I. Objectifs

- Réaliser la synthèse d'un ester odorant : l'éthonate de 3-méthylbutyle, ou acétate d'isoamyle, arôme alimentaire à odeur et saveur de banane, selon la réaction d'équation :

CH3COOH + C5H12O = C7H14O2 + H2O

- Réaliser un montage à reflux.
- Séparer le produit final du milieu réactionnel.

II. Principe

A température ordinaire, la réaction d'estérification est très violente. On augmente sa vitesse en utilisant un catalyseur, l'acide sulfurique, et en portant le mélange à ébullition. Afin de ne perdre ni réactif ni produit lors de l'ébullition, les vapeurs qui se dégagent sont aussitôt recondensées et renvoyées dans le mélange réactionnel grâce au montage dit de " chauffage à reflux ".

Les esters sont des composés peu polaires qui présentent des chaînes carbonées hydrophobes: ils sont peu solubles dans l'eau et quasi-insoluble dans les solutions aqueuses ioniques. Cette propriété permet de les extraire du mélange réactionnel par décantation après addition d'une solution de chlorure de sodium. Cette opération s'appelle le relargage.

L'ester ainsi séparé contient encore des traces d'eau. Pour les éliminer, on lui ajoute un desséchant composé anhydre qui, en s'hydratant, capte l'eau encore présente dans la phase organique.

Une distillation fractionnée permettrait d'éliminer les dernières traces d'alcool que peut encore contenir la phase organique. De plus, la température d'ébullition est une indication de l'état de pureté de l'ester obtenu.

III. Matériels et réactifs

- Un condenseur à eau (dit réfrigérant à boules), un ballon de 250 mL à fond rond.
- Un valet, un élévateur à croisillons, un chauffe ballon électrique et un thermostat.
- Un support de mécanique + 2 noix de serrage + 2 pinces 3 doigts.
- Des lunettes et des gants
- Une éprouvette graduée de 50 mL, une ampoule à décanter de 250 mL.
- Deux erlenmeyers de 100 mL avec bouchon
- De la pierre ponce, un entonnoir, une spatule.
- 20 ml de 3-méthylbutan-1-ol, 30 ml d'acide éthanoïque pur et une vingtaine de gouttes d'acides sulfuriques concentrés
- Une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium, une solution aqueuse saturée d'hydrogénocarbonate de sodium.
- Du sulfate de magnésium anhydre, du papier pH.

IV. Manipulation

Mettre les lunettes et les gants pour manipuler les acides concentrés.

1) Réaction d'estérification sous chauffage à reflux

- Dans un ballon posé sur un valet, introduire successivement à l'aide de la même éprouvette graduée :
¤ 20 ml de 3-méthylbutane-1-ol ou alcool isoamylique
¤ 30 ml d'acide éthanoïque pur

- Ajouter avec précaution une vingtaine de gouttes d'acides sulfuriques concentrés, puis quelques grains (3 ou 4) de pierre ponce.

-Réaliser le montage de chauffage à reflux présenté ci-dessous.

- Faire circuler l'eau froide dans le réfrigérant puis porter le mélange à ébullition douce pendant 20 minutes. Observer le reflux vers le ballon du condensât qui se forme sur la paroi froide dans le bas du réfrigérant.

- Débrancher puis enlever le chauffe ballon, laisser refroidir le mélange réactionnel, toujours sur reflux d'abord à l'air.

- Laisser ensuite refroidir le mélange réactionnel dans une capsule ou un cristallisoir d'eau froide.

2) Lavage et décantation

- Dans le ballon posé sur un valet, ajouter environ 100 ml d'une solution concentrée dechlorure de sodium.

- Agiter doucement, puis transvaser le tout dans une ampoule à décanter, tout en retenant les grains de pierre ponce. Deux phases se séparent : la phase organique supérieure contient l'ester, une partie de l'alcool qui n'a pas réagit et un peu d'acide acétique. La phase aqueuse inférieure contient l'acide sulfurique et la majeure partie de l'acide acétique restant.

- Evacuer dans le ballon initial la phase aqueuse inférieure.

- A la phase organique, laissée dans l'ampoule à décanter, ajouter environ 50 ml d'une solution saturée d'hydrogénocarbonate de sodium. Une forte effervescence se produit ; elle est due au dioxyde de carbone résultant de la réaction acido-basique d'équation-bilan:

HCO3- + CH3COOH = CO2 + H2O + CH3-COO-

- Les ions acétate étant plus soluble dans l'eau que dans la phase organique, celle-ci est donc " lavée " de l'acide acétique qu'elle contenait.

- Agiter le mélange dans l'ampoule puis laisser à nouveau les phases se séparer avant d'évacuer soigneusement toute la phase aqueuse dont on vérifiera à l'aide d'un papier pH, qu'elle est encore légèrement basique.

3) Séchage

- Verser la phase organique dans un petit erlenmeyer sec et y ajouter 4 ou 5 spatules de sulfate de magnésium anhydre en granulé.

- Boucher l'erlenmeyer et agiter doucement le mélange pendant quelques minutes. En s'hydratant, le sulfate de magnésium capte le peu d'eau restant dans la phase organique qui est ainsi " séchée ".

- Filtrer le mélange, en recueillant le filtrat dans un autre erlenmeyer sec et préalablement pesé.

- Déterminer la masse m d'ester brut ainsi recueilli.

- Nettoyer la verrerie utilisée.

4) Données

5) Résultats

Masse d'ester brut recueilli : m = 18,53 g

Détermination des quantités de réactifs utilisés et celles d'ester brut formé :

De même : n0 (alcool) = 0,18 mol

De plus : n (ester) = 0,14 mol

Le réactif en défaut est l'alcool c'est donc par rapport à lui que l'on calcule le rendement brut µ de la synthèse, qui est un pourcentage, soit :

V. Vérification

1) But

On cherche à vérifier à l'aide de l'indice de réfraction la similitude entre le produit commercial et celui que nous avons synthétisé.

2) Matériel

- un réfractomètre
- une solution d'alcool pour le nettoyage du réfractomètre
- le produit commercial d'acétate d'isoamyle
- le produit issu de notre synthèse : le 3-méthylbutan-1-ol
- une solution étalon d'indice connu

3) Protocole

On étalonne l'appareil à l'aide d'une solution étalon dont on connaît l'indice de réfraction et on note la température au niveau du réfractomètre.On nettoie la ace du prisme à l'aide de la solution d'alcool.
On dépose à l'aide d'une pipette deux gouttes de la solution commerciale.

On recherche la démarcation entre la zone sombre et la zone éclairée : à ce niveau se situe la valeur de l'indice de réfraction n1 (d) que l'on lit grâce à l'échelle graduée.

On nettoie à nouveau la face du prisme.
Puis, nous déposons deux gouttes du produit issu de notre synthèse.

On effectue la même opération qu'auparavant.
On note ce nouvel indice de réfraction n2 (d) .Puis, on nettoie une dernière fois la face du prisme.

4) Résultats

On note alors :

l'indice de réfraction du produit commercial à 16°C :
n1 (d) 16 = 1,4007

l'indice de réfraction du produit issu de notre synthèse à 16°C :
n2 (d) 16 = 1,4004

5) Interprétation

Ces deux indices sont très proches.

Une légère différence peut être due à un reste d'eau dans le produit synthétisé. L'indice de réfraction de l'eau étant de n (d) = 1,33 , d'où :

n2 (d) 16 < n1 (d) 16

Cependant on peut affirmer que le produit obtenu est identique à celui synthétisé car une erreur de 0,0003 est négligeable.

VI. Comparaison au laser infrarouge

On soumet à un laser infrarouge notre solution d'acétate d'isoamyle synthétisée et le produit d'arôme de banane commercialisé :

Notre synthèse..................................................................................................................................

Le produit commercialisé...........................................................................................................

Les deux graphes sont identiques, à l'exception d'une variation à 3500 cm-1 , dû à un léger reste d'eau dans notre solution.

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