Un ester utilisé en parfumerie : chimie organique et synthèse au laboratoire

Le premier exercice du bac S 2020 Antilles-Guyane, noté sur 4 points et prévu pour environ 50 minutes, part d'une molécule odorante, le valérate d'éthyle. Il se déroule en deux temps : identifier l'acide valérique parmi deux isomères, puis exploiter le compte rendu d'une synthèse d'ester. On y retrouve la nomenclature, la chiralité, la RMN du proton, le chauffage à reflux, la décantation et le calcul de rendement.

Partie 1 : deux acides isomères à distinguer

La question 1.1 demande les formules semi-développées de l'acide valérique et de l'acide 2-méthylbutanoïque, puis le nom systématique du premier. La chaîne compte cinq carbones sans ramification, le carbone du groupe carboxyle portant le numéro 1 : c'est l'acide pentanoïque. Le piège classique consiste à oublier ce carbone et à répondre « butanoïque ». Les deux acides ont la même formule brute, C5H10O2 : ce sont des isomères de constitution, de masse molaire 102 g/mol.

En 1.2, il faut repérer un carbone asymétrique, c'est-à-dire un carbone tétraédrique lié à quatre groupes différents. L'acide valérique n'en possède aucun, alors que le carbone n° 2 de l'acide 2-méthylbutanoïque porte H, CH3, C2H5 et COOH. Cette molécule est chirale et existe sous forme de deux énantiomères, à dessiner en représentation de Cram : un groupe en avant, un en arrière, deux dans le plan, puis l'image dans un miroir.

La question 1.3 est le cœur de la partie : attribuer chaque spectre de RMN au bon flacon. En appliquant la règle des n + 1 pics, l'acide valérique doit donner deux triplets, un quintuplet et un sextuplet. Le doublet, qui impose un groupe de protons n'ayant qu'un seul voisin, n'existe que dans l'acide 2-méthylbutanoïque. L'acide valérique est donc dans le flacon B. Chercher d'abord le signal qui distingue les deux molécules fait gagner beaucoup de temps.

Partie 2 : synthèse et rendement

Après l'équation d'estérification en formules topologiques (2.1), la question 2.2 porte sur le montage : chauffer accélère la transformation, le reflux évite les pertes de matière. Deux rôles sont demandés, il faut donc deux réponses. Le montage à réfrigérant vertical est le montage B, les deux autres étant des distillations.

En 2.3, l'ampoule à décanter se justifie par les masses volumiques : l'ester (0,877 g/mL) surnage au-dessus de l'eau salée (1,1 g/mL). Comparer les volumes n'est pas un argument.

Les questions 2.4 et 2.5 enchaînent les calculs. Avec 19,36 g d'ester et un rendement de 87 %, la quantité maximale vaut environ 0,171 mol : on divise par le rendement, on ne multiplie pas. On en déduit un volume d'éthanol de 9,97 mL, soit bien 10 mL, et une masse d'acide valérique d'environ 17 g, en passant par m = n × M puis V = m / ρ.

Enfin, la question 2.6 demande comment vérifier l'identité du produit. La masse volumique mesurée, 0,88 g/mL, est compatible avec celle du valérate d'éthyle, mais une seule grandeur ne suffit pas : un spectre infrarouge, un spectre de RMN ou une chromatographie sur couche mince avec un témoin apportent une preuve plus solide.

Conseils pour réussir cet exercice

Comptez soigneusement les protons voisins sur tous les carbones adjacents, gardez les valeurs non arrondies d'une question à l'autre et contrôlez la cohérence de chaque résultat : la quantité maximale doit dépasser la quantité obtenue. Notez que le carbone asymétrique, la représentation de Cram et la RMN relèvent de l'ancien programme et ne sont plus exigibles aujourd'hui, mais la synthèse et le rendement restent des incontournables.