Un long exercice de chimie organique sur 10 points

L'exercice 1 du sujet 1 de Métropole, septembre 2021, vaut la moitié de la note : environ 1 h 45 de travail. Il suit la synthèse de l'éthanoate de 3-méthylbutyle, l'ester à odeur de banane, obtenu à partir du 3-méthylbutan-1-ol et de l'acide éthanoïque. Trois parties s'enchaînent : décrire les molécules, étudier la synthèse et son rendement, puis améliorer ce rendement avec un dispositif de Dean-Stark.

Partie 1 : les espèces chimiques

Questions 1.1 et 1.2 : nom et représentation topologique

La chaîne principale compte quatre carbones, le groupe hydroxyle est sur le carbone 1 et le méthyle sur le carbone 3. Le piège est de numéroter depuis la ramification : c'est le groupe caractéristique qui impose le sens. Le groupe –OH entouré signe la famille des alcools.

Questions 1.3 et 1.4 : spectre infrarouge et formule de l'ester

Le spectre A, avec la bande large de la liaison O–H d'un alcool entre 3 200 et 3 500 cm⁻¹ et sans bande C=O, correspond à l'alcool ; le spectre B, avec la bande C=O vers 1 700 cm⁻¹ et une bande O–H très large, est celui de l'acide. L'ester s'écrit CH₃–COO–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–CH₃, de formule brute C₇H₁₄O₂.

Partie 2 : optimiser la synthèse

Questions 2.1 et 2.2 : équation et facteurs cinétiques

L'équation C₅H₁₂O + C₂H₄O₂ ⇄ C₇H₁₄O₂ + H₂O s'écrit avec une double flèche, car la transformation n'est pas totale ; l'acide sulfurique, catalyseur, n'y figure pas. Pour la cinétique, on compare les expériences deux à deux, un seul paramètre changeant : catalyseur entre 1 et 2, température entre 2 et 3, excès d'alcool entre 3 et 4. Comparer directement 1 et 4 ne prouve rien.

Question 2.3 : mélange stœchiométrique et rendement

Dans l'expérience 3, les deux réactifs sont présents à 0,11 mol : le mélange est équimolaire, donc stœchiométrique. Avec 6,20 g d'ester, le rendement n'est que de 43 %.

Question 2.4 : le titrage à deux équivalences

C'est le passage le plus délicat. La première équivalence, à 4,0 mL, correspond à l'acide sulfurique ; la seconde, à 11,0 mL, à l'acidité totale. L'acide éthanoïque restant consomme donc 7,0 mL, d'où 7,0 × 10⁻³ mol après conversion du volume en litres. On en déduit 0,103 mol d'ester et un rendement de 94 % : un réactif en excès améliore nettement le rendement.

Partie 3 : le dispositif de Dean-Stark

Dans le tube décanteur, l'eau, plus dense que le cyclohexane et peu miscible avec lui, forme la phase inférieure B. Éliminer l'eau, produit de la réaction, déplace l'équilibre dans le sens direct sans gaspiller de réactif. Les 1,8 mL d'eau recueillis correspondent à 0,10 mol d'ester, soit un rendement de 91 % : le dispositif est très efficace.

Conseils pour réussir

Justifiez chaque conclusion cinétique par deux expériences qui ne diffèrent que d'un paramètre, lisez avec soin les deux sauts de pH et convertissez toujours les volumes en litres. Sur un exercice aussi long, gérez votre temps : les questions de la partie 3 sont accessibles même si le titrage vous a résisté.