Synthèse d'un ester à odeur florale : analyse du corrigé

Cet exercice de 10 points suit une synthèse complète, du ballon jusqu'au contrôle de pureté. On fabrique le benzoate de méthyle à partir d'acide benzoïque et de méthanol, puis on isole l'ester, on l'identifie par spectroscopie infrarouge, on calcule le rendement et on vérifie, par un dosage spectrophotométrique, ce qu'est devenu l'acide restant. Chaque partie réinvestit une notion classique de terminale.

Partie 1 : la réaction d'estérification

Le groupe entouré sur l'acide benzoïque est le groupe carboxyle. Le piège consiste à répondre « acide carboxylique », qui est le nom de la famille. Pour vérifier que le produit D est l'eau, il suffit de compter les atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène de part et d'autre de l'équation écrite avec les formules brutes.

Partie 2 : le protocole expérimental

L'acide sulfurique, ajouté en quelques gouttes, est un catalyseur : il accélère la réaction sans modifier l'état final, donc sans augmenter le rendement. Le chauffage à reflux correspond au montage B : on chauffe pour aller plus vite, et le réfrigérant renvoie les vapeurs dans le ballon, sans perte de matière. Les pictogrammes justifient la hotte, le chauffage sans flamme, les gants, les lunettes et la blouse.

L'eau salée sert à séparer l'ester, insoluble dans l'eau salée, du méthanol qui passe en phase aqueuse. Il faut ensuite répartir les espèces entre les deux phases sans oublier les réactifs restants, puisque la transformation est limitée. Enfin, l'ion hydrogénocarbonate réagit avec l'acide benzoïque : la comparaison des pKa (4,2 contre 6,4) montre que l'acide benzoïque est transformé en ion benzoate, qui passe dans la phase aqueuse, tandis que le dioxyde de carbone formé impose de dégazer.

Partie 3 : le spectre infrarouge

Le spectre montre une bande fine et forte vers 1720 cm^-1 (liaison C=O), une bande vers 1280 cm^-1 compatible avec C–O, de petites bandes C–H, et surtout aucune bande large O–H. Cette absence écarte l'acide benzoïque et le méthanol. Attention, le spectre est gradué en transmittance : une absorption forte se lit comme un creux.

Partie 4 : quantités de matière et rendement

Le méthanol étant liquide, on passe par sa masse volumique : 9,9 × 10^-2 mol, contre 0,100 mol d'acide benzoïque. Les réactifs sont donc pratiquement en proportions stœchiométriques. La masse d'ester obtenue, 9,11 g, donne l'avancement final 6,70 × 10^-2 mol ; on en déduit les quantités d'eau, d'acide et d'alcool restants grâce au tableau d'avancement. Le rendement vaut environ 68 %, proche des 67 % attendus, l'écart venant seulement de l'arrondi. Pour l'améliorer, on met un réactif en excès ou on élimine l'eau au fur et à mesure ; chauffer davantage ou ajouter du catalyseur ne change pas le rendement.

Partie 5 : le dosage par étalonnage

On règle le spectrophotomètre au maximum d'absorption, 270 nm, dans l'ultraviolet. La solution fille se prépare avec une pipette jaugée de 25,0 mL et une fiole jaugée de 100,0 mL. La droite d'étalonnage A = 88,1 × C donne la concentration de la solution diluée ; sans oublier le facteur de dilution 100, on retrouve 3,3 × 10^-2 mol d'ions benzoate, exactement la quantité d'acide restant calculée plus haut.

Conseils pour réussir

Gardez une trace claire des résultats intermédiaires, car les parties 4 et 5 s'appuient les unes sur les autres. Soignez les chiffres significatifs, distinguez vitesse et rendement, et n'oubliez jamais la dilution dans un dosage par étalonnage.