Synthèse de l'acide benzylique (niveau Terminale S, dernière partie)

L'acide benzylique a une structure proche de celle du DDT, un insecticide très utilisé dès les années 1950. Leurs formules semi-développées sont données ci-dessous :

Données :
masses molaires atomiques (en g.mol^-1): M(H) = 1,0 ; M(C) = 12,0 ; M(O) = 16,0 et M(K) = 39,1
formule brute du benzile: C₁₄H₁₂O₂

Description du protocole :
Dans un ballon monocol, on introduit 3,0 g de benzile puis 25 mL d'une solution d'hydroxyde de potassium (ou potasse qui contient des ions K⁺(aq) et HO^-(aq)) de concentration c = 1,0 mol.L^-1 et enfin quelques grains de pierre ponce. On ajuste un réfrigérant à eau au monocol dont le contenu est chauffé à l'aide d'un chauffe-ballon. Le mélange est alors porté à reflux pendant dix minutes. Après un traitement avec de l'acide chlorhydrique un solide précipite dans le milieu réactionnel. Ce solide est alors filtré sous pression réduite puis sécher à l'étuve.


Exploitation :

1. Entourer les groupes caractéristiques de l'acide benzylique et les nommer.

2. On prépare la solution d'hydroxyde de potassium par dissolution de pastilles d'hydroxyde de potassium dans une fiole jaugée de 100 mL.
     2.1. Quelle masse d'hydroxyde de potassium a-t-il fallu dissoudre pour obtenir cette solution de concentration c = 1,0 mol.L^-1 ?
     2.2. Expliquer à l'aide de schémas légendés les étapes de préparation de la solution.

3. La synthèse de l'acide benzylique à partir du benzile se réalise en deux étapes. L'équation de réaction de la première étape s'écrit :

La seconde étape fait intervenir l'ion benzylate tout juste produit avec des ions oxnium pour donner, entre autre, de l'acide benzylique solide.
     3.1. A quel grand type de réactions cette seconde étape appartient-elle ?
     3.2. Ecrire l'équation de réaction de cette seconde étape et donner les couples acido-basiques mis en jeu.

4. Etude de la première étape
     4.1. Calculer les quantités de matière initiales en benzile et en ion hydroxyde.
     4. 2. Construire le tableau d'évolution correspondant à cette transformation.
     4.3. Déterminer l'avancement maximal, noté x_max,et préciser le réactif limitant.
     4.4. L'avancement final, noté x_f, est égal à 1,0.10^-2 mol. Calculer le taux d'avancement final de cette réaction et en déduire si elle est totale ou limitée.

     5.1. Légender le schéma du montage de chauffage au reflux donné ci-dessous. Y ajouter le sens de circulation de l'eau à l'intérieur du réfrigérant.

     5.2. Préciser l'avantage de cette filtration par rapport à une filtration simple.

6. Le solide obtenu est caractérisé par sa température de fusion qui est égale à 150°C. L'acide benzylique pur a un point de fusion égal à 150 °C. Qu'en conclure quant à la nature du solide obtenu ?


Source : Ecolochimie, chimie appliquée à l'environnement; G. André; éditions Cultures et techniques


Réponses

1. groupe hydroxyle -OH et groupe carboxyle -CO₂H

2.1. m = c*V*M ; numériquement: m = 5,6 g

2.2. Schémas classiques de dissolution avec une étape préliminaire: il faut tout d'abord dissoudre les pastilles d'hydroxyde de potassium avec un peu d'eau dans un becher et non dans une fiole jaugée car la réaction est exothermique et la chaleur produite aurait pour conséquence que le verre de la fiole jaugée se dilate ; la fiole jaugée ne serait alors plus précise.

3.1. Réaction acido-basique.
3.2. C₁₄H₁₁O₃^-(aq) + H₃O⁺(aq) = C₁₄H₁₂O₃ (s) + H₂O(l)

4. 1. n_i(benzile) = m(benzile)/M(benzile) = 3,0 / 212 = 1,4.10^-2 mol
n_i(HO^-) = c*V = 1,0*25.10^-3 = 2,5.10^-2 mol
4.2. tableau d'évolution de la première étape:

4.3. Après avoir fait les deux hypothèses sur la nature du réactif limitant, on trouve que x_max = 1,4.10^-2 mol et que le benzile est le réactif limitant.
4.4. Le taux d'avancement final, noté τ, est égal par définition au rapport de x_f sur x_max, ce qui donne ici: τ=  71 %; cette réaction est donc limitée.
 

5.1. 
5.2. Une filtration sous pression réduite (à l'aide d'un büchner et d'une fiole à vide) est beaucoup plus rapide qu'une filtration simple.

6. Le solide est de l'acide benzylique pur.