Réactions des esters

Qu'est-ce qu'un ester ?

L'acétate d'éthyle, systématiquement appelé éthanoate d'éthyle, est l'un des esters les plus courants. Si tu le renifles, il a une odeur fruitée caractéristique, comme celle des gouttes de poire. Nous l'utilisons de différentes manières : comme solvant et diluant, pour décaféiner les feuilles de café et de thé, comme arôme et dans les produits de toilette. On le trouve souvent dans les parfums car il est assez volatil et s'évapore facilement sur la peau, laissant derrière lui son odeur agréable.

Les esters sont dérivés des acides carboxyliques et ont la formule générale RCOOR', comme indiqué ci-dessous :

Fig. 1 - Structure générale d'un ester. Les groupes R peuvent être des groupes alkyle ou aryle

Les esters peuvent être fabriqués de différentes manières, mais le plus souvent à partir d'acides carboxyliques et d'alcools. Nous les nommons en utilisant des noms basés sur ces alcools et acides carboxyliques. Le nom dérivé de l'alcool vient en premier, suivi du nom dérivé des acides carboxyliques. Tous les esters se terminent par le suffixe -oate. Par exemple, nous appelons l'ester obtenu à partir du propanol et de l'acide méthanoïque méthanoate de propyle.

Fig. 2 - Méthanoate de propyle. Le propyle est dérivé du propanol, représenté en vert, tandis que le méthanoate est dérivé de l'acide méthanoïque, représenté en violet

Voyons comment nous produisons des esters.

Estérification

L'estérification est un type de réaction qui produit un ester. Dans ce cas, nous faisons réagir un acide carboxylique avec un alcool pour produire un ester et de l'eau. Il s'agit d'une réaction réversible, c'est-à-dire que la réaction en avant et la réaction en arrière se produisent en même temps dans un état d'équilibre dynamique.

Fig. 3 - Estérification. Tu reverras ce schéma plus loin dans l'article

Produire des esters en laboratoire

La fabrication d'esters est une expérience pratique courante que tu pourrais réaliser en classe.

Pour fabriquer des esters à l'échelle d'un tube à essai, utilise un bain-marie pour chauffer doucement 10 gouttes d'un acide carboxylique avec 10 gouttes d'un alcool et 2 gouttes d'un catalyseur acide fort, comme l'acide sulfurique. Tu ne ferais pas cela directement au-dessus d'une flamme nue parce que les liquides organiques utilisés sont hautement inflammables.

Comme cette réaction est réversible, tu ne produiras qu'une toute petite quantité d'ester. Pour le sentir, verse la solution dans un bécher d'eau. Les esters à longue chaîne sont solubles et formeront donc une couche à la surface de l'eau, tandis que l'acide et l'alcool qui n'ont pas réagi se dissoudront facilement. Si tu fais passer l'air au-dessus du bécher, tu devrais pouvoir sentir l'odeur de l'ester. Alors que les esters à chaîne courte tels que l'éthanoate de méthyle, communément appelé acétate de méthyle, sentent les solvants ou la colle, les esters à chaîne plus longue ont une odeur fruitée et aromatique.

Fig. 4 - Schéma montrant la production d'un ester dans un tube à essai

Essayons d'écrire une équation. Par exemple, en faisant réagir l'acide éthanoïque avec le butanol, on obtient l'éthanoate de butyle, qui sent la framboise.

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

acide éthanoïque butanol éthanoate de butyle eau

Fig. 5 - Éthanoate de butyle. Dans cet ester, R provient de l'acide éthanoïque, représenté en rouge, tandis que R' provient du butanol, représenté en vert

Autres méthodes de production d'esters

On peut aussi fabriquer des esters d'autres façons, par exemple :

• En faisant réagir des alcools avec des chlorures d'acyle.
• En faisant réagir des alcools avec des anhydrides d'acide.

Nous examinerons ces deux types de réaction plus en détail dans la section Acylation.

Hydrolyse des esters

Nous pouvons décomposer les esters de deux manières similaires, en utilisant un acide ou une base comme catalyseur. Ces réactions sont connues sous le nom de réactions d'hydrolyse.

Hydrolyse acide

Nous avons mentionné plus haut que l'estérification est une réaction réversible. Si tu mélanges un acide carboxylique et un alcool avec un catalyseur acide, la solution finira par atteindre un état d'équilibre dynamique. Cela signifie simplement que les molécules changent constamment de forme, certaines se combinant en ester et libérant de l'eau, et d'autres revenant à un alcool et à un acide carboxylique. À l'équilibre, la vitesse de la réaction d'estérification en avant est la même que celle de la réaction en arrière : nous appelons cette réaction en arrière l'hydrolyse.

Fig. 7 - Estérification et hydrolyse - les deux faces d'une même réaction

Pour hydrolyser les esters, il faut les mélanger à un acide aqueux chaud dans des conditions de reflux. Dans ce cas, l'eau de l'acide aqueux agit comme un nucléophile, qui, tu t'en souviendras, est un donneur de paires d'électrons.

Favoriser l'hydrolyse

Tu sais peut-être (voir Équilibres) que l'on peut modifier les conditions d'une réaction réversible afin de favoriser l'une ou l'autre des réactions. Le principe de Le Chatelier nous dit que si l'on modifie ces conditions, l'équilibre se déplacera dans la direction opposée pour s'opposer au changement. Alors, comment pouvons-nous augmenter la vitesse de la réaction inverse, c'est-à-dire l'hydrolyse ?

L'un des réactifs est l'eau. Par conséquent, en augmentant simplement la quantité d'eau que nous utilisons, nous pouvons favoriser la réaction inverse. L'équilibre se déplacera vers la gauche, pour "utiliser" l'eau supplémentaire que nous avons ajoutée. Pour ce faire, nous utilisons un excès de catalyseur acide dilué. C'est également la raison pour laquelle nous utilisons un acide concentré pour catalyser la réaction en avant, l'estérification - l'utilisation d'une quantité minimale d'eau déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement de l'ester.

Hydrolyse basique

Nous avons mentionné plus haut que l'hydrolyse acide ne va jamais jusqu'au bout - c'est une réaction réversible. Nous pouvons au contraire hydrolyser les esters en utilisant une base comme catalyseur. Cette réaction est complète. En chauffant une base aqueuse chaude, telle qu'un hydroxyde, avec un ester sous reflux, on obtient un sel de carboxylate et un alcool.

Par exemple, la réaction de l'éthanoate de méthyle avec une solution d'hydroxyde de sodium produit du méthanol et de l'éthanoate de sodium :

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_3+\mathrm{NaOH}\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COONa}+{\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH}$

L'éthanoate de sodium est notre sel de carboxylate. Il est composé d'ions sodium positifs et d'ions éthanoate négatifs liés ensemble de manière ionique.

Fig. 8 - Structure de l'éthanoate de sodium

Mais que faire si nous voulons un acide carboxylique pur au lieu d'un sel de carboxylate ? Nous pouvons procéder comme suit :

• Distille l'alcool.
• Ajoute un excès d'acide fort comme l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. Cela permet d'obtenir un excès d'ions. ${\mathrm{H}}^{+}$ ions.
• Les ${\mathrm{H}}^{+}$ sont recueillis par les ions carboxylate en solution, formant ainsi un acide carboxylique.
• Sépare l'acide carboxylique de la solution par une nouvelle distillation.

L'hydrolyse des bases est également connue sous le nom de saponification. Jette un coup d'œil à ce terme et tu pourras deviner à quoi servent certains sels de carboxylate spécifiques : au savon ! Nous fabriquons des savons à partir de graisses animales et d'huiles végétales, que nous étudierons plus tard.

Comparaison entre l'hydrolyse acide et l'hydrolyse basique

Le tableau suivant devrait t'aider à résumer tes connaissances sur l'hydrolyse acide et l'hydrolyse basique.

Fig. 9 - Tableau comparant l'hydrolyse acide et l'hydrolyse basique des esters

Prévoir les produits

Essaie de répondre à la question suivante.

Commençons par dessiner l'éthanoate de propyle. Cela nous aidera à voir sa structure et à déterminer les éléments qui le composent.

Fig. 10 - Éthanoate de propyle

Rappelle-toi que les esters sont dérivés des acides carboxyliques. L'éthanoate nous indique que la partie de la molécule qui provient de l'acide est basée sur l'acide éthanoïque. L'autre partie du nom, propyle, nous indique que le reste de la molécule est basé sur une chaîne propyle. Lorsque l'ester est décomposé, il forme le propanol.

Voyons maintenant comment l'éthanoate de propyle est décomposé à l'aide d'un acide. N'oublie pas qu'il s'agit d'une réaction réversible - elle ne va pas jusqu'à son terme. Les produits sont l'acide éthanoïque et le propanol.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)\stackrel{{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4}{\rightleftharpoons }{\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\left(\mathrm{aq}\right)$

L'hydrolyse acide de l'éthanoate de propyle produit de l'acide éthanoïque, à droite, et du propanol, à gauche. Originaux de StudySmarter

Si nous utilisons une base, la réaction s'achève, mais elle produit un sel de carboxylate au lieu d'un acide carboxylique. Comme nous avons utilisé de l'hydroxyde de sodium, le sel formé est l'éthanoate de sodium.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3\left(\mathrm{aq}\right)+\mathrm{NaOH}\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\left(\mathrm{aq}\right)$

Saponification

Nous avons mentionné plus haut que l'on peut fabriquer des savons à partir de différentes graisses et huiles. C'est ce qu'on appelle la saponification.

Les graisses et les huiles, collectivement appelées lipides, sont également appelées triglycérides. C'est parce qu'elles sont basées sur l'alcool glycérol. Le glycérol possède trois groupes -OH. Dans un triglycéride, chaque groupe -OH forme une liaison avec un acide carboxylique qui a une longue queue d'hydrocarbure. L'hydrolyse d'un triglycéride à l'aide d'une base le décompose à nouveau en glycérol, que nous utilisons dans les médicaments ou pour améliorer les performances des athlètes, et en sels de carboxylate, que nous utilisons comme savons.

Fig. 11 - Un triglycéride, à gauche, se décompose lors de la saponification en glycérol, en haut, et en ion carboxylate, en bas. L'ion carboxylate forme un sel

Comment fonctionnent les savons ?

Les sels de carboxylate sont ioniques. En solution, ils se dissocient pour former un ion métallique positif et un ion carboxylate négatif. L'ion carboxylate contient une extrémité polaire avec le groupe -COO et une queue hydrocarbonée non polaire. L'extrémité polaire se lie à l'eau tandis que l'extrémité non polaire se lie à d'autres molécules non polaires telles que les lipides, ce qui aide les matières grasses comme l'écume et la graisse à se mélanger à l'eau et à être lavées.

Fig. 12 - Un sel de carboxylate

Le biodiesel

En 2006, une navette de l'université de Yale a été convertie avec succès pour fonctionner avec 100 % de biodiesel, une forme de carburant renouvelable dérivé des plantes. Il s'agit d'une étape importante dans la réduction de l'impact environnemental de l'industrie des transports. Avant de terminer, voyons rapidement ce qu'est le biodiesel.

Le biodiesel est fabriqué à partir d'esters de triglycérides provenant de cultures végétales, comme l'huile de colza. Lorsque nous les faisons réagir avec du méthanol à l'aide d'un catalyseur alcalin, nous obtenons des esters méthyliques à longue chaîne. Nous pouvons les brûler à la place des combustibles fossiles. En fait, jusqu'à 10 % du diesel ou de l'essence utilisés dans les voitures peuvent être remplacés par du biodiesel sans affecter leur moteur. Comme le biodiesel provient de matières végétales à croissance rapide, il est neutre en carbone et constitue un choix beaucoup plus durable que les carburants dérivés du pétrole brut.

Fig. 12 - Un ester méthylique, comme ceux que l'on trouve dans le biodiesel.