Arôme d'ananas : bac S Polynésie 2010

L'arôme d'ananas du commerce : Après avoir identifié le butanoate d’éthyle dans les formules suivantes, recopier sa formule et entourer le groupe caractéristique ester. Pour vérifier la présence de butanoate d’éthyle dans un flacon d’arôme ananas du commerce (en phase aqueuse), on souhaite réaliser une  extraction liquide-liquide à l’aide d’une ampoule à décanter. On dispose de trois solvants : dichlorométhane, éthanol et cyclohexane. solvant eau éthanol cyclohexane dichlorométhane solubilité du butanoate d'éthyle faible bonne moyenne bonne densité 1 0,8 0,6 1,3 miscibilité avec l'eau xxx miscible non miscible non miscible Quel solvant faut-il choisir parmi ceux du tableau pour extraire le maximum de butanoate d’éthyle ? Justifier. Le butanoate d'éthyle doit être très soluble dans le solvant et ce dernier ne doit pas être miscible avec l'eau : le dichlorométhane convient. Dessiner l’ampoule à décanter après agitation en précisant le contenu. Le liquide le plus dense, le dichlorométhane occupe la partie inférieure.   Lors d’une extraction liquide-liquide, on définit le coefficient de partage de l’espèce E à extraire. Ce coefficient est égal à la constante d’équilibre K  associée à l’équation de la réaction :         E(aq) = E(solvant organique)       (réaction 1).   Le coefficient de partage s’exprime donc en fonction des concentrations molaires effectives, à l’équilibre, de E dans les phases aqueuse et organique, notées respectivement: [Eaq]eq et [Eorg]eq. Donner cette expression. K = [Eorg]eq/ [Eaq]eq. On dispose d’un volume V de solution aqueuse contenant l’espèce E. On ajoute un volume VS de solvant organique pour réaliser l’extraction. La quantité de matière initiale de E dans l’eau est notée n0 et la quantité de matière extraite à l’équilibre est égale à xéq, avancement à l’état final de la réaction 1.             Déterminer l’expression de xéq en fonction de V, VS, K et n0. [Eorg]eq =  xéq / VS ; [Eaq]eq =( n0 -xéq )  / V ;  K = xéqV /  ( VS ( n0 -xéq )). KVS n0 - KVSxéq = xéqV ; (V +KVS ) xéq = KVS n0 ; xéq = KVS n0 / (V +KVS ) = K n0 / (V/ VS +K ). Le taux d’extraction t est défini comme le rapport de la quantité de  matière extraite xéq à la quantité de matière initiale n0.             L’expression de t en fonction de V, VS et K est : t = KVS / (V +KVS ).             Calculer le taux d’extraction du butanoate d’éthyle sachant que : K = 3,0 , V = 20 mL et VS = 20 mL.   t = KVS / (V +KVS ) = 3*20 / (20 +60) =0,75. La phase organique de l’extraction est conservée et appelée solution S1. Synthèse du butanoate d’éthyle au laboratoire. On chauffe à reflux un mélange de 0,20 mol d’acide et de 0,20 mol d’alcool afin d’obtenir l’ester à odeur d’ananas, le butanoate d’éthyle.  Identifier le montage de chauffage à reflux. Quel est l’intérêt de ce montage ? Le montage b est un montage de chauffage à reflux. Ce type de montage permet d'accélérer la réaction en travaillant à température modérée. On évite les pertes de matière : les vapeurs qui se dégagent se condensent dans le réfrigérant et retombent dans le milieu réactionnel. Écrire à l’aide des formules semi-développées l’équation de la réaction d’estérification envisagée (réaction 2) et préciser le nom des espèces chimiques. Donner les caractéristiques de cette réaction.  L'estérification est lente et limitée par l'hydrolyse de l'ester. Un suivi cinétique de la réaction permet de tracer le graphe de la quantité d’ester formée en fonction du temps : Définir le rendement de cette réaction et le calculer. Le rendement est la quantité réelle d'ester dormé divisé par la quantité d'ester théorique ( cas d'une réaction totale). rendement = xfin / xmax = xfin / n0 =0,133 / 0,20 =0,66 ( 66%). On utilise maintenant pour cette synthèse 0,50 mol d’acide et 0,20 mol d’alcool.        Le rendement va-t-il évoluer ? Expliquer. L'acide est en excès : l'équilibre est déplacé dans le sens direct, formation de l'ester. Le rendement va donc augmenter. Lors de cette synthèse, après refroidissement, on récupère la phase organique ; elle est nommée solution S2. Chromatographie sur couche mince. Sur une plaque de silice sensible au rayonnement UV, on effectue trois dépôts :             (a) - solution contenant du butanoate d’éthyle pur  ;  (b) - solution S1 ; (c) - solution S2 diluée. La plaque est révélée avec une lampe émettant des radiations ultraviolettes, on obtient le chromatogramme suivant : Quel est le rôle d’une chromatographie sur couche mince ? La chromatographie permet de séparer et d'identifier les constituants d'un mélange. Comment appelle-t-on le solvant ou mélange de solvants utilisé dans la cuve à chromatographie ? Eluant. Interpréter le chromatogramme pour les solutions S1 et S2.  La solution S1 contient  4 espèces chimiques dont le butanoate d'éthyle ; la solution S2 contient 2 espèces chimiques dont le butanoate d'éthyle. Le rapport frontal Rf d’une espèce chimique, dans un solvant ou mélange de solvants donné, est défini par : Rf = x / h