D'une odeur âcre à une odeur fruitée : une estérification étudiée de bout en bout

Deuxième exercice du bac S 2014 en Métropole, c'est le plus long du sujet : 9 points, environ 1 h 30. On y synthétise le méthanoate de butyle, ester à l'odeur fruitée, à partir de l'acide formique, à l'odeur âcre, et du butan-1-ol. L'exercice couvre la nomenclature, le mécanisme réactionnel, le rendement, les facteurs cinétiques et l'analyse spectroscopique.

Partie 1 : nomenclature et mécanisme réactionnel

La question 1.1 attend le nom officiel de l'acide formique : l'acide méthanoïque, puisque sa chaîne ne compte qu'un carbone. En 1.2, il faut recopier l'équation en écriture topologique et encadrer les groupes carboxyle, hydroxyle et ester. Le piège classique est d'oublier un carbone du butan-1-ol. Les questions 1.3 et 1.4 portent sur les flèches courbes : elles représentent le déplacement d'un doublet d'électrons, du site donneur vers le site accepteur. L'étape (c) correspond à la formation d'une liaison C–O, l'étape (e) à sa rupture. Pour une rupture, la flèche part du milieu de la liaison. La question 1.5 explique les charges positives : l'oxygène et le carbone possèdent en propre un électron externe de moins que l'atome neutre.

Partie 2 : rendement et conditions expérimentales

En 2.1, le calcul des quantités de matière à partir des volumes et des densités donne 0,20 mol d'acide et 0,20 mol d'alcool : le mélange est stœchiométrique. Comparer directement les volumes ou les masses serait une erreur. La question 2.2 associe le protocole (bain-marie vers 50 °C, acide sulfurique, proportions stœchiométriques) à la courbe (c). Le rendement se lit ensuite sur le palier : 0,13 mol d'ester pour 0,20 mol au maximum, soit environ 65 %. La transformation est limitée, elle aboutit à un état d'équilibre.

La question 2.4 est le cœur de l'exercice. Il faut comparer les courbes deux à deux en ne changeant qu'un seul paramètre : (b) et (c) pour la température, (a) et (c) pour le catalyseur, (d) et (e) pour les proportions. Chauffer et ajouter un catalyseur accélèrent la transformation sans changer l'état final, alors qu'un excès d'acide formique augmente la quantité finale d'ester. Comparer (a) et (b), qui diffèrent par deux paramètres, ne permet aucune conclusion. La question 2.5 en déduit les conditions optimales : chauffage vers 50 °C, acide sulfurique et acide formique en excès.

Partie 3 : identifier deux esters isomères

La formule semi-développée de l'éthanoate de méthyle est CH₃–COO–CH₃ ; attention à ne pas inverser les deux parties du nom. La spectroscopie IR ne distingue pas ce composé du méthanoate d'éthyle, car les deux esters ont les mêmes liaisons. La RMN du proton, elle, les sépare : trois signaux (singulet, quadruplet, triplet) pour le méthanoate d'éthyle, deux singulets pour l'éthanoate de méthyle.

Conseils pour réussir

Gérez votre temps : cet exercice pèse près de la moitié de la note. Soignez les flèches courbes, justifiez chaque comparaison de courbes par un seul paramètre modifié et appliquez la règle des n + 1 pics en RMN. Cette dernière question relève de l'ancien programme, mais l'estérification, la cinétique et l'IR restent des classiques.