Synthèse de la carvone à partir du limonène : ce que demande l'exercice

Le premier exercice du Bac S 2017 Métropole, noté sur 4 points, part d'une matière première familière : la peau d'orange. Son huile essentielle contient du R-limonène, que l'on transforme en R-carvone en plusieurs étapes. L'exercice balaie en peu de questions une grande partie de la chimie organique de Terminale S : lecture de formules, spectroscopie infrarouge, stéréochimie, catégories de réactions, extraction liquide-liquide et calcul de rendement. Il se termine par une question ouverte qui demande d'organiser soi-même un raisonnement en plusieurs étapes.

Les passages clés, question par question

Partie 1 : le limonène et son spectre infrarouge

La question 1.1 demande de passer de la formule topologique à la formule semi-développée. Chaque sommet est un carbone, complété par des hydrogènes jusqu'à quatre liaisons. Une vérification simple consiste à retrouver la formule brute C10H16 et la masse molaire de 136,0 g/mol donnée dans le tableau. En 1.2, il faut montrer que le spectre IR est compatible avec la molécule : on attend une bande C-H vers 2900 à 3000 cm-1 et une bande fine C=C vers 1650 cm-1. L'absence de bande large entre 3200 et 3400 cm-1 est aussi un argument : le limonène ne possède pas de liaison O-H.

Partie 2 : chiralité, catégorie de réaction et décantation

La R-carvone est chirale parce qu'elle possède un seul carbone asymétrique : celui du cycle qui porte le groupe isopropényle. La question 2.2 porte sur la première étape de la synthèse : deux réactifs donnent un seul produit et la double liaison C=C devient simple, c'est donc une addition. En 2.3, la comparaison des masses volumiques (0,96 g/mL pour la carvone, environ 1,0 g/mL pour la phase aqueuse) place la phase organique au-dessus, dans la phase 1.

Partie 3 : rendement et nombre d'oranges

Avec un rendement de 30 %, obtenir 13 g de carvone exige 0,29 mol de limonène, car il faut diviser la quantité obtenue par le rendement. La question finale enchaîne quantité de matière, masse, volume (environ 47 mL de limonène grâce à la masse volumique de 0,84 g/mL) puis nombre d'oranges : à raison de 0,50 mL d'huile par orange, on trouve environ 94 oranges, soit de l'ordre d'une centaine.

Les pièges à éviter

Sur le spectre IR, le nombre d'onde décroît de gauche à droite et l'échelle change au niveau de la coupure de l'axe. Pour la chiralité, un carbone engagé dans une double liaison, un CH2 ou un CH3 ne peut jamais être asymétrique. Dans l'ampoule à décanter, la phrase « la phase organique est toujours au-dessus » est fausse : seule la comparaison des masses volumiques justifie la réponse. Enfin, multiplier par le rendement au lieu de diviser, ou confondre masse et volume dans la dernière question, fait perdre l'essentiel des points.

Conseils pour réussir

Pour l'analyse d'un spectre, liste d'abord les liaisons présentes dans la molécule, puis cherche chaque bande attendue, sans interpréter la zone située sous 1500 cm-1. Pour les questions ouvertes, annonce les étapes, écris une relation littérale par étape et conclus par une phrase : la démarche est valorisée même si le calcul n'aboutit pas. Garde aussi un œil sur les chiffres significatifs, deux ici, comme la masse et le rendement. Note enfin que la chiralité et les carbones asymétriques ne figurent plus au programme actuel de spécialité : le reste de l'exercice demeure un excellent entraînement.