Une synthèse d'ester de bout en bout

L'exercice 3 du sujet 2 des Centres étrangers 2021, noté sur 5 points, porte sur la synthèse du méthanoate d'éthyle, un ester utilisé comme arôme alimentaire, à partir d'acide méthanoïque et d'éthanol. Deux protocoles sont proposés : un chauffage à reflux, puis une distillation qui retire l'ester au fur et à mesure de sa formation. L'exercice couvre toute la démarche du chimiste : écrire les espèces, choisir le montage, calculer un rendement, l'améliorer, puis contrôler la nature du produit obtenu.

Les passages clés, question par question

Espèces et facteurs cinétiques (questions 1 et 2)

Les formules développées de l'acide méthanoïque, de l'éthanol et du méthanoate d'éthyle doivent montrer toutes les liaisons, y compris celles avec les atomes d'hydrogène ; un groupe CH₃ laissé condensé fait basculer vers une formule semi-développée. Les deux facteurs cinétiques mobilisés dans les protocoles sont la température, par le chauffage, et la présence d'un catalyseur, l'acide sulfurique.

Le montage (questions 3 et 4)

Le schéma de la figure 1 correspond au protocole 2 : c'est un montage de distillation fractionnée, avec une colonne de Vigreux (élément ➀) et un réfrigérant droit (élément ➁). Il ne faut pas le confondre avec le chauffage à reflux du protocole 1, où le réfrigérant est vertical et renvoie les vapeurs condensées dans le ballon.

Avancement et rendement (questions 5 à 7)

Dans le protocole 1, il reste des deux réactifs à l'état final : la transformation n'est pas totale, ce que l'on justifie sans calcul. Le tableau d'avancement, avec 1,20 mol de chaque réactif au départ, donne x_f = 0,80 mol. Le rendement est le rapport entre la quantité d'ester obtenue et la quantité maximale possible, fixée par le réactif limitant : η₁ = 0,80 / 1,20 = 0,67, soit 67 %.

L'optimisation (question 8)

Deux arguments expliquent que le protocole 2 donne un meilleur rendement. D'une part, l'ester est éliminé du milieu réactionnel par distillation, ce qui déplace l'évolution du système vers sa formation. D'autre part, l'acide méthanoïque est introduit en excès : les volumes et masses volumiques donnent 1,00 mol d'acide pour 0,50 mol d'éthanol.

L'identification du distillat (questions 9 à 11)

Trois indices concordent. Le palier de température à 55 °C, voisin de la température d'ébullition de l'ester (54,3 °C), montre que ce sont ses vapeurs qui se condensent. La masse volumique du distillat, 29,0 g pour 32 mL, vaut 0,91 g·cm⁻³, comme celle du méthanoate d'éthyle. Enfin, le spectre infrarouge présente les bandes C=O et C–O d'un ester et aucune bande O–H : il est compatible avec l'espèce attendue.

Les pièges à éviter

Calculer le rendement en divisant par la quantité totale de réactifs (2,40 mol) au lieu de la quantité maximale d'ester. Attribuer l'amélioration du rendement au catalyseur : un catalyseur accélère la transformation mais ne modifie pas l'état final. Confondre les bandes fines C–H vers 3 000 cm⁻¹ avec une bande O–H, qui est large. Comme les intervalles C=O se chevauchent, c'est la bande C–O associée à l'absence de bande O–H qui désigne l'ester.

Conseils pour réussir

Connaissez par cœur les montages de chauffage à reflux et de distillation et le nom de chaque pièce de verrerie. Pour un rendement, identifiez toujours le réactif limitant avant de calculer. Pour une identification, croisez plusieurs critères et appuyez chaque attribution de bande sur la table de données fournie.