DS de Spécialité n o 2 Extraction & identification de l arôme d ananas

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1 DS de Spécialité n o 2 Extraction & identification de l arôme d ananas De plus en plus souvent des arômes naturels ou de synthèse sont utilisés en cuisine ou dans l industrie alimentaire. Les arômes de fruits peuvent être obtenus à partir de mélanges d esters. D après l ouvrage «La chimie des couleurs et des odeurs» de Capron, le parfum artificiel d ananas est constitué d un mélange d esters et d acides carboxyliques ; l ester prépondérant est le butanoate d éthyle. Nota bene : aucune connaissance sur la chimie organique de Première S ou de fin d année de Terminale S Tronc Commun & de Spécialité n est évaluée dans ce sujet. 1. Extraction de l arôme ananas du commerce 1.1. 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 Eau salée Éthanol Cyclohexane Dichlorométhane Solubilité du butanoate d éthyle Faible Très faible Bonne Moyenne Bonne Densité 1 > 1 0,8 0,6 1,3 Miscibilité avec l eau - Miscible Miscible Non miscible Non miscible Température d ébullition 100,0 o C > 100 o C 79,0 o C 80,8 o C 40,0 o C Dangerosité Noyade Hypertension Alcoolisme Inflammable Toxique Quel solvant faut-il choisir parmi ceux du tableau pour extraire le maximum de butanoate d éthyle? Justifier par quatre arguments Dessiner l ampoule à décanter après agitation en précisant le contenu 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 (1) de la réaction : E (aq) = E (solvant organique) (1) Le coefficient de partage s exprime en fonction des concentrations molaires effectives, à l équilibre, de E dans les phases aqueuse et organique, notées respectivement : [E (aq) ]éq et [E (org) ]éq. Donner cette expression On dispose d un volume V de solution aqueuse contenant l espèce E. On ajoute un volume V S de solvant organique pour réaliser l extraction. La quantité de matière initiale de E dans l eau est notée n 0 et la quantité de matière extraite à l état l équilibre est égale à xéq, avancement à l état final de la réaction (1). Déterminer l expression de xéq en fonction de V, V S, K et n 0. On pourra s aider d un tableau d évolution pour cette réaction (1) L expression de τ en fonction de V, V S et K est : τ = KV S V +V S K Calculer le taux d extraction du butanoate d éthyle lors de l expérience, sachant que : K = 3,0, V = 20 ml et V S = 20 ml.

2 2. Extraction de l arôme d ananas frais 2.1. Pour extraire l arôme naturel d ananas du fruit frais au laboratoire, on coupe un ananas en dès et l on utilise le montage schématisé ci-dessous, à rendre avec la copie. Nom :...Prénom : Quel est le nom du procédé d extraction correspondant à ce montage? Compléter la légende, y inclus les marques 1, 2 et Quel est le rôle de 3? 2.2. Le mélange obtenu est trouble car il contient deux phases mal séparées : l huile essentielle d ananas et l eau. Afin de faciliter leur séparation, on ajoute une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium dans le mélange recueilli. On place ensuite le mélange dans une ampoule à décanter. On verse un solvant convenablement choisit dans l ampoule puis après agitation et décantation, on recueille la phase organique. On ajoute ensuite du sulfate de magnésium anhydre à la phase organique. Après filtration, on procède à l évaporation du solvant à l aide d un évaporateur rotatif afin d isoler l huile essentielle d ananas À l aide du tableau des caractéristiques physiques de la partie 1, justifier l ajout de chlorure de sodium dans le mélange Quel est le rôle de l ajout du sulfate de magnésium anhydre à la phase organique?

3 3. Chromatographie sur couche mince Les phases organiques des deux extractions précédentes ont été conservées et notées respectivement S 1 pour le produit commercial et S 2 pour l extrait d ananas naturel. Sur une plaque de silice sensible au rayonnement UV, on effectue trois dépôts : a. solution contenant du butanoate d éthyle pur; b. solution S 1 ; c. solution S 2. La plaque est révélée avec une lampe émettant des radiations ultraviolettes, on obtient le chromatogramme suivant : a b c Quel est le rôle d une chromatographie sur couche mince? 3.2. Quel est le nom des deux lignes notées 1 et 2 sur le schéma? 3.3. Comment appelle-t-on le solvant ou mélange de solvants utilisé dans la cuve à chromatographie? 3.4. Pourquoi est-il nécessaire de révéler le chromatogramme sous une lampe émettant des radiations ultraviolettes? 3.5. Interpréter le chromatogramme pour les solutions S 1 et S Le rapport frontal R f d une espèce chimique, dans un solvant ou mélange de solvants donné, est défini par : R f = x h où h est la distance parcourue par le solvant ou mélange de solvants et x la distance parcourue par l espèce chimique. Déterminer la valeur du rapport frontal du butanoate d éthyle dans les conditions de cette chromatographie.

4 Corrigé du DS de Spécialité n o 2 Extraction & identification de l arôme d ananas 1. Extraction de l arôme d ananas du commerce Les quatre critères de choix d un solvant sont : 1/ la non-miscibilité avec l eau; 2/ la faible dangerosité; 3/ une température d ébullition basse, c est-à-dire que le solvant soit volatil, donc facile à éliminer; 4/ le plus important, l espèce à extraire doit être le plus soluble possible dans le solvant. Le butanoate d éthyle a une bonne solubilité dans le dichlorométhane et dans l éthanol, mais ce dernier est miscible à l eau; le dichlorométhane est toxique, ce qui est potentiellement moins dangereux qu inflammable. Enfin, à 40 o C il est très volatil. On choisit donc le dichlorométhane Après agitation, la majorité du buthanoate d éthyle s est dissout dans la phase organique, dont le solvant est le dichlorométhane. Cette phase est plus dense que l ean (d = 1,3 > 1), elle se décante. Phase aqueuse Phase organique Constante d équlibre ou cœfficient de partage de la réaction (1) : K = Q r,éq = [E (orga)]éq [E (aq) ]éq Tableau d évolution pour la réaction (1) : E (aq) = E (orga) EI n 0 x Ec n 0 x x EF n 0 xéq xéq Calcul des concentrations d espèce E dans chaque phase, à l équilibre : [E (aq) ]éq = n 0 x V et [E (orga) ]éq = x éq V S Écriture de la constante de réaction, puis produit des extrêmes et des moyens : K = xéq V S n 0 xéq V Vxéq = (n 0 xéq )V S Tel que demandé, on isole xéq : K(n 0 xéq )V S = Vxéq Kn 0 V S KV S xéq = Vxéq Vxéq +KV S xéq = Kn 0 V S (V +KV S )xéq = Kn 0 V S xéq = Kn 0V S V +KV S Il s agit d une simple application numérique, une fraction dans laquelle on laisse les volumes en millilitres : τ = 3,0 20 = 0,75 = 75% ,0 2. Extraction de l arôme d ananas frais Il s agit d une hydrodistillation (le terme entraînement à la vapeur, correspondant à un autre montage d utilité proche, est aussi acceptable) Légende complétée : voir en fin de corrigé. 1 est la sortie d eau, 2 est l entrée d eau, 3 est le réfrigérant droit L élément 3, ou réfrigérant droit, sert à condenser les vapeurs sous forme de distillat L ajout de chlorure de sodium transforme la solution aqueuse en eau salée, dans laquelle le butanoate d éthyle est très peu soluble (tableau de la partie 1) Il s agit d un désséchant : il capte les dernières traces d eau dissoutes dans la phase organique (la solubilité de deux phases non-miscibles l une dans l autre n étant pas forcément nulles). 3. Chromatographie sur couche mince 3.1. Une chromatographie sur couche mince permet la séparation et l identification d un mélange d espèces chimiques La ligne notée 1 est la ligne de dépôt, la 2 est le front du solvant ou front de l éluant Le solvant ou mélange de solvants utilisé pour la chromatographie est l éluant Lorsque les espèces chimiques n absorbent pas dans le domaine des radiations visibles, les tâches formées sont incolores, transparentes, donc invisibles. En utilisant une plaque CCM réfléchissant la lumière UV, des tâches sombres vont apparaître aux emplacements où des molécules sont déposées, sous réserve d une absorption dans le domaine UV de ces molécules (ce qui est le cas pour de nombreuses molécules) On constate tout d abord que les deux dépôts des solutions S 1 et S 2 forment plusieurs tâches : ce sont tout deux des mélanges ;

5 Ensuite, on constate que chaque dépôt présente une tâche (celle du haut) à la même hauteur que la tâche formée par le butanoate d éthyle pur; ceci permet d identifier cette espèce dans les solutions Mesures sur l énoncé : voir schéma ci-contre; Application numérique : h H R f = h H = 3, ,1 = 0,92 a b c Thermomètre Ballon à fond rond Mélange de végétaux Chauffe-ballon Erlenmeyer Distillat

6 Grille DS2 Spé Grille DS2 Spé Grille DS2 Spé Grille DS2 Spé