Chimie universitaire — 2e année · Bachelor Year 2

24Dérivés des acides carboxyliques

Faire bouillir de l’huile d’olive avec de la soude donne du savon et du glycérol : c’est la plus ancienne réaction organique menée à dessein. L’huile est un ester du glycérol et d’acides à longue chaîne, et l’hydroxyde coupe chaque ester au niveau d’une liaison, toujours la même, entre le carbone du carbonyle et l’oxygène de l’alcool. Esters, acides, amides, anhydrides et chlorures d’acyle réagissent tous de cette façon : un nucléophile s’additionne sur le carbone du carbonyle, et un groupe part. Classer ces composés selon l’aptitude de leur groupe à partir indique lesquels peuvent être transformés en lesquels, et dans quel sens un chimiste doit remonter la pente.

Rappel

Le volume de première année : activation électrophile d’un groupe carbonyle, mécanismes de formation des hémiacétals et des acétals, additions d’organomagnésiens, donneurs d’hydrure et leur portée, groupes partants, $\mathrm pK_a$ , $Q$ et $K$ . Chapitre 23 : addition nucléophile, amines. Chapitre 4 : déplacer un équilibre. Le volume scolaire : esters, acides carboxyliques et amides.

Pains de savon à l’huile d’olive séchant sur des claies en bois. Le savon est le sel de sodium des acides gras libérés quand on fait bouillir l’huile, un ester, avec de la soude.

24.1 La famille et sa réactivité

Définition 24.1 (Dérivés des acides carboxyliques)

Un dérivé d’acide carboxylique est un composé $\ce{R-CO-Z}$ dans lequel le $\ce{OH}$ d’un acide carboxylique est remplacé par un autre groupe Z. Le groupe acyle $\mathrm{R{-}CO{-}}$ leur est commun à tous. Dans un chlorure d’acyle, Z est Cl ; dans un anhydride d’acide, Z est $\mathrm{O{-}CO{-}R'}$ , deux groupes acyle partageant un même oxygène ; dans un ester, Z est $\mathrm{OR'}$ , dans un amide $\mathrm{NR'_2}$ .

Proposition 24.2 (Échelle de réactivité)

Vis-à-vis des nucléophiles, les dérivés réagissent dans l’ordre chlorure d’acyle $>$ anhydride $>$ ester $\approx$ acide $>$ amide.

Argument. Deux effets s’ajoutent. Le groupe partant $\ce{Z-}$ part d’autant plus facilement que c’est une base plus faible : $\ce{Cl-}$ (acide conjugué $\ce{HCl}$ , $\mathrm pK_a$ vers $-7$ ) bien mieux qu’un carboxylate ( $\mathrm pK_a$ vers 5), un alcoolate (vers 16) ou un ion amidure (vers 35). Et le groupe Z cède de la densité électronique au carbonyle par effet mésomère donneur de son doublet, ce qui rend le carbone du carbonyle moins électrophile : faiblement pour Cl, le plus fortement pour l’azote. L’amide est à la fois le moins bon électrophile et le moins bon groupe partant. ∎

24.2 Substitution nucléophile acyle

Définition 24.3 (Substitution nucléophile acyle)

Une substitution nucléophile acyle remplace le groupe Z d’un composé acylé par un nucléophile. Elle procède par addition du nucléophile sur le carbone du carbonyle, qui donne un intermédiaire tétraédrique, suivie de l’élimination du groupe partant, qui reforme la liaison $\ce{C=O}$ .

Proposition 24.4 (Addition–élimination)

La substitution acyle passe par un intermédiaire tétraédrique ; elle est accélérée en milieu basique par un nucléophile plus fort et en milieu acide par l’activation du carbonyle.

Argument. Le carbone du carbonyle, plan et électrophile, reçoit le nucléophile par-dessus ou par-dessous son plan, comme dans les additions du Chapitre 23 ; avec un groupe Z capable de partir, l’intermédiaire l’expulse au lieu d’être protoné. En milieu basique, le nucléophile est un anion ( $\ce{HO-}$ , $\ce{RO-}$ ) ; en milieu acide, l’oxygène du carbonyle est protoné et un nucléophile neutre (l’eau, un alcool) suffit. Des esters marqués à l’ $\ce{^{18}O}$ dans leur partie alcool donnent, par hydrolyse, un alcool marqué et un acide non marqué : la liaison rompue est la liaison acyle–oxygène, comme l’exige le mécanisme. ∎

Saponification d’un ester. L’hydroxyde s’additionne sur le carbone du carbonyle, ce qui donne l’intermédiaire tétraédrique ; l’alcoolate part et la liaison C=O se reforme ; l’alcoolate, base forte, arrache ensuite le proton de l’acide. Cette dernière étape rend la réaction totale. — Saponification d’un ester. L’hydroxyde s’additionne sur le carbone du carbonyle, ce qui donne l’intermédiaire tétraédrique ; l’alcoolate part et la liaison $\ce{C=O}$ se reforme ; l’alcoolate, base forte, arrache ensuite le proton de l’acide. Cette dernière étape rend la réaction totale.

Méthode 24.5 (Écrire une substitution acyle)

En milieu basique : le nucléophile anionique s’additionne sur le carbone du carbonyle ; la charge négative passe sur l’oxygène ; la liaison $\ce{C=O}$ se reforme et Z part ; terminer par l’éventuelle étape acide–base.
En milieu acide : protoner l’oxygène du carbonyle ; le nucléophile neutre s’additionne ; transférer un proton au groupe partant ; celui-ci part sous forme de molécule neutre ; déprotoner le carbonyle.
Compter les étapes : chaque intermédiaire est soit tétraédrique, soit un composé carbonylé.

24.3 Esters

Définition 24.6 (Estérification)

Une estérification forme un ester à partir d’un acide carboxylique (ou d’un dérivé plus réactif) et d’un alcool. La réaction directe d’un acide avec un alcool, catalysée par un acide fort, est l’estérification de Fischer.

Proposition 24.7 (Estérification de Fischer)

L’estérification de Fischer est un équilibre lent, de constante voisine de 4 pour les alcools primaires ; on la déplace par un excès de l’un des réactifs ou en éliminant l’eau au fur et à mesure de sa formation.

Argument. L’éthanol et l’acide éthanoïque en quantités équimolaires s’arrêtent quand les deux tiers de l’acide sont estérifiés : $K = (2/3)^2/(1/3)^2 = 4$ . Avec $Q < K$ maintenu par un excès d’alcool, ou en distillant l’eau (l’appareil de Dean–Stark du volume de première année), la réaction avance davantage (Chapitre 4). Les six étapes du mécanisme sont celles de la Méthode 24.5 en milieu acide, toutes renversables. ∎

Définition 24.8 (Saponification)

Une saponification est l’hydrolyse d’un ester par un hydroxyde, qui donne le sel de carboxylate et l’alcool.

Proposition 24.9 (La saponification est totale)

La saponification est totale : sa dernière étape, le transfert de proton de l’acide carboxylique à l’alcoolate, a une constante d’équilibre de l’ordre de $10^{11}$ .

Démonstration. Pour $\mathrm{RCOOH + R'O^- \to RCOO^- + R'OH}$ ,

K = \frac{K_a(\ce{RCOOH})}{K_a(\mathrm{R'OH})} = 10^{\mathrm pK_a(\mathrm{R'OH}) - \mathrm pK_a(\ce{RCOOH})} ;

avec l’acide éthanoïque (4.76) et l’éthanol (15.93), $K = 10^{11.2}$ . Le carboxylate, mauvais électrophile, n’est pas attaqué par l’alcool : la réaction globale ne revient pas en arrière. ∎

Saponification d’un triglycéride : les trois liaisons ester sont coupées, ce qui donne le glycérol et trois molécules du carboxylate de sodium, le savon (R une longue chaîne, C17H33 pour l’oléate de l’huile d’olive). — Saponification d’un triglycéride : les trois liaisons ester sont coupées, ce qui donne le glycérol et trois molécules du carboxylate de sodium, le savon (R une longue chaîne, $\ce{C17H33}$ pour l’oléate de l’huile d’olive).

Définition 24.10 (Transestérification)

Une transestérification échange la partie alcool d’un ester, $\mathrm{RCOOR' + R''OH \rightleftharpoons RCOOR'' + R'OH}$ , par catalyse acide ou basique.

Définition 24.11 (Lactones et lactames)

Une lactone est un ester cyclique, formé par estérification interne d’un hydroxyacide ; un lactame est un amide cyclique.

24.4 Dérivés activés

Descendre l’échelle de réactivité est facile : un chlorure d’acyle donne un anhydride, un ester ou un amide avec le nucléophile adéquat, souvent à température ambiante. Remonter exige une activation : un acide carboxylique est transformé en chlorure par le chlorure de thionyle,

\ce{RCOOH + SOCl2 -> RCOCl + SO2 + HCl} ,

dont les sous-produits sont gazeux. Le chlorure d’acyle réagit ensuite avec un alcool ou une amine ; une base (pyridine, triéthylamine, ou un second équivalent de l’amine) piège le $\ce{HCl}$ formé, qui protonerait sinon l’amine.

Méthode 24.12 (Passer d’un dérivé à l’autre)

Pour descendre l’échelle (chlorure $\to$ anhydride $\to$ ester, acide $\to$ amide) : traiter par le nucléophile, avec une base pour capter l’acide libéré.
Pour remonter l’échelle : transformer d’abord l’acide en chlorure ( $\ce{SOCl2}$ ) ; un ester ou un amide est d’abord hydrolysé en acide.
Entre un acide et un ester : estérification de Fischer (équilibre) ou saponification (totale) suivie d’une acidification.

L’échelle de réactivité des dérivés des acides carboxyliques. Tout dérivé peut être transformé par un nucléophile en un dérivé situé plus bas ; pour monter, on passe par l’acide et son chlorure.

24.5 Organométalliques et hydrures

Proposition 24.13 (Deux additions de Grignard)

Un ester traité par un excès d’organomagnésien donne un alcool tertiaire portant deux groupes identiques venant du réactif.

Argument. La première addition donne un intermédiaire tétraédrique qui expulse l’alcoolate : une cétone. Une cétone est plus électrophile qu’un ester (pas d’effet mésomère donneur d’un groupe $\mathrm{OR'}$ ) et réagit avec le réactif plus vite que l’ester restant ; la seconde addition, sur la cétone, donne l’alcoolate d’un alcool tertiaire, que l’hydrolyse acide finale protone. On ne peut pas arrêter la réaction à la cétone. ∎

Proposition 24.14 (Réductions par les hydrures)

L’aluminohydrure de lithium réduit les esters et les acides en alcools primaires, et les amides en amines ; le borohydrure de sodium réduit les aldéhydes et les cétones mais pas les esters, les acides ni les amides. Un hydrure d’aluminium encombré (DIBAL-H) à $-78{}^{\circ}\mathrm{C}$ réduit un ester en aldéhyde.

Argument. $\ce{LiAlH4}$ est un donneur d’hydrure fort : comme le réactif de Grignard, il s’additionne deux fois sur un ester (en passant par l’aldéhyde). Le borohydrure est trop faible pour le carbonyle d’ester, moins électrophile. Avec le DIBAL-H à basse température, l’intermédiaire tétraédrique, retenu par l’aluminium, n’expulse l’alcoolate qu’à l’hydrolyse aqueuse, quand il ne reste plus d’hydrure : l’aldéhyde survit. Dans un amide, c’est l’oxygène, lié à l’aluminium, qui est éliminé au lieu de l’azote, ce qui laisse un ion iminium que l’hydrure réduit en amine. ∎

Histoire des sciences — Chevreul et les corps gras

Michel Eugène Chevreul montra, dans une étude publiée en 1823, que les corps gras sont des combinaisons du glycérol avec des acides gras, qu’il isola et nomma (acides stéarique, oléique, butyrique), et que la saponification les scinde en ces deux parties. Ses travaux firent de la fabrication des savons et des bougies une affaire de chimie ; il vécut jusqu’à 102 ans. (Portrait par Nicolas Eustache Maurin, domaine public, Wikimedia Commons.)

Sécurité

Le chlorure de thionyle et les chlorures d’acyle réagissent violemment avec l’eau et libèrent des gaz corrosifs ; on les manipule à sec, sous hotte. L’aluminohydrure de lithium s’enflamme au contact de l’eau ; son excès est détruit avec précaution à la fin. La soude concentrée est corrosive pour la peau et les yeux. Le méthanol est toxique et inflammable.

24.6 Exercices

Exercice 24.1 ★

Classer par réactivité vis-à-vis de l’eau : l’éthanoate d’éthyle, le chlorure d’éthanoyle, l’éthanamide, l’anhydride éthanoïque.

Solution

Solution de Exercice 24.1.

Éthanamide $<$ éthanoate d’éthyle $<$ anhydride éthanoïque $<$ chlorure d’éthanoyle.

Exercice 24.2 ★

Donner les produits du chlorure d’éthanoyle avec : l’eau ; l’éthanol ; l’ammoniac (2 équivalents) ; l’éthanoate de sodium ; la diméthylamine en présence de triéthylamine.

Solution

Solution de Exercice 24.2.

Acide éthanoïque (+ $\ce{HCl}$ ) ; éthanoate d’éthyle ; éthanamide (+ chlorure d’ammonium, le second équivalent d’ammoniac piégeant $\ce{HCl}$ ) ; anhydride éthanoïque (+ $\ce{NaCl}$ ) ; N,N-diméthyléthanamide (+ chlorure de triéthylammonium).

Exercice 24.3 ★

Écrire la saponification du benzoate de méthyle par la soude et calculer la masse d’hydroxyde de sodium nécessaire pour $13.6\,\mathrm{g}$ d’ester.

Solution

Solution de Exercice 24.3.

$\ce{C6H5COOCH3 + NaOH -> C6H5COONa + CH3OH}$ . $13.6/136.15 = 0.0999\,\mathrm{mol}$ , autant de $\ce{NaOH}$ : $4.00\,\mathrm{g}$ .

Exercice 24.4 ★

Représenter la lactone formée par l’acide 4-hydroxybutanoïque et donner la taille de son cycle.

Solution

Solution de Exercice 24.4.

$\gamma$ -butyrolactone (oxolan-2-one) : un cycle à cinq atomes, quatre carbones et un oxygène.

Exercice 24.5 ★★

Écrire le mécanisme de la réaction de l’éthanoate d’éthyle avec l’ammoniac.

Solution

Solution de Exercice 24.5.

L’ammoniac s’additionne sur le carbone du carbonyle ; un proton passe de l’azote à l’oxygène (ou au groupe partant) ; l’éthanolate (sous forme d’éthanol, après transfert de proton) part et la liaison $\ce{C=O}$ se reforme : éthanamide et éthanol.

Exercice 24.6 ★★

L’aspirine est préparée à partir de l’acide salicylique (acide 2-hydroxybenzoïque) et de l’anhydride éthanoïque. Quel groupe de l’acide salicylique réagit, et quel est le sous-produit ?

Solution

Solution de Exercice 24.6.

Le $\ce{OH}$ phénolique est acylé (catalyse acide) : acide 2-acétoxybenzoïque ; sous-produit : acide éthanoïque.

Exercice 24.7 ★★

L’éthanoate d’éthyle est traité par un excès de bromure de méthylmagnésium, puis par un acide dilué. Donner le produit et expliquer pourquoi la cétone ne peut pas être isolée.

Solution

Solution de Exercice 24.7.

Le 2-méthylpropan-2-ol. La première addition donne la propanone, plus électrophile que l’ester, qui capte aussitôt le second méthyle.

Exercice 24.8 ★★

Donner le produit de la réduction de la lactone de l’exercice 4 par $\ce{LiAlH4}$ .

Solution

Solution de Exercice 24.8.

Le butane-1,4-diol : l’ester est réduit en deux alcools primaires, le cycle étant ouvert.

Exercice 24.9 ★★

Avec $K = 4$ , calculer la fraction d’acide éthanoïque estérifiée avec un, puis avec trois équivalents d’éthanol. Quelle autre méthode permet de déplacer la réaction ?

Solution

Solution de Exercice 24.9.

Un équivalent : $x^2/(1 - x)^2 = 4$ , $x = 2/3$ . Trois équivalents : $x^2/[(1 - x)(3 - x)] = 4$ , $3x^2 - 16x + 12 = 0$ , $x = 0.90$ . Éliminer l’eau au fur et à mesure de sa formation (Dean–Stark) déplace encore la réaction.

Exercice 24.10 ★★★

Préparer le N,N-diéthylbenzamide à partir de l’acide benzoïque, et expliquer pourquoi mélanger l’acide avec la diéthylamine et chauffer modérément donne plutôt un sel.

Solution

Solution de Exercice 24.10.

$\ce{SOCl2}$ donne le chlorure de benzoyle ; avec deux équivalents de diéthylamine (ou un seul plus de la triéthylamine), il donne l’amide. L’acide et l’amine mélangés directement subissent une réaction acide–base : on obtient le benzoate de diéthylammonium, qui ne donne l’amide que par chauffage intense.

Exercice 24.11 ★★★

L’indice de saponification d’un corps gras est la masse d’hydroxyde de potassium, en mg, nécessaire pour saponifier $1\,\mathrm{g}$ de ce corps gras. Le calculer pour la trioléine ( $885.4\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; KOH $56.11\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ).

Solution

Solution de Exercice 24.11.

Trois KOH par trioléine : $3 \times 56.11/885.4 = 0.190\,\mathrm{g}$ par gramme, soit un indice de saponification de 190.

Exercice 24.12 ★★★

Une molécule porte un ester, un amide et une cétone. Quel(s) groupe(s) $\ce{NaBH4}$ réduit-il, et lesquels $\ce{LiAlH4}$ ? Qu’obtient-on dans chaque cas ?

Solution

Solution de Exercice 24.12.

$\ce{NaBH4}$ : seulement la cétone, en alcool secondaire. $\ce{LiAlH4}$ : la cétone en alcool secondaire, l’ester en alcool primaire (en libérant la partie alcool), l’amide en amine.

24.7 Problème : du biodiesel à partir d’huile de friture

Problème 24.1

Problème du week-end — la trioléine et sa masse molaire, sa transestérification par le méthanol et le rôle de la base, la réaction parasite avec les acides libres et l’eau, et les rendements par tonne d’huile

Modéliser l’huile par de la trioléine pure, le triglycéride de l’acide oléique ( $\ce{C17H33COOH}$ ). Masses molaires ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ) : C 12.011, H 1.008, O 15.999, Na 22.990. Le glycérol est le propane-1,2,3-triol.

Partie I — La trioléine.

Donner la formule de l’acide oléique et celle du glycérol.
Écrire la formule de la trioléine et calculer sa masse molaire.
Combien contient-elle de groupes ester ?
L’acide oléique possède une double liaison cis. Pourquoi les huiles qui en sont riches sont-elles liquides à température ambiante ?
Que donnerait la saponification de la trioléine ?
Qu’est-ce que le biodiesel, du point de vue chimique ?

Partie II — Transestérification.

Écrire la transestérification de la trioléine par le méthanol.
Pourquoi utilise-t-on une base (méthanolate ou hydroxyde de sodium) comme catalyseur ?
Représenter l’intermédiaire tétraédrique du premier échange.
Pourquoi le méthanol est-il utilisé en excès (six équivalents plutôt que trois) ?
Le glycérol n’est pas miscible aux esters méthyliques. En quoi cela aide-t-il ?
Le catalyseur est-il consommé dans la réaction idéale ?

Partie III — Acides libres et eau.

L’huile de friture usagée contient de l’acide oléique libre. Quel est son effet sur la base ?
Quel est l’effet de l’eau sur les esters méthyliques en présence de la base ?
Pourquoi le savon formé est-il gênant ?
Comment éliminer d’abord les acides libres, sans base ?
Pourquoi faut-il sécher l’huile avant la réaction ?

Partie IV — Par tonne d’huile.

Calculer la quantité de trioléine dans une tonne.
Calculer la masse de méthanol consommée.
Calculer la masse d’oléate de méthyle formée.
Vérifier la conservation de la masse.
Une huile contenant 2 % en masse d’acide oléique libre est traitée par l’hydroxyde de sodium : calculer la masse d’hydroxyde de sodium consommée par l’acide, par tonne.
Calculer la masse de glycérol coproduite par tonne de trioléine.

Solution

Solution de Problème 24.1.

1. Acide oléique $\ce{C18H34O2}$ ; glycérol $\ce{C3H8O3}$ . 2. $\ce{C57H104O6}$ : $57 \times 12.011 + 104 \times 1.008 + 6 \times 15.999 = 885.45\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 3. Trois. 4. La double liaison cis coude les chaînes, qui s’empilent mal : forces intermoléculaires faibles, température de fusion basse. 5. Du glycérol et trois oléates de sodium, un savon. 6. Un mélange d’esters méthyliques d’acides gras. 7. $\ce{C57H104O6 + 3CH3OH -> C3H8O3 + 3C19H36O2}$ . 8. L’ion méthanolate, formé à partir du méthanol et de la base, est un nucléophile bien plus fort que le méthanol ; il attaque les carbonyles des esters. 9. Le carbone du carbonyle d’un groupe ester, portant $\ce{O-}$ , le $\ce{OCH3}$ du méthanolate et l’oxygène du glycéryle : tétraédrique. 10. La transestérification est un équilibre de constante voisine de 1 ; le méthanol en excès le déplace vers les esters méthyliques. 11. Le glycérol se sépare en une phase inférieure : retirer un produit déplace l’équilibre. 12. Non : le méthanolate est régénéré à chaque échange. 13. Il neutralise la base, en donnant de l’oléate de sodium (un savon) : le catalyseur est consommé. 14. Elle les saponifie : l’hydroxyde (issu de l’eau et du méthanolate) coupe les esters en savon et méthanol, de façon irréversible. 15. Il consomme de la base, émulsionne le mélange et empêche la phase de glycérol de se séparer. 16. Par une estérification préalable par le méthanol en catalyse acide, qui transforme les acides libres en esters méthyliques. 17. L’eau hydrolyse les esters et transforme le catalyseur en hydroxyde, qui saponifie. 18. $10^6/885.45 = 1129\,\mathrm{mol}$ . 19. $3 \times 1129 \times 32.04 = 108.6\,\mathrm{kg}$ . 20. $3 \times 1129 \times 296.50 = 1004.6\,\mathrm{kg}$ . 21. $1000 + 108.6 = 1108.6\,\mathrm{kg}$ en entrée ; $104.0 + 1004.6 = 1108.6\,\mathrm{kg}$ en sortie. 22. $20\,\mathrm{kg}$ d’acide oléique, $20\,000/282.47 = 70.8\,\mathrm{mol}$ , autant de $\ce{NaOH}$ : $2.83\,\mathrm{kg}$ . 23. $1129 \times 92.09 = \boldsymbol{\approx 104\,\mathrm{kg}}$ de glycérol par tonne.

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