TP B4. Synthèse d’un ester odorant Objectifs Réaliser au laboratoire la synthèse d’un ester odorant. Mettre en œuvre les techniques de chauffage à reflux, décantation, lavage et séchage d'une phase organique, distillation (avec établissement de la « courbe de distillation », courbe représentative de la température de la vapeur en tête de colonne en fonction du temps). Synthèses envisageables N° Nom de l’ester 1 méthanoate de propyle Formule chimique Acide Alcool O H C odeur fruitée O (CH2)2 CH3 O 2 3 acétate de butyle méthanoate (formiate) d’éthyle CH3 odeur de « bonbons anglais » C O (CH2)3-CH3 O H Acétique (30 mL) Butan-1-ol (22 mL) Méthanoïque (10 mL) Éthanol (20 mL) odeur d’ananas Butanoïque (40 mL) Éthanol (20 mL) odeur de banane Acétique (30 mL) 3-méthyl butan-1-ol (22 mL) odeur de rhum C CH2-CH3 O Méthanoïque Propan-1-ol (10 mL) (20 mL) O 4 5 butanoate d'éthyle acétate de 3méthylbutyle (isoamyle) CH3 CH2 CH2 C O CH2 CH3 O CH3 C O (CH2)2 CH(CH3)2 Présentation de la démarche Les esters ont des arômes souvent agréables et fruités ; ils sont fréquemment employés pour reproduire les arômes de fruits dans l'industrie alimentaire et donc dans de nombreuses boissons « fruitées ». Leur synthèse est réalisable à l’aide d’un acide et d’un alcool. À l'occasion de la préparation d’un de ces arômes artificiels, quelques techniques spécifiques à la réalisation de synthèses organiques sont mises en jeu. Protocole Matériel et produits Montage pour chauffage à reflux Agitateur magnétique Cristallisoir Becher de 500 mL Ampoule à décanter Montage de distillation avec thermomètre (montant à 150 °C) Deux petits bechers ou erlenmeyers (100 mL) Éprouvette graduée de 50 mL Pierre ponce Acide et alcool (suivant la synthèse choisie) Acide sulfurique concentré Solution d'hydrogénocarbonate de sodium à 10 % Sulfate de magnésium anhydre Données physico-chimiques Acide acétique 3-méthylbutan-1-ol Acide méthanoïque Acide butanoïque Propan-1-ol Éthanol Butan-1-ol Acétate de 3-méthylbutyle Méthanoate (formiate) d’éthyle Butanoate d'éthyle Méthanoate de propyle Acétate de butyle fus (°C) sous 1,013 bar éb (°C) sous 1,013 bar Solubilité dans l'eau 16,6 °C 117 °C 7 °C infinie faible infinie soluble soluble infinie faible faible M (gmol ) densité à 20 °C 60 88 46 88 60 46 74 130 1,05 0,81 1,22 0,95 0,80 0,79 0,81 0,87 126 °C 117 °C 89 °C 78,5 °C 118 °C 128,5 °C 100 °C 163 °C 97 °C 78 °C 117 °C 142 °C 74 0,92 80 °C 54,5 °C soluble 116 88 116 0,88 0,91 0,88 98 °C 93 °C 121 °C 82 °C 126 °C peu soluble peu soluble insoluble 1 Mode opératoire Première étape : estérification Introduire dans un ballon les volumes d'alcool et d'acide indiqués dans le tableau de présentation des synthèses envisageables, ajouter 1 mL environ d'acide sulfurique concentré1 et quelques grains de pierre ponce. Chauffer à reflux (au minimum 30 min) à l’aide d’un chauffe-ballon. Laisser refroidir le ballon à l’air, puis dans un cristallisoir d'eau glacée. Deuxième étape : séparation de l'ester, lavage et séchage de la phase organique Séparation Après refroidissement, verser le contenu du ballon dans un grand becher contenant environ 100 mL d'eau ; agiter avec un agitateur de verre, puis laisser reposer. Séparer les deux phases liquides à l'aide d'une ampoule à décanter et éliminer la phase aqueuse. Lavage de la phase organique Ajouter à la phase organique, dans l'ampoule à décanter, environ 30 mL de solution d'hydrogénocarbonate de sodium : on observe immédiatement un fort dégagement gazeux. Après un dégazage progressif, éliminer à nouveau la phase aqueuse. Séchage de la phase organique Récupérer la phase organique et la sécher à l’aide de sulfate de magnésium anhydre, filtrer dans un ballon propre et sec. Troisième étape : « rectification » de l'ester ou distillation L'ester obtenu à la fin de l'étape précédente est le « produit brut ». 1. Il est également possible d’utiliser environ 0,5 g d’acide p-toluènesulfonique : H3C SO3H Réaliser, pour purifier l’ester, une distillation (ne pas oublier d'introduire quelques grains de pierre ponce). Au cours de la distillation, on relèvera les températures à intervalles de temps réguliers. Noter sur la courbe de distillation, = f(temps), l'apparition des premières gouttes de distillat. Changer le récepteur lorsque la température en tête de colonne atteint une température proche de la température d’ébullition de l’ester. Mesurer le volume de l'ester purifié obtenu. Exemples de questions 1. 2. 3. 4. 5. Faire un schéma du dispositif de chauffage à reflux en indiquant le nom des pièces de verrerie. Écrire l’équation de la réaction d'estérification. Pourquoi réaliser l'expérience à chaud ? Rôle de l'acide sulfurique ? À l'aide du tableau des données physico-chimiques, calculer les masses et les quantités de matière de chacun des réactifs. Dire s'il y a un réactif en excès et si oui, lequel. 6. Quelle est la masse théorique maximale d’ester que l’on peut obtenir ? Calculer le rendement. 7. Faire un schéma de l'ampoule à décanter et identifier les phases. Justifier. 8. Quelle est la nature du gaz formé lors de l’opération de lavage de la phase organique ? Écrire l’équation de la réaction de sa formation à partir des ions hydrogénocarbonate, HCO3- . Quel est le rôle de ce traitement lavage ? 9. Pourquoi l’opération de séchage est-elle importante ? 10. Quel est l'aspect du produit brut ? Essayer d'inventorier les impuretés qu'il renferme. 11. Tracer la courbe de distillation : = f(temps). 12. Calculer le rendement de la synthèse. Prolongement documentaire Développer les aspects industriels et les applications à partir d’une recherche documentaire.