Un exercice de chimie organique sur 9 points

L'exercice 1 du bac S 2019 Antilles-Guyane (ancien programme) est le plus long de l'épreuve : 9 points, soit environ 1 h 30 de travail. Il part d'un thème concret, la cerise, et balaie une grande partie du programme de chimie organique de terminale S : lecture de formules, stéréochimie, mécanisme réactionnel, techniques de synthèse, spectroscopie et rendement. Les questions sont nombreuses mais souvent courtes, ce qui récompense une rédaction précise.

La vitamine B5 : groupes caractéristiques et chiralité

Question 1 : formule semi-développée

On passe de la formule topologique à la formule semi-développée en complétant chaque carbone par des hydrogènes. Le corrigé repère deux groupes hydroxyle (alcools), un groupe amide et un groupe carboxyle. Le piège est double : le OH du groupe carboxyle n'est pas un alcool, et le C=O lié à l'azote n'est pas une cétone. On entoure donc COOH et CO-NH en entier.

Question 2 : chiralité

Le carbone qui porte le OH central est lié à quatre groupes différents : c'est le seul carbone asymétrique. La molécule est donc chirale et possède deux stéréoisomères de configuration, des énantiomères, à dessiner en représentation de Cram. Attention au carbone voisin, qui porte deux groupes méthyle identiques et n'est pas asymétrique.

Partie 1 : nom et mécanisme de l'estérification

Questions 1.1 à 1.3 : nomenclature et bilan

Le nom benzoate d'éthyle se justifie en deux parties : la chaîne qui porte le C=O dérive de l'acide benzoïque, le groupe lié à l'oxygène est l'éthyle. La conservation des éléments montre que la molécule X formée avec l'ester est l'eau, ce que confirment les masses molaires.

Questions 1.4 à 1.7 : le mécanisme

Dans l'étape 1, le site donneur est l'oxygène du groupe C=O, porteur de doublets non liants, et le site accepteur est l'ion H+. La flèche courbe part toujours du doublet du site donneur, jamais de l'ion H+. L'étape 2 est une addition, l'étape 4 une élimination. L'ion H+, consommé puis régénéré, est un catalyseur : il accélère la réaction sans modifier l'état final.

Partie 2 : la synthèse au laboratoire

Questions 2.1 à 2.3 : montages et sécurité

Le chauffage à reflux (montage B) accélère la réaction tout en évitant les pertes de matière : il faut citer les deux idées. La distillation fractionnée (montage A) élimine l'éthanol, l'espèce la plus volatile du mélange, avec une température d'ébullition de 78 °C contre 212 °C pour l'ester. L'acide sulfurique concentré, corrosif, se manipule avec blouse, gants et lunettes, sous la hotte.

Questions 2.4 et 2.5 : identifier le produit

Le spectre RMN se valide par trois vérifications : nombre de signaux, intégrations 5, 2 et 3, et multiplicités par la règle des n + 1 pics. Le quadruplet du CH2 et le triplet du CH3 signent le groupe éthyle. La spectroscopie infrarouge était une autre méthode possible : bande C=O de l'ester présente, bande O-H absente.

Questions 2.6 et 2.7 : le rendement

L'acide benzoïque est le réactif limitant, l'éthanol étant en large excès. Le rendement vaut 60,1 %. L'erreur fréquente est de diviser les masses d'ester et d'acide, qui n'ont pas la même masse molaire. Ce rendement inférieur à 100 % s'explique par le caractère limité de l'estérification, une durée de chauffage peut-être insuffisante et les pertes lors des étapes de séparation.

Conseils pour cet exercice

Gérez votre temps : avec dix-huit questions, mieux vaut des réponses courtes et justifiées que de longs développements. Notez aussi que la chiralité, la représentation de Cram et la RMN ne figurent plus au programme actuel de spécialité : cet exercice reste un excellent entraînement pour les techniques de synthèse, le mécanisme réactionnel et le calcul de rendement.