BTS CHIMISTE EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE

BTS CHIMISTE
Session 2006
Code Sujet : CHEXP-P01
EPREUVE FONDAMENTALE DE CHIMIE
- Pratique expérimentale Durée : 6 heures
Coef. : 7
SUJET N°1
PREPARATION DE DEUX PRODUITS UTILISES DANS L'ALIMENTATION : LA SACCHARINE
ET L'ETHANOATE DE 3-METHYLBUTYLE
La saccharine est un édulcorant intense : additif alimentaire doté d’une saveur sucrée mais ayant une valeur
nutritive faible. La synthèse proposée est une adaptation de la dernière étape du procédé Maunee, procédé
industriel développé dans les années 1950 et utilisé principalement aux Etats-Unis.
Il s'agit de la transformation du 2-aminosulfonylbenzoate de méthyle en saccharine ; la première étape est la
suivante :
O
O
O
O
S
S
NH2
N - + H2O + CH3OH + CO2
+ HCO3
OCH3
O
2-aminosulfonylbenzoate de méthyle
O
ion saccharinate, base conjuguée
de la saccharine
La seconde étape est la transformation de l'ion saccharinate en saccharine.
L' éthanoate de 3-méthylbutyle, deuxième produit fabriqué, est également un additif alimentaire. Il est
utilisé pour augmenter la saveur de certains aliments. Il constitue un arôme artificiel de banane.
Les deux parties peuvent être traitées de façon indépendante
1. MODE OPERATOIRE
1.1 Synthèse de la saccharine
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Dans un ballon tricol de 250 mL, équipé d'un réfrigérant, d'une ampoule de coulée et d'une agitation
magnétique, introduire 3,20 g de 2-aminosulfonylbenzoate de méthyle, 1,50 g d'hydrogénocarbonate de
sodium et 50 mL d'eau.
Porter le mélange réactionnel à environ 70 °C sous agitation vigoureuse jusqu'à ce qu'il devienne
limpide. Poursuivre l'agitation pendant 5 minutes supplémentaires.
Refroidir le mélange réactionnel.
Lorsque le mélange est bien refroidi, ajouter par l'ampoule de coulée 25 mL d'acide chlorhydrique à
3 mol.L-1. Vérifier que le pH de la solution est proche de 1 ; si ce n'est pas le cas, ajouter de l'acide
chlorhydrique jusqu'à obtenir un pH proche de 1.
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Laisser refroidir puis filtrer sur büchner.
Laver le solide avec 2 fois 10 mL d'eau glacée. Essorer.
Recueillir le produit brut et le peser (masse m1). Séparer le produit brut en deux fractions :
¾ Environ 0,5 g (m3) sont mis à sécher à l’étuve à 100°C jusqu'à masse constante (masse m'3) ;
stocker le produit sec dans un récipient étiqueté.
¾ Le reste de produit brut (m2) est recristallisé.
•
Recristalliser le produit brut dans l'eau. Placer le produit purifié à l'étuve à 100°C. Stocker le produit
recristallisé dans un récipient étiqueté.
Peser le produit recristallisé. Soit m4 la masse de produit recristallisé sec.
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Mesurer la température de fusion du produit recristallisé.
Effectuer une CCM en déposant sur une plaque de silice des solutions à 1 % dans l'éthanol :
- la solution de référence de 2-aminosulfonylbenzoate de méthyle (fournie)
- la solution de référence de saccharine (fournie)
- la solution de saccharine brute (à préparer)
- la solution de saccharine recristallisée (à préparer)
L' éluant est un mélange acétone / triéthylamine (98 / 2 en volume).
La révélation se fait sous UV.
1.2 Synthèse d'un arôme artificiel de banane : l'éthanoate de 3-méthylbutyle
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Dans un ballon de 250 mL, verser 40 mL de 3-méthylbutan-1-ol.
Ajouter doucement 50 mL d'acide éthanoïque glacial et 1 mL d'acide sulfurique concentré. Mélanger
avec précaution et ajouter une olive.
Équiper le ballon d'un réfrigérant et chauffer à reflux pendant 30 minutes.
Refroidir le mélange réactionnel.
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Verser le contenu du ballon dans une ampoule à décanter et ajouter 100 mL d'eau glacée.
Agiter vigoureusement et laisser décanter. Eliminer la phase aqueuse.
Laver la phase organique avec une solution saturée d'hydrogénocarbonate de sodium jusqu'à cessation
de l'effervescence, puis avec deux fois 50 mL d'eau.
Sécher la phase organique avec du sulfate de magnésium anhydre.
Distiller la phase organique et recueillir la fraction passant au dessus de 125 °C.
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Peser le produit obtenu. Soit m5 la masse obtenue.
Effectuer une analyse en CPG.
Mesurer l'indice de réfraction du produit obtenu.
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2. DONNEES (toutes les températures de changement d'état sont données sous une pression de 1,013 bar)
2.1 Synthèse de la saccharine
Produit
Données physico-chimiques
M = 215,23 g.mol-1
Tfus = 127 °C
Insoluble dans l'eau
Soluble dans l'acétone et l'éthanol
Saccharine
M = 183,19 g.mol-1
Solubilité dans l'eau : 3,45 g.L-1 à 25 °C
40 g.L-1 à 100 °C
Soluble dans l'acétone et l'éthanol
pKa =2
Hydrogénocarbonate de sodium M = 84,00 g.mol-1
Soluble dans l'eau
Acide chlorhydrique
M = 36,46 g.mol-1
Très soluble dans l'eau
Éthanol
Miscible à l'eau en toutes proportions
2-aminosulfonylbenzoate de
méthyle
Triéthylamine
Acétone
Phrases R et S
R22-36/37/38
S22-26-36/37/39
R40
S36/37-45
On utilise une solution
diluée.
R11
S7-16
R11-20/21/22-35
S3-16-26-29-36/37/39-45
R11-38-66-67
S9-16-26
1.2 Synthèse de l'éthanoate de 3-méthylbutyle
Produit
3-méthylbutan-1-ol
Acide éthanoïque
Éthanoate de 3-méthylbutyle
Données physiques
M = 88,1 g.mol-1
Teb = 128 °C
d 204 = 0,81
Très peu soluble dans l'eau
Azéotrope avec l'eau : Teb = 95 °C
M = 60,1 g.mol-1
Teb = 118 °C
d 204 = 1,05
Très soluble dans l'eau
Azéotrope avec l'eau : Teb = 77 °C
M = 130,2 g.mol-1
Teb = 142 °C
d 204 = 0,87
nD ≈ 1,4 (à mesurer)
Très peu soluble dans l'eau
Azéotrope avec l'eau : Teb = 94 °C
Phrases R et S
R10-20
S24-25
R10-35
S23-26-45
R10-66
S23-25
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3. QUESTIONS
3.1 Synthèse de la saccharine
Q1- Calculer les quantités de matière de 2-aminosulfonylbenzoate de méthyle et d'hydrogénocarbonate de
sodium introduites dans le tricol. En déduire la quantité de matière maximale attendue en ion saccharinate.
Q2- Expliquer pourquoi la disparition du trouble montre que la réaction a eu lieu.
Q3- Écrire les équations des réactions mises en jeu lors de l'ajout d'acide chlorhydrique.
Q4- Expliquer pourquoi il est important d'obtenir en fin de première étape un pH voisin de 1.
Q5- Calculer le rendement en produit brut et le rendement en produit purifié de la synthèse.
3.2 Synthèse d'un arôme artificiel de banane
Q6- Ecrire l'équation de la réaction mise en jeu.
Q7- Calculer les quantités de matière de 3-méthylbutan-1-ol et acide éthanoïque introduites dans le ballon
tricol. En déduire la masse maximale attendue d'éthanoate de 3-méthylbutyle.
Q8- Préciser le rôle de l'acide sulfurique.
Q9- Indiquer le rôle du lavage à la solution saturée d'hydrogénocarbonate de sodium. Ecrire les équations
des réactions mises en jeu.
Q10- Expliquer pourquoi on doit sécher la phase organique avec du sulfate de sodium anhydre avant la
distillation.
Q11- Calculer le rendement de la synthèse.
3.3 Contrôle de pureté
Q12- Commenter la plaque CCM obtenue.
Q13- Commenter l'analyse CPG réalisée et déduire le rendement corrigé.
3.4 Spectroscopie
Q14- Interpréter le spectre IR du 2-aminosulfonylbenzoate de méthyle (annexe 1, page 5/10).
Q15- Identifier les spectres IR du 3-méthylbutan-1-ol, de l'acide éthanoïque et de l'éthanoate de
3-méthylbutyle (annexe 2, page 6/10). Justifier la réponse.
Q16- Identifier les spectres de RMN du
(annexe 3, page 7/10). Justifier la réponse.
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C du 3-méthylbutan-1-ol et de l'éthanoate de 3-méthylbutyle
4/10
ANNEXE 1
Spectre IR du 2-aminosulfonylbenzoate de méthyle
5/10
ANNEXE 2
Spectres IR à attribuer
Spectre A
Nombre d'onde (cm-1)
Spectre B
Nombre d'onde (cm-1)
Spectre C
Nombre d'onde (cm-1)
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ANNEXE 3
Spectres RMN du 13C
Spectre D
Spectre E
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SPECTROSCOPIE INFRAROUGE
Table des nombres d’onde des vibrations d'élongation et de déformation.
Liaison
Nature
O-H alcool libre
O-H alcool lié
N-H amine
N-H amide
Cdi-H
Ctri-H
Ctri-H aromatique
Ctet-H
Ctri-H aldéhyde
O-H acide carboxylique
C≡C
C≡N nitriles
Elongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
C=O anhydride
Élongation
C=O chlorure d’acide
C=O ester
Élongation
Élongation
C=O aldéhyde et cétone
Élongation
C=O acide carboxylique
C=O amide
C=C
C=C aromatique
N=O (de –NO2)
conjugué
N=N
C=N
N-H amine ou amide
Ctet-H
Ctet-H (CH3)
O-H
P=O
Ctet-O-Ctet (étheroxydes)
Ctet-OH (alcools)
Ctet-O-Ctri (esters)
Ctri-O-Ctri (anhydrides)
C-N
C-C
C-F
Ctri-H de -HC=CH- (E)
(Z)
Ctri-H aromatique monosubstitué
Ctri-H aromatique
o-disubstitué
m-disubstitué
p-disubstitué
Ctri-H aromatique
1,2,3 trisubstitué
1,2,4 trisubstitué
1,3,5 trisubstitué
Ctet-Cl
Ctet-Br
Ctet-I
Élongation
Élongation
Élongation
Élongation
C tétragonal :
C
Intensité
F : fort ; m : moyen ;
f : faible
F (fine)
F (large)
m
F
m ou f
m
m
F
m
F à m (large)
f
F ou m
Élongation
Élongation
Déformation
Déformation
Déformation
Déformation
Élongation
Elongation
Élongation
3590-3650
3200-3600
3300-3500
3100-3500
~ 3300
3030-3100
3000-3100
2850-2970
2700-2900
2500-3200
2100-2260
2200-2260
1800-1850
1740-1790
1790-1815
1735-1750
1700-1740
abaissement de ~ 20 à 30
cm-1 si conjugaison
1700-1725
1650-1700
1620-1690
1450-1600
1500-1550
1290-1360
1400-1500
1640-1690
1560-1640
1430-1470
1370-1390
1260-1410
1250-1310
1070-1150
1010-1200
Élongation
1050-1300
F ; 1 ou 2 bandes
Élongation
Élongation
Élongation
Déformation
Déformation
Déformation
1020-1220
1000-1250
1000-1040
960-970
670-730
730-770 et 680-720
m
F
F
F
m
F ; 2 bandes
Déformation
Déformation
Déformation
735-770
750-800 et 680-720
800-860
F
F et m ; 2 bandes
F
Déformation
Déformation
Déformation
Élongation
Élongation
Élongation
770-800 et 685-720
860-900 et 800-860
810-865 et 675-730
600-800
500-750
≈ 500
F et m ; 2 bandes
F et m ; 2 bandes
F et m ; 2 bandes
F
F
F
Élongation
;
Nombre d’onde (cm-1)
C trigonal : C
;
C digonal :
F
F
F
F
F
F
m
Variable ; 3 ou 4 bandes
F
f ; parfois invisible
F ou m
F ou m
F
F ; 2 bandes
F
F
F
C
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SPECTROSCOPIE DE RMN DU 13C
Domaines de déplacements chimiques de divers 13C.
Type de carbone
RCH3
R2CH2
R3CH
R4C
R2C=CR2
RC≡CR'
aromatique
RCH2I
RCH2Br
RCH2Cl
δ en ppm
5-35
15-50
30-60
25-40
100-150
50-95
110-175
10-40
20-40
25-90
Type de carbone
CHCl3
RCH2NH2
RCH2OH et RCH2OR'
RNO2
RC≡N
RCONH2
RCOCl et RCO-O-COR
RCO2R'
RCO2H
RCHO et RCOR'
δ en ppm
77
20-70
50-90
60-80
110-130
150-170
150-170
150-180
160-190
190-220
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NOM :
Prénom :
Poste :
FEUILLE DE RÉSULTATS
1 - Saccharine
Masses : m1 (brut, humide) =
m2 (mis à recristalliser) =
m3 (brut mis à sécher) =
m'3 (brut, sec) =
m4 (pur, sec) =
Aspect du produit brut :
Aspect du produit recristallisé :
Rendement en saccharine brute :
Rendement en saccharine pure :
Température de fusion de la saccharine obtenue :
2 - Ethanoate de 3-méthylbutyle
Masse : m5 =
Aspect :
Rendement en éthanoate de 3-méthylbutyle :
Indice de réfraction à 20 °C :
Pureté par CPG :
Rendement corrigé :
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