Une synthèse d'ester très classique

L'exercice 3 du bac S Afrique 2018 (ancien programme) compte 5 points, soit environ 50 minutes. Il part d'une information astronomique : du méthanoate d'éthyle, molécule à l'odeur de framboise et de rhum, aurait été détecté dans l'espace. On étudie sa synthèse au laboratoire à partir d'acide méthanoïque et d'éthanol, puis son identification par spectroscopie. C'est un exercice de cours, où la rigueur des justifications fait la différence.

Partie 1 : la réaction de synthèse

Question 1.1 : la famille chimique

Le carbone du groupe C=O est lié à un second atome d'oxygène, lui-même relié à une chaîne carbonée : c'est un ester. Le piège est la confusion avec un acide carboxylique, où ce second oxygène porte un atome d'hydrogène. Le nom en « -oate d'alkyle » confirme la famille mais ne remplace pas la justification par le groupe caractéristique.

Question 1.2 : le rôle de l'acide sulfurique

Ajouté en quelques gouttes et absent de l'équation, l'acide sulfurique est un catalyseur : il accélère la réaction. Il ne modifie pas l'état final, donc pas le rendement.

Question 1.3 : sites et flèches courbes

Le site donneur est l'atome d'oxygène de l'éthanol, qui porte des doublets non liants. Le site accepteur est l'atome de carbone de l'acide protoné, appauvri en électrons car lié à deux atomes d'oxygène plus électronégatifs. Une première flèche part d'un doublet non liant de l'oxygène et pointe vers le carbone ; une seconde part de la double liaison C=O vers l'oxygène chargé positivement. Une flèche part toujours d'un doublet, jamais d'un atome. Le corrigé signale aussi que l'annexe porte par erreur l'étiquette « Question 1.2 ».

Partie 2 : le rendement

Les quantités initiales valent 5,0 × 10⁻² mol d'acide et 6,1 × 10⁻² mol d'éthanol : l'acide méthanoïque est le réactif limitant, ce qu'il faut justifier. On obtient 2,6 × 10⁻² mol d'ester, d'où un rendement de 51 %. Le rendement compare des quantités de matière, ou la masse obtenue à la masse maximale d'ester, et non la masse d'ester à une masse de réactif. Le corrigé rappelle de calculer avec les valeurs non arrondies : avec des valeurs arrondies, on trouverait 52 %.

Partie 3 : l'analyse spectroscopique

Question 3.1 : le spectre infrarouge

On liste d'abord les liaisons présentes : C–H, C=O, C–O et C–C. La bande a vers 3000 cm⁻¹ correspond aux C–H, la bande b vers 1750 cm⁻¹ au C=O, la bande d vers 1200 cm⁻¹ au C–O. Entre 1000 et 1250 cm⁻¹, C–O et C–C absorbent toutes les deux : c'est l'intensité forte de la bande d qui permet de trancher.

Question 3.2 : la RMN du proton

La molécule possède trois groupes de protons équivalents, donc trois signaux. La règle des n + 1 pics, avec n le nombre de protons voisins, donne un singulet pour l'atome H du groupe ester, un quadruplet pour CH2 et un triplet pour CH3. Compter les protons du groupe lui-même au lieu de ses voisins inverse les deux multiplicités. La RMN n'est plus au programme actuel de la spécialité.

Conseils

Justifiez chaque réponse par une propriété précise : groupe caractéristique, quantité introduite, intensité de bande, nombre de voisins. Pour les flèches courbes, vérifiez l'origine et la cible avant de tracer. Écrivez le rendement avec deux chiffres significatifs, comme les masses de l'énoncé.