Synthèse de l'arôme de banane
L'arôme de banane est un mélange complexe de plusieurs espèces chimiques naturelles. Le principal constituant de cet arôme est l'éthanoate de 3-méthylbutyle aussi appelé « acétate d'isoamyle » : il est utilisé en parfumerie et comme additif alimentaire.
L'objectif de cet exercice est de comparer plusieurs protocoles permettant de synthétiser au laboratoire cette espèce chimique, afin de déterminer quelle synthèse est la plus éco-responsable.
Flacon d'arôme alimentaire banane commercial
L'équation de la réaction de synthèse de l'éthanoate de 3-méthylbutyle est la suivante :
Données :
- Table de données de spectroscopie infrarouge :
| Liaison | \ce{O-H} | \ce{C-H} | \ce{C=C} | \ce{C=O} |
| Nombre d'onde (en \text{cm}^{-1}) | 3 200 – 3 700 | 2 850 – 3 100 | 1 620 – 1 680 | 1 650 – 1 750 |
| Allure de la bande caractéristique | Forte et large | Forte | Faible et fine | Forte et fine |
1. Identification des espèces mises en jeu dans la réaction
On cherche à représenter la formule topologique des réactifs.
Dans quelle proposition a-t-on correctement entouré les groupes caractéristiques et identifié les familles fonctionnelles correspondantes ?
Le groupement O-H définit la famille des alcools, le groupement COOH la famille des acides carboxyliques.
On cherche à représenter la formule topologique de l'éthanoate de 3-méthylbutyle.
Dans quelle proposition a-t-on correctement entouré le groupe caractéristique et identifié la famille fonctionnelle correspondante ?
Le groupement COOH entre deux chaînes carbonées définit la famille des esters.
Comment peut-on justifier que le produit \ce{P} obtenu lors de cette synthèse est de l'eau ?
Pour déterminer la formule brute du produit \ce{P}, on détermine celle des réactifs et du produit déjà connu :
- Formule brute du 3-méthylbutan-1-ol : \ce{C5H12O}
- Formule brute de l'acide éthanoïque : \ce{C2H4O2}
- Formule brute de l'éthanoate de méthylbutyle : \ce{C7H14O2}
L'équation de la réaction est donc :
\ce{C5H12O} + \ce{C2H4O2} \ce{->} \ce{C7H14O2} + \ce{P}
D'après la conservation des éléments chimiques, le produit \ce{P} contient un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène, ce qui correspond bien à la molécule d'eau \ce{H2O}.
Àl'aide des données et en justifiant, attribuer chacun des spectres A et B représentés ci-après soit à l'acide éthanoïque, soit à l'éthanoate de 3-méthylbutyle.
Spectre A
Spectre B
Les deux spectres font apparaître la bande forte et fine autour de 1\ 700\text{ cm}^{-1} caractéristique de la liaison \ce{C=O}, commune aux deux molécules. Mais seul le spectre A contient aussi une bande forte et large autour de 3\ 200 \text{ cm}^{-1} caractéristique de la liaison \ce{O-H}, présente uniquement dans l'acide éthanoïque. Ainsi, le spectre A correspond à l'acide éthanoïque et le spectre B à l'éthanoate de méthylbutyle.
2. Comparaison de protocoles de synthèse
Données :
- L'ion hydrogénocarbonate \ce{HCO3^{-}} est une espèce amphotère appartenant aux couples acide-base suivants : \ce{HCO3^{-}} / \ce{CO3^{2-}} et \ce{CO2,H2O} / \ce{HCO3^{-}}.
- Données physico-chimiques à 20 °C et données de sécurité :
| Espèce chimique | Masse molaire en \text{g.mol}^{-1} | Densité | Solubilité dans l'eau salée | Pictogrammes de sécurité |
| 3-méthylbutan-1-ol | 88,2 | 0,81 | Peu soluble | Inflammable - Nocif |
| Acide éthanoïque | 60,0 | 1,05 | Très soluble | Inflammable - Corrosif |
| Éthanoate de 3-méthylbutyle | 130,2 | 0,87 | Très peu soluble | Nocif |
| Cyclohexane | 84,2 | 0,78 | Insoluble | Nocif - Inflammable - Dangereux pour l'environnement - Dangereux pour la santé |
Dans la suite de l'exercice on compare trois protocoles de synthèse.
Protocole A : synthèse avec montage de chauffage à reflux
- Étape 1 : dans un ballon on introduit 22 mL de 3-méthylbutan-1-ol, 15 mL d'acide éthanoïque pur et 10 gouttes d'acide sulfurique concentré, ainsi que quelques grains de pierre ponce.
- Étape 2 : le mélange est chauffé à reflux pendant 45 minutes puis refroidi à la température ambiante.
- Étape 3 : la phase organique est ensuite lavée avec une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium puis avec une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium. La phase organique est alors séchée à l'aide de sulfate de magnésium anhydre.
- La masse d'éthanoate de 3-méthylbutyle obtenue est m_B = 19{,}7 \text{ g}.
Nommer les étapes 2 et 3 du protocole A.
- L'étape 2 correspond à la transformation chimique. Lors d'une synthèse avec montage de chauffage à reflux, c'est pendant la phase de chauffage qu'a lieu la transformation chimique.
- L'étape 3 correspond à l'extraction et à la purification du produit.
L'acide sulfurique concentré est utilisé comme catalyseur dans ce protocole.
Quel est le sens du mot « catalyseur » ?
Un catalyseur est une espèce chimique qui permet d'augmenter la vitesse de la transformation chimique. Une catalyse consiste donc à accélérer une transformation chimique par l'ajout au milieu réactionnel d'un catalyseur.
Quelle est l'utilité du montage de chauffage à reflux dans ce protocole ?
Le chauffage à reflux permet de chauffer le mélange réactionnel (et donc augmenter la vitesse de la transformation), sans perte de matière (les vapeurs qui s'échapperaient en l'absence de réfrigérant).
Lors du second lavage de l'étape 3 du protocole, on observe un dégagement gazeux.
À l'aide des données, comment peut-on expliquer cette observation et justifier l'utilité de cette étape ?
Lors de l'étape 3, la phase organique est lavée avec une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium puis avec une solution aqueuse d'hydrogénocarbonate de sodium, qui contient la base \ce{HCO3-}. Le dégagement gazeux observé correspond au dioxyde de carbone formé lorsque cette base réagit avec l'acide éthanoïque encore présent, selon l'équation suivante :
\ce{HCO3-} + \ce{CH3COOH} \ce{->} \ce{H2O,CO2} + \ce{CH3COO-}
Quel est le réactif limitant utilisé dans le protocole A ?
Afin de déterminer le réactif limitant, on calcule les quantités initiales des deux réactifs :
n_{\text{ac.éth.}} = \dfrac{m_{\text{ac.éth.}}}{M_{\text{ac.éth.}}} = \dfrac{\rho_{\text{ac.éth.}} \times V_{\text{ac.éth.}}}{M_{\text{ac.éth.}}} = \dfrac{\rho_{\text{eau}} \times d_{\text{ac.éth.}} \times V_{\text{ac.éth.}}}{M_{\text{ac.éth.}}}
n_{\text{ac.éth.}} = \dfrac{1{,}0 \times 1{,}05\times 15}{60{,}0} = 0{,}26 \text{ mol}
De même pour le 3-méthylbutan-1-ol :
n_{\text{alcool}} = \dfrac{\rho_{\text{eau}} \times d_{\text{alcool}} \times V_{\text{alcool}}}{M_{\text{alcool}}}
n_{\text{alcool}} = \dfrac{1{,}0 \times 0{,}81\times 15}{88{,}2} = 0{,}20 \text{ mol}
Dans l'équation de la réaction, les coefficients stoechiométriques de ces deux réactifs sont de 1 et on a :
\dfrac{n_{\text{alcool}}}{1} \lt \dfrac{n_{\text{ac.éth.}}}{1}
L'alcool 3-méthylbutan-1-ol est donc le réactif limitant.
Quel rendement de la synthèse réalisée en suivant ce protocole peut-on en déduire ?
Par définition, l'expression du rendement d'une synthèse est :
r=\dfrac{n_{\text{(produit obtenu expérimentalement)}}}{n_{\text{(produit formé si réaction totale)}}}=\dfrac{n_{\text{exp}}}{n_{\text{max}}}
D'après l'équation de la réaction et l'alcool 3-méthylbutan-1-ol étant le réactif limitant, la quantité de produit maximale pouvant être formée est :
n_{\text{max}} = n_{\text{alcool}} = 0{,}20 \text{ mol}
Et la quantité obtenue expérimentalement est :
n_{\text{exp}}=\dfrac{m_{\text{produit}}}{M_{\text{produit}}} = \dfrac{19{,}7}{130{,}2}=0{,}15 \text{ mol}
D'où le calcul du rendement :
r=\dfrac{0{,}15}{0{,}20}=0{,}75=75 \text{ \%}
Dans les protocoles B et C, les étapes 1 et 3 sont identiques à celles du protocole A mais l'étape 2 est modifiée comme indiqué ci-dessous :
| Protocole B | Protocole C | |
| Synthèse au four à micro-ondes | Synthèse avec un appareil de Dean-Stark | |
| Modifications de l'étape 2 | Chauffage avec une puissance de 800 W pendant 30 s. | Chauffage à l'aide de l'appareil de Dean- Stark permettant d'extraire l'eau au cours de sa formation, en présence de cyclohexane jouant le rôle de solvant. |
| Rendement | 87 % | 85 % |
Le chauffe-ballon utilisé dans les protocoles A et C lors de l'étape 2 consomme une énergie de 4{,}1.10^5 \text{ J}.
Quelle est l'énergie utilisée pour chauffer le mélange réactionnel dans le protocole B ?
L'énergie utilisée est égale au produit de la puissance du chauffage et de la durée :
E = P \times \Delta t
Soit :
E = 800 \times 30
E = 2{,}4.10^4 \text{ J}
Cette valeur est donc beaucoup plus faible que celle obtenue avec un chauffe-ballon (4{,}1.10^5 \text{ J}).
Le protocole B permet de faire d'importantes économies d'énergie.
D'après https://www.sigmaaldrich.com/ :
L'objectif de la chimie verte est de réduire l'impact de la chimie sur la santé humaine et l'environnement. Il s'agit donc de rechercher des milieux réactionnels alternatifs et respectueux de l'environnement tout en s'efforçant, dans le même temps, d'augmenter les vitesses et d'abaisser les températures de réaction. Paul T. Anastas et John C. Warner ont développé 12 principes de la chimie verte en 1991. Ces principes se divisent en deux groupes : « réduire le risque » et « réduire le plus possible l'empreinte environnementale ».
Figure 1. Schéma illustrant quelques principes directeurs de la chimie verte
D'après la figure 1, quel protocole répond le mieux aux principes directeurs de la chimie verte ?
Le protocole B est celui qui répond le mieux aux principes directeurs de la chimie verte :
- il permet de limiter les dépenses énergétiques ;
- contrairement au protocole C, il n'utilise pas le solvant cyclohexane qui est inflammable, nocif et dangereux pour l'environnement et pour la santé ;
- finalement, son rendement est meilleur.