Une estérification de A à Z : la synthèse de l'acétate d'éthyle

Cet exercice de 5 points, prévu pour environ 50 minutes, est un classique de chimie organique. Il suit la préparation de l'acétate d'éthyle à partir d'acide acétique et d'éthanol, en présence d'acide sulfurique : identification des fonctions, choix du montage, justification du protocole, calcul du rendement et étude du mécanisme réactionnel. Toutes les connaissances mobilisées sont des incontournables de la synthèse organique.

Partie 1 : fonctions chimiques et nomenclature

On reconnaît un acide carboxylique (groupe carboxyle), un alcool (groupe hydroxyle sur un carbone tétraédrique) et un ester. Une fonction se justifie en nommant ou en entourant le groupe caractéristique ; l'eau, molécule non organique, n'a pas à être classée. Le nom officiel du produit est l'éthanoate d'éthyle : la partie issue de l'acide donne « éthanoate », celle issue de l'alcool donne « éthyle ».

Partie 2 : le protocole expérimental

Le montage adapté à l'étape 1 est le chauffage à reflux (montage B) : le réfrigérant vertical renvoie les vapeurs dans le ballon. Les deux autres montages sont des distillations, qui feraient sortir les espèces volatiles. Les trois étapes se nomment synthèse, extraction et purification. La question 2.3 est la plus riche : l'acide sulfurique apporte les ions H⁺ qui catalysent la réaction ; le chauffage accélère la transformation tandis que le reflux évite les pertes, l'ester bouillant dès 77,1 °C ; l'eau salée, dans laquelle l'ester est presque insoluble, permet de séparer la phase organique ; l'hydrogénocarbonate de sodium élimine les acides restants en produisant du dioxyde de carbone, d'où la consigne de laisser dégazer. Le piège est d'écrire que le catalyseur ou le chauffage augmente le rendement : ils permettent seulement d'atteindre plus vite l'état final.

Partie 3 : le rendement

Le mélange étant équimolaire, avec 0,10 mol de chaque réactif, la quantité maximale d'ester vaut 0,10 mol. Le filtrat de 5,9 mL, de masse volumique 0,925 g/mL et de masse molaire 88,1 g/mol, contient 6,2 × 10^-2 mol d'ester, d'où un rendement de 62 %. Il faut bien utiliser les données de l'ester, pas celles des réactifs. Ce rendement n'est pas égal à la proportion d'éthanol consommé : une partie de l'ester formé se perd lors des lavages, sur la verrerie et le filtre. Le rendement lui est donc inférieur ou égal.

Partie 4 : le mécanisme réactionnel

R est le groupe méthyle et R' le groupe éthyle. Les flèches courbes représentent le déplacement d'un doublet d'électrons, d'un site donneur vers un site accepteur : il en faut aux étapes 1, 3 et 5. Erreur fréquente : faire partir une flèche de H⁺, qui n'a aucun électron. L'étape 2 est une addition, l'étape 4 une élimination, alors que le bilan global est une substitution. L'ion H⁺, consommé à l'étape 1 et régénéré à l'étape 5, est un catalyseur, ce qui justifie l'ajout d'acide sulfurique en faible quantité.

Conseils

Dans ce type d'exercice, chaque choix de protocole se justifie par une propriété physique lue dans les données (solubilité, température d'ébullition) ou par un argument de cinétique. Rédigez des phrases courtes, une justification par opération.