L'arôme d'ananas : extraire, synthétiser et identifier un ester

Cet exercice de spécialité de 4 points du bac S 2010 en Polynésie, prévu pour environ 52 minutes, suit le butanoate d'éthyle, principal constituant de l'arôme artificiel d'ananas. Il enchaîne trois étapes classiques de la chimie organique : extraire l'ester d'un arôme du commerce, le synthétiser au laboratoire, puis vérifier par chromatographie ce que contiennent les deux solutions obtenues. Les questions sont courtes et très proches du cours, mais elles demandent de justifier chaque choix expérimental.

Reconnaître l'ester et choisir le solvant d'extraction

La première question demande de repérer le butanoate d'éthyle parmi cinq formules. Le nom se lit en deux parties : « butanoate » désigne une chaîne de 4 carbones portant le groupe C=O, « éthyle » un groupe de 2 carbones lié à l'oxygène. La bonne formule est donc CH3-CH2-CH2-COO-CH2-CH3. Le piège est la formule inversée, l'éthanoate de butyle, qui est aussi un ester. Pour l'extraction, le solvant doit être non miscible avec l'eau, ce qui écarte l'éthanol, et dissoudre très bien l'ester : le dichlorométhane l'emporte sur le cyclohexane. Sa densité de 1,3 place la phase organique en dessous dans l'ampoule à décanter, contrairement au réflexe qui la met toujours au-dessus.

Coefficient de partage et taux d'extraction

Le coefficient de partage K est la constante d'équilibre de la réaction E(aq) = E(org). Le bilan de matière conduit à x_éq = K·V_S·n₀ / (V + K·V_S), à condition de diviser chaque quantité de matière par le volume de sa propre phase. Avec K = 3,0 et deux volumes de 20 mL, le taux d'extraction vaut 0,75 : trois quarts de l'ester passent dans le dichlorométhane.

Synthèse au laboratoire et rendement

Le montage b, avec son réfrigérant à boules vertical, est le chauffage à reflux : il accélère la réaction sans perte de matière, deux idées attendues ensemble. L'ester provient de l'acide butanoïque et de l'éthanol ; l'estérification est lente, limitée et athermique. Le graphe donne un palier de 0,133 mol d'ester pour 0,20 mol de chaque réactif, soit un rendement de 0,67. Avec 0,50 mol d'acide, l'alcool reste limitant mais l'excès d'acide déplace l'équilibre : le rendement augmente.

Chromatographie sur couche mince

La CCM sépare et identifie les espèces d'un mélange ; le solvant de la cuve est l'éluant. L'extrait du commerce donne quatre taches dont une au niveau de la référence, le produit de synthèse deux taches : les deux solutions contiennent bien du butanoate d'éthyle, mais aucune n'est pure. Le rapport frontal mesuré vaut 0,80, à condition de mesurer à partir de la ligne de dépôt et non du bas de la plaque.

Conseils pour réussir

Justifiez toujours un choix de solvant par les deux critères, miscibilité et solubilité, et comparez les densités avant de dessiner l'ampoule. Pour le rendement, identifiez d'abord le réactif limitant. Enfin, retenez qu'un catalyseur ou le chauffage font gagner du temps, alors que seul un excès de réactif ou l'élimination d'un produit améliore le rendement.