Optimiser une synthèse chimique

Pour accélérer la vitesse, on peut faire varier :

• la température : en chauffant le milieu réactionnel, on va pouvoir accélérer la réaction chimique ;
• la concentration d’un réactif : plus la concentration d’un ou de plusieurs réactifs est grande, plus la réaction évolue rapidement. À l’opposé, plus les réactifs sont dilués, plus la réaction est lente.

Le rendement se note η et s’exprime par la relation suivante.

avec : mexpérimentale la masse de produit obtenue à la fin de la manipulation, en gramme (g) mthéorique la masse du produit que l’on aurait obtenue si la réaction avait été totale et si nous n’avions eu aucune perte, en gramme (g) η le rendement, sans unité

L’optimisation d’une synthèse chimique repose sur plusieurs points.

• Minimiser le temps de la manipulation en accélérant la réaction, car certaines réactions peuvent être très lentes.
• Obtenir un rendement le plus élevé possible pour obtenir un maximum de produit.

On va étudier les techniques d’optimisation d’une synthèse chimique en étudiant l’influence des conditions expérimentales. On s’intéresse ici à l’exemple de la synthèse d’un ester, l’estérification.

La synthèse d’un ester consiste à faire réagir deux réactifs :

• un alcool qui contient le groupe hydroxyle —OH ;
• un acide carboxylique qui contient le groupe carboxyle .

On obtient alors une nouvelle molécule qui contient le groupe caractéristique ester .

Pour cette synthèse, on fait réagir :

• le 3-méthylbutan-1-ol de formule  ;
• l’acide éthanoïque de formule .

L’équation de la réaction s’écrit de la manière suivante.

Cette réaction se déroule dans les deux sens. La réaction qui a lieu en sens inverse entre l'ester et l'eau est appelée « hydrolyse de l'ester » et se produit simultanément à la synthèse de l’ester. La réaction d’estérification se produit lentement et elle est limitée par la réaction inverse de l’hydrolyse de l’ester. On cherche donc à optimiser cette réaction.

On cherche à étudier l’influence de deux paramètres sur la vitesse de réaction de la synthèse d’un ester : la température et l’utilisation d’un catalyseur.

On effectue deux expériences au cours desquelles on met en contact les deux réactifs à deux températures différentes T₁ et T₂, avec T₁ > T₂.

On trace ensuite la courbe qui représente la quantité de matière d’ester formée en fonction du temps.

Observation et conclusion

L’état d’équilibre est atteint plus rapidement avec la courbe de température la plus élevée.

On utilise le plus souvent l’acide sulfurique pour catalyser la réaction (il contient les ions oxonium H₃O⁺).

On effectue deux expériences au cours desquelles on met en contact les deux réactifs en présence d’un catalyseur et sans catalyseur.

On trace ensuite la courbe qui représente la quantité de matière d’ester formée en fonction du temps.

Observation et conclusion

L’état d’équilibre est atteint plus rapidement avec un catalyseur.

Le rendement de l'estérification est le rapport entre la quantité de matière d'ester obtenue expérimentalement et la quantité de matière d'ester que l'on obtiendrait si la réaction était totale (n_{ester max}) :

.

Le rendement de la réaction d’estérification peut être optimisé en jouant sur la composition initiale, et/ou en éliminant un produit au fur et à mesure de sa formation.

On réalise diverses réactions d’estérification au cours desquelles on modifie les quantités initiales des réactifs introduits (acide éthanoïque et 3-méthylbutan-1-ol).

On regroupe les résultats dans le tableau suivant.

n(ac)i (en mol)	5	2	1	1	1
n(al)i (en mol)	1	1	1	2	5
η (sans unité)	0,35	0,31	0,25	0,31	0,35

On a noté n(ac)_i et n(al)_i les quantités initiales d’acides et d’alcool introduites, et η le rendement de la réaction.

Observation
Le rendement est maximal lorsque l’un des réactifs est introduit en large excès par rapport à l’autre.

Interprétation
L’expression du quotient de la réaction de synthèse de l’ester est :

L’expression de la constante d’équilibre vaut :

On suppose qu’on a atteint l’état d’équilibre : Q_r = K.

On ajoute ensuite un excès de réactif, l’acide par exemple : on a alors n(acide) > n(acide)_éq, ce qui implique que Q_r < K car la constante de la réaction est inversement proportionnelle à la concentration en acide.

Le système va alors évoluer de sorte à ce que le quotient de la réaction Q_r tende vers la constante d’équilibre K : il faut donc éliminer l’espèce ajoutée (l’acide) en la consommant, donc en favorisant la production d’ester.

Conclusion

On suppose qu’on a atteint l’état d’équilibre : Q_r = K.

On élimine ensuite l’un des produits, l’eau par exemple : on a alors n(eau) < n(eau)_éq, ce qui implique Q_r < K.

Le système va alors évoluer de sorte à ce que le quotient de la réaction Q_r tende vers la constante d’équilibre K : il faut donc produire l’espèce éliminée en favorisant la production d’ester.

Conclusion

Pour optimiser la vitesse et le rendement d’une réaction, il faut faire en sorte de respecter les trois points suivants :

• chauffer le milieu réactionnel ;
• utiliser un catalyseur ;
• utiliser un montage qui permet d’éliminer un produit au fur et à mesure de sa formation.

Afin de respecter ces trois points, on utilise un montage de distillation fractionnée en présence d’un catalyseur : l’acide sulfurique H₂SO₄.
Il faut donc procéder de la manière suivante.

1. Prélever les réactifs (acide éthanoïque et 3-méthylbutan-1-ol), puis les mettre en contact dans le ballon afin qu’ils interagissent.
2. Ajouter quelques gouttes d’acide sulfurique.
3. Réaliser le montage de distillation fractionnée.
4. Mettre en route le chauffe ballon.

Le montage permet de porter à ébullition un mélange de liquides miscibles dotés de températures d’ébullition différentes afin d’extraire le liquide qui a la plus faible température d’ébullition.
Pour savoir quelle espèce chimique a la température d’ébullition la plus faible, on étudie le tableau suivant.

Températures d'ébullition	eau	100 °C
	acide éthanoïque	118 °C
	3-méthylbutan-1-ol	131 °C
	éthanoate de 3-méthylbutyle	142 °C

Dans la réaction d’estérification, on remarque que l’eau possède la température d’ébullition la plus faible. C’est donc l’eau qui sera éliminée au fur et à mesure de sa formation dans ce montage. Il s’agit d’un produit de cette réaction de synthèse d’ester, le rendement va donc augmenter.