Enoncé TP N°5 - CPGE Brizeux

PC Brizeux TP N°5 Altmayer-­‐Henzien 2015-­‐2016 TP N°5 : ESTERIFICATION DE FISCHER Objectif : Le but de ce TP est de mettre en œuvre l’estérification d’un ester acide carboxylique par un alcool primaire à l’aide d’un montage Dean-­‐Stark puis de purifier le produit obtenu par distillation fractionnée. I.
Données et consignes de sécurité Composé Acide acétique glacial Butan-­‐1-­‐ol Acétate de butyle APTS Toluène Masse molaire (g·∙mol−1) 60,05 74,12 116,16 172,20 92,14 Densité 1,049 0,810 0,886 0,867 Température d’ébullition (°C) 118 117 126 111 Corrosif, provoque de graves brûlures. A manipuler avec des gants et des lunettes. Inflammable. Sécurité et remarques Nocif par inhalation, Nocif par inhalation, Peut causer contact avec la peau contact avec la peau somnolence et et par ingestion. et par ingestion. Peut vertige. A Peut causer Corrosif. A causer somnolence manipuler somnolence et manipuler et vertige. A avec des gants vertige. A manipuler avec des gants manipuler avec des et des avec des gants et des gants et des lunettes. lunettes. et des lunettes. Inflammable. Inflammable. lunettes. Inflammable. Remarque : L'acide acétique glacial ne signifie pas qu'il est à 0°C, mais qu'il est pur à 99,5 %. Il est surnommé "glacial" car il a tendance à cristalliser à des températures inférieures à 17 °C. II. Principe général On désire synthétiser l’acétate de butyle, un ester à l’odeur caractéristique de banane ou de pomme. Il est utilisé comme additif alimentaire dans les sucreries, les crèmes glacées, les fromages, et est trouvé naturellement dans certains fruits comme les pommes. On se propose pour l’obtenir d’effectuer une estérification de Fischer entre l’acide acétique, un réactif commercial bon marché, et le butan-­‐1-­‐ol. O
OH
+
APTS
HO
toluène
O
O
acétate de butyle
+
H 2O
1/5 PC Brizeux TP N°5 Altmayer-­‐Henzien 2015-­‐2016 III. Manipulation Consignes : »
L’organisation lors d’un TP de chimie organique est primordiale et permet de faire la différence entre les candidats aux concours. Avant de commencer la manipulation, il est obligatoire de lire intégralement l’énoncé. Les temps d’attente devront être exploités au mieux (anticipation des prochaines étapes du protocole, rédaction du compte-­‐rendu, préparation des calculs pour le rendement…). »
Il vous est demandé d’être particulièrement vigilants en ce qui concerne la sécurité. Les produits doivent être manipulés avec le matériel de protection adapté. Vous veillerez à ce que votre paillasse soit en permanence propre et bien rangée. 1. Synthèse Dans un ballon de 250 mL muni d’un appareil Dean-­‐Stark auquel a été fixé un réfrigérant, introduire »
successivement 0,25 mol de butan-­‐1-­‐ol, 0,25 mol d’acide acétique glacial (arrondir au mL supérieur en acide et au mL inférieur en alcool, de manière à avoir l'alcool en léger défaut), 30 mL de toluène et 0,5 g d’acide para-­‐toluènesulfonique. »
Remplir le tube décanteur de toluène jusqu’à sa partie supérieure. »
Porter le mélange reflux sous agitation. »
2. Traitement de la réaction Quand l’estérification est terminée, refroidir le ballon puis verser son contenu dans un erlenmeyer. »
Ajouter 25 mL d’une solution saturée de carbonate de sodium afin de porter le pH vers 7. »
Après cessation de l’effervescence, introduire le milieu réactionnel dans l’ampoule à décanter et récupérer la phase organique. »
Laver la phase organique avec 25 mL d’une solution saturée de chlorure de sodium puis sécher sur sulfate de magnésium anhydre. 3. Purification du produit de synthèse »
Distiller à la pression atmosphérique en calorifugeant la colonne. »
Recueillir l’ester dans un erlenmeyer propre, sec, préalablement pesé et muni d’un bouchon. »
Peser le produit obtenu et noter son aspect. »
4. Evaluation de la pureté de l’ester obtenu Déterminer la température d’ébullition de l’ester à la pression atmosphérique. »
Mesurer son indice de réfraction. 2/5 PC Brizeux TP N°5 Altmayer-­‐Henzien 2015-­‐2016 IV. Questions 1. Faire un schéma annoté du montage Dean-­‐Stark et du montage de distillation fractionnée. 2. Lors de la réaction d’estérification, pourquoi chauffe-­‐t-­‐on le milieu réactionnel ? Quel est le rôle de l’acide para-­‐toluènesulfonique ? Quel est l'avantage d'utiliser l'APTS au lieu d'acide sulfurique concentré ? 3. Quel est le rôle du toluène ? Expliquer le choix du montage Dean-­‐Stark en s’appuyant sur le diagramme binaire eau-­‐toluène. A quelle température doit-­‐on porter le milieu réactionnel ? Comment sait-­‐on que la réaction est terminée ? 4. Quel est l’intérêt du lavage de la phase organique avec la solution saturée de carbonate de sodium ? Pourquoi n’effectue-­‐t-­‐on pas directement le lavage dans l’ampoule à décanter ? Quelle est la nature du dégagement gazeux observé ? Pourquoi n'utilise-­‐t-­‐on pas une solution de soude pour réaliser le même lavage ? 5. Quel est l’intérêt du lavage de la phase organique avec la solution saturée de chlorure de sodium ? Comment s’appelle-­‐elle cette étape ? 6. Déterminer le rendement de la synthèse. 7. Evaluer la pureté du produit synthétisé grâce aux résultats des mesures effectuées. 8. Proposer un mécanisme réactionnel pour la réaction d’estérification réalisée. 9. Interpréter les spectres RMN 1H et IR de l’acétate de butyle donnés dans l’énoncé. Figure 1 : Spectre IR de l'acétate de butyle 3/5 PC Brizeux TP N°5 Altmayer-­‐Henzien 2015-­‐2016 s, 3H t, 2H 1
t 3H m 4H Figure 2 : Spectre RMN H de l'acétate de butyle (CDCl3, 90 MHz) Annexes : données spectroscopiques Figure 1 : Table RMN H en ppm non exhaustive pour différents protons en fonction de leur environnement 1
Figure 2 : Table IR 4/5 PC Brizeux TP N°5 Altmayer-­‐Henzien 2015-­‐2016 Bilan des compétences et capacités expérimentales mobilisées dans ce TP : •
Mettre en œuvre des règles de sécurité adéquates (Réaliser). •
Mettre en œuvre une estérification à l’aide d’un montage Dean-­‐Stark en justifiant son intérêt. (Réaliser et analyser). •
Mettre en œuvre une extraction liquide-­‐liquide et un lavage en justifiant son intérêt (Réaliser et analyser). •
Mettre en œuvre le séchage d’un liquide et évaporer le solvant résiduel à l’évaporateur rotatif (Réaliser). •
Mettre en œuvre une distillation fractionnée (Réaliser). •
Déterminer le rendement d’une synthèse (Réaliser et valider). •
Mesurer un indice de réfraction, exploiter le résultat (Réaliser et valider). •
Confirmer une structure à l’aide de données spectroscopiques (Valider). •
Résumer sa démarche et ses résultats à l’écrit de façon claire et complète en faisant apparaître les points clés du raisonnement (Communiquer). 5/5