TS Activité Chapitre 8 Cinétique chimique Suivi d une réaction lente par chromatographie Objectifs : Analyser un protocole expérimental de synthèse chimique Analyser un chromatogramme pour mettre en évidence l évolution d une transformation chimique. Définir la durée d une réaction chimique. Principe : Les esters sont des molécules responsables du goût et de l odeur agréable de nombreux fruits et fleurs. L extraction et la séparation étant des opérations coûteuses et complexes, leur synthèse est une alternative utilisée en parfumerie et dans l industrie agroalimentaire. Ainsi l huile essentielle de Jasmin, très couramment utilisée en parfumerie, est obtenue par extraction à l aide de solvants volatils des fleurs de jasmin. On se propose dans cette activité de découvrir la méthode pour synthétiser l éthanoate de benzyle, ester majoritairement présent dans l huile essentielle absolue de jasmin et d analyser un suivi temporel de la réaction par CCM pour s assurer de sa formation. L éthanoate de benzyle s obtient en faisant réagir de l anhydride éthanoïque et de l alcool benzylique. L équation de la réaction de la synthèse s écrit : (H 3 C - CO) 2 O + C 6 H 5 - CH 2 OH H 3 C - COO - CH 2 - C 6 H 5 + H 3 C - COOH I. Protocole de synthèse de l éthanoate de benzyle et de suivi Protocole de synthèse : Dans un ballon bicol de 100 ml bien sec, introduire, 15 ml d anhydride éthanoïque et 12 ml d alcool benzylique mesurés à l éprouvette graduée. Ajouter quelques grains de pierre ponce. Chauffer à reflux le mélange en maintenant une ébullition douce pendant 30 minutes. Protocole de suivi par CCM : Pour suivre la formation de l éthanoate de benzyle, réaliser, à l aide d un capillaire grâce au deuxième col, six prélèvements du milieu réactionnel aux dates : t 1 = 0 min ; t 2 = 10 min ; t 3 = 15 min ; t 4 = 20 min ; t 5 = 25 min ; t 6 = 30 min Chaque prélèvement sera déposé dans un tube à hémolyse qui sera placé dans un bain glacé pour stopper la réaction. Préparer une solution R, obtenue en dissolvant 1 goutte d alcool benzylique dans 2 ml de cyclohexane, puis une solution P, obtenue en dissolvant 1 goutte d éthanoate de benzyle dans 2 ml de cyclohexane. Préparer deux plaques à chromatographie pour y effectuer 6 dépôts que chacune. A l aide d un capillaire, déposer dans l ordre : - sur la première plaque une goutte de la solution R, puis les prélèvements à t 1, t 2 puis t 3 et enfin une goutte de la solution P ; - sur la deuxième plaque une goutte de la solution R, puis les prélèvements à t 4, t 5 puis t 6 et enfin une goutte de la solution P. Placer chaque plaque dans une cuve contenant l éluant constitué de 1 volume d éthanoate d éthyle avec 10 volumes de cyclohexane. Révéler le chromatogramme à la lampe UV.
II. Exploitation Questions liées au protocole expérimental de la synthèse : 1/ Annoter le montage à reflux ci-dessous (Annexe 1). 2/ Analyser les données concernant les espèces chimiques mises en jeu et indiquer les précautions de sécurité à prendre pour réaliser cette synthèse chimique après avoir rappelé la signification de chaque pictogramme (voir annexe 2). 3/ Pour quelle raison convient-il de chauffer le milieu réactionnel lors de synthèse organique? Questions pour exploiter le chromatogramme (annexe 3) : 1/ Citer le nom du groupe fonctionnel des deux produits de la réaction et du groupe fonctionnel du réactif alcool benzylique et rappeler la formule développée de chaque groupe. Nommer le produit formé en plus de l éthanoate de benzyle H 3 C - COO - CH 2 - C 6 H 5. 2/ Calculer les quantités de matière de réactifs introduits. En déduire la nature du réactif limitant. 3/ Justifier l intérêt des dépôts R et P sur la plaque à chromatographie. 4/ Le produit formé en plus de l éthanoate de benzyle H 3 C - COO - CH 2 - C 6 H 5 apparaît-il sur le chromatogramme? Justifier. 5/ A l aide du chromatogramme, discuter de l évolution temporelle du milieu réactionnel. 6/ Le chromatogramme est-il en accord avec la réponse avec la question 3. 7/ Comment pourrait-on procéder pour améliorer la précision de la durée de la réaction chimique. 8/ Définir la durée d une réaction chimique. Annexe 1 :
Annexe 2 : Données concernant les espèces chimiques mises en jeu Nom Caractéristiques Pictogrammes de sécurité (nouvelle réglementation) Anhydride M = 102 g.mol -1 éthanoïque ρ = 1,08 kg.l -1 T eb = 139 C Réagit avec l eau en se transformant en acide éthanoïque Phrases de risque R et de sécurité S * R10-20/22-34 D26-36/37/39-45 Alcool benzylique Ethanoate de benzyle M = 108 g.mol -1 ρ = 1,04 kg.l -1 T eb = 205 C M = 150 g.mol -1 ρ = 1,1 kg.l -1 T eb = 212 C Cyclohexane M = 84 g.mol -1 ρ = 0,78 kg.l -1 T eb = 81 C Insoluble dans le cyclohexane R20/22 S26 R36/37/38 S36 R11-38-50/53-65-67 S9-16-25-33-60-61- 62 Ethanoate d éthyle M = 88 g.mol -1 ρ = 0,92 kg.l -1 T eb = 77 C Insoluble dans l eau et soluble dans le cyclohexane R11-36-66-67 S16-26-33 *La nouvelle réglementation indique des phrases commençant par une lettre H pour les mentions de danger et la lettre P pour les conseils de prudence. (Exemple H 302 : Nocif en cas d ingestion et P 273 : Éviter le rejet dans l environnement). La réglementation européenne autorise l utilisation des deux systèmes de notation jusqu en 2015. Annexe 3 : Photos des deux plaques à chromatographie Ordre des dépôts Sur la plaque 1 de gauche : solution R prélèvement à t 1 = 0 min prélèvement à t 2 = 10 min prélèvement à t 3 = 15 min solution P Sur la plaque 2 de droite : solution R prélèvement à t 4 = 20 min prélèvement à t 5 = 25 min prélèvement à t 6 = 30 min solution P
Questions liées au protocole expérimental de la synthèse : Corrigé : 1/ Annoter un montage à reflux. Noix, support (ou potence), chauffe-ballon, sortie eau froide, réfrigérant à eau, entrée eau froide, ballon, milieu réactionnel contenant les grains de pierre ponce, et au départ les réactifs puis progressivement les produits de la réaction, élévateur. 2/ Analyser les données concernant les espèces chimiques mises en jeu et indiquer les précautions de sécurité à prendre pour réaliser cette synthèse chimique après avoir rappelé la signification de chaque pictogramme. lunettes, gants, blouse, montage sous la hotte 3/ Pour quelle raison convient-il de chauffer le milieu réactionnel lors de synthèse organique? La température est un facteur cinétique qui influence la durée d une réaction. Elever la température conduit donc à diminuer la durée d évolution du système chimique entre son état initial et son état final. 4/ Pourquoi ne peut-on pas catalyser cette réaction avec une solution aqueuse d acide sulfurique concentré? L usage d un catalyseur permettrait également d accélérer la réaction chimique. Mais l acide sulfurique étant une solution aqueuse, l anhydride éthanoïque réagirait avec l eau pour se transformer en acide éthanoïque, l état final du système chimique en serait modifié. Questions pour exploiter le chromatogramme : 1/ Citer le nom du groupe fonctionnel des deux produits de la réaction et du groupe fonctionnel du réactif alcool benzylique et rappeler la formule développée de chaque groupe. alcool benzylique : hydroxyle acide éthanoïque : groupe carboxyle éthanoate de benzyle : ester 2/ Calculer les quantités de matière de réactifs introduits. En déduire la nature du réactif limitant. Soit n 1, la quantité de matière d anhydride éthanoïque, sachant que le volume mesuré est V 1 = 15 ml et que la masse volumique de ce composé est ρ 1 = 1,08 g.cm -1 A.N. : Soit n 2, la quantité de matière d alcool benzylique, sachant que le volume mesuré est V 2 = 12 ml et que la masse volumique de ce composé est ρ 2 = 1,04 g.cm -1 A.N. : D après l équation de la réaction chimique, une mole d alcool benzylique réagit avec une mole d anhydride éthanoïque, sachant que n 2 < n 1, c est l alcool benzylique qui est le réactif limitant de la réaction. 3/ Justifier l intérêt des dépôts R et P sur la plaque à chromatographie. Les dépôts R et P permettent de connaître les hauteurs de migration du réactif limitant, l alcool benzylique, et du produit recherché, l éthanoate de benzyle, pour ensuite apprécier l avancement de la réaction. Après élution, par comparaison, il est ainsi possible de vérifier la présence et l absence de l alcool benzylique et de l éthanoate de benzyle dans le système aux différents instants de prélèvement.
4/ Le produit formé en plus de l éthanoate de benzyle H 3 C - COO - CH 2 - C 6 H 5 apparaît-il sur le chromatogramme? Justifier. Le deuxième produit, l acide éthanoïque n apparaît pas sur le chromatogramme puisqu on ne voit qu une seule tache à se former au cours de la synthèse et celle-ci correspond à l autre produit, l éthanoate de benzyle. 5/ A l aide du chromatogramme, discuter de l évolution temporelle du milieu réactionnel. On peut observer sur le chromatogramme que le système chimique évolue au cours du temps : - à t 1 : le milieu réactionnel contient le réactif alcool benzylique mais pas de produit - de t 2 jusqu à la date t 4, le réactif et produit coexistent ; - à partir de la date t 5, le réactif a complètement réagi, on a donc atteint l avancement maximal, la réaction est terminée. 6/ Le chromatogramme est-il en accord avec la réponse avec la question 2. A la date t 5, le réactif alcool benzylique est complètement consommé : c est donc bien le réactif limitant. 7/ Comment pourrait-on procéder pour améliorer la précision de la durée de la réaction chimique. Augmenter le nombre de prélèvement entre t 4 et t 5. 8/ Définir la durée d une réaction chimique. La durée d une réaction chimique est la durée nécessaire à la consommation totale du réactif limitant.