Synthétiser l'arôme d'ananas

Ce troisième exercice du bac S 2012 de Métropole (rattrapage) est noté sur 4 points, soit environ 52 minutes. Il retrace la préparation du butanoate d'éthyle, ester à l'odeur d'ananas : on obtient d'abord l'acide butanoïque à partir d'un corps gras, la butyrine, puis on l'estérifie avec un alcool. C'est un exercice de chimie organique très classique, qui récompense la maîtrise du vocabulaire et des raisonnements sur l'équilibre.

Partie 1 : de la butyrine à l'acide butanoïque

La réaction de la butyrine avec la soude est une saponification. Répondre « hydrolyse » coûte des points : l'hydrolyse se fait avec l'eau, elle est lente et limitée, alors que la réaction avec les ions hydroxyde est totale. Le savon obtenu est le butanoate de sodium ; sa partie hydrophobe est la chaîne carbonée C₃H₇–, sa partie hydrophile le groupe carboxylate –COO^-. Il ne faut ni désigner l'ion sodium comme partie hydrophobe, ni oublier la charge négative.

L'ion butanoate réagit ensuite avec l'ion oxonium apporté par l'acide chlorhydrique ; les ions sodium et chlorure, spectateurs, n'apparaissent pas dans l'équation. La constante d'équilibre s'exprime avec les concentrations à l'équilibre, sans l'eau, et l'on montre que K = 1/K_A = 10^pK_A = 6,3 × 10⁴. Le piège est de choisir l'autre valeur de l'aide au calcul, 6,3 × 10^-10, qui correspond à la réaction de l'ion butanoate avec l'eau. Une constante supérieure à 10⁴ indique une réaction quasi totale.

Partie 2 : l'estérification

Le butanoate d'éthyle est un ester. Son équation de synthèse s'écrit avec l'acide butanoïque et l'éthanol, sans oublier l'eau dans les produits et avec le signe égal, puisque la transformation est limitée. Le nom de l'ester donne celui de l'alcool : « d'éthyle » renvoie à l'éthanol. On rappelle ensuite les caractéristiques de l'estérification : lente, limitée et quasi athermique.

Le montage de la figure 7 est un chauffage à reflux : le chauffage accélère la réaction, le réfrigérant évite les pertes de matière. Un catalyseur accélère la réaction sans modifier l'état final. La quantité d'alcool s'écrit n_B = ρ_B V_B/M_B, qui vaut 0,22 mol, comme l'acide : le mélange est équimolaire. Le rendement compare la quantité d'ester obtenue à la quantité maximale : η = 14,8/(116 × 0,22) = 58 %. Il faut diviser par la quantité maximale d'ester, jamais par la masse d'un réactif. Ce rendement inférieur aux 67 % de l'équilibre traduit des pertes lors de la décantation, du lavage et du séchage.

Pour la dernière question, les propositions 1 et 3 augmentent la quantité maximale d'ester : un réactif en excès déplace l'équilibre et l'anhydride rend la réaction totale. Doubler le catalyseur, en revanche, ne fait qu'atteindre plus vite le même état final.

Conseils

Distinguez bien ce qui accélère une réaction (chauffage, catalyseur) de ce qui modifie son état final (excès d'un réactif, changement de réactif). Cette distinction revient dans presque tous les sujets de synthèse organique. Soignez aussi les chiffres significatifs : deux ici, imposés par les données.