 2 et 3 montrent que les micro-ondes favorisent le rendement, 45,8 % contre 37 %, pour une durée quatre fois plus courte. Les synthèses 2 et 4 montrent l'influence de la matière première : les boues de papier sont plus favorables que la sciure de peuplier. Le piège est d'invoquer la teneur en cellulose, presque identique dans les deux cas. L'acide chlorhydrique est le meilleur catalyseur, 55,1 % contre 26,5 %, et la synthèse 5 est la plus « verte » : meilleur rendement, en 15 min seulement, à partir de déchets.

La masse réellement obtenue

La question 1.6 demande la masse d'acide lévulinique obtenue dans l'expérience 5. Il faut enchaîner trois étapes : la masse de cellulose contenue dans 1,75 g de boues, à 57,1 %, la quantité de motifs, puis le rendement de 55,5 %. On trouve 0,397 g. Les deux oublis classiques sont la teneur en cellulose et le rendement.

Partie 2 : transformations de l'acide lévulinique

Fonctions et catégorie de réaction

Le réactif porte une cétone et un acide carboxylique, le produit un alcool et un acide carboxylique. Attention à ne pas découper le groupe carboxyle en « cétone + alcool ». La réaction 1 est une addition : une double liaison disparaît et il n'y a qu'un produit.

Spectroscopie

L'acide lévulinique donne quatre signaux en RMN : deux singulets et deux triplets, car les deux CH2 n'ont pas le même environnement. Pour prouver la formation du composé 1, on s'appuie sur l'apparition de la bande O–H de l'alcool en IR, et sur six signaux en RMN dont un doublet pour le CH3. Invoquer la disparition de la bande C=O de la cétone est peu probant, car celle de l'acide reste au même endroit.

Stéréoisomérie et mécanisme

Le composé 1 possède deux stéréoisomères images l'un de l'autre dans un miroir : ce sont des énantiomères. Pour le mécanisme d'estérification, rappelle-toi qu'une flèche courbe part toujours d'un doublet d'électrons, jamais de H+ ni d'une charge positive.

Quantités de matière et rendement

Avec 0,75 mL d'acide à 785 g/L, on obtient 5,1 × 10⁻³ mol, à condition de convertir le volume en litres. Le volume maximal de valérolactone vaut 0,48 mL ; les 0,38 mL obtenus correspondent à un rendement de 79 %, compatible avec les 78 % annoncés. Il faut bien utiliser la masse volumique de la valérolactone et non celle de l'acide.

Conseils

Cet exercice récompense la rigueur sur les unités et la lecture attentive des tableaux. Note que la RMN du proton, la représentation de Cram et l'énantiomérie ne figurent plus au programme actuel de spécialité : les questions de chimie verte et de quantités de matière restent, elles, pleinement d'actualité.