9 Esterification Et Hydrolyse

Estérification et hydrolyse

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37

CHAPITRE

CHIMIE

1- Alcools, acides et esters 1.1

Les alcools

Un alcool est un hydrocarbure possédant le groupement –OH. Formule générale d’un alcool :

R

OH

La classe d'un alcool est déterminée à partir du C relié au groupe – OH • Si cet atome de carbone est relié à un seul C, l'alcool est primaire. • Si cet atome de carbone est relié à deux C, l'alcool est secondaire. • Si cet atome de carbone est relié à trois C, l'alcool est tertiaire.

Exemples : alcools de formule brute C4H10O.

H2C

butan-1-ol

CH2 CH2 CH3 ou

OH CH CH2 CH3

H3C

butan-2-ol

alcool primaire

HO

alcool secondaire ou

OH

OH

OH

CH3

2-méthylpropan-1-ol

H3C

CH CH2 OH

alcool primaire

ou

CH3

2-méthylpropan-2-ol

H3C

C

alcool tertiaire

CH3

ou

OH

OH

Remarque : Un phénol est un composé organique dans lequel le groupe hydroxyle -OH est porté par un cycle benzénique.

OH

HC HC

C

CH

OH

OH

CH CH ou

ou Esters

CHIMIE 1.2

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Les acides carboxyliques La formule générale d'un acide carboxylique (organique) est :

OH R

C O

R peut être un atome H ou un groupe hydrocarboné.

H3C

CH CH2 C CH3 O

HC HC 1.3

OH

OH

acide 3-méthylbutanoïque

O C C

CH

O O

acide benzoïque

OH

OH

CH CH

Les esters

La formule générale d’un ester est :

O R

R'

C O

R peut être un H ou une chaîne carbonée. R' ne peut se réduire à un atome H car ce serait alors un acide et non un ester.

Nomenclature des esters Le nom comporte deux termes : -

le premier avec la terminaison oate désigne la chaîne principale provenant de l’acide (numérotée, si nécessaire, à partir de l’atome de carbone lié aux deux atomes d'oxygène).

-

le second, avec la terminaison yle est le nom du groupe alkyle provenant de l’alcool (cette chaîne R' est numérotée, si nécessaire, à partir de l’atome de carbone lié à un seul atome d’oxygène).

· Exemples :

O H3C

CH2 CH3

C O

O O H3C

CH3

2-méthylpropanoate de méthyle

O

CH C CH3

O

O O

H3C

O

éthanoate d’éthyle

CH CH2 C CH3

CH CH3 CH3

O

O

3-méthylbutanoate de méthyl-éthyle

(3-méthylbutanoate d’isopropyle)

O

Esters

CHIMIE O

HC HC

O

C C

O

benzoate de méthyle

CH3

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O

CH

CH

CH

Dans la nature, les esters sont abondants : esters volatils et odorants dans les huiles essentielles, esters non volatils dans les lipides.

2- Estérification et hydrolyse : équilibre chimique 2.1

Estérification.

a) La réaction d’estérification est la réaction entre un acide et un alcool. Elle conduit à un ester et à de l'eau.

b) étude expérimentale : voir TP Acide méthanoïque + butan-1-ol =

méthanoate de butyle + eau

Soit n0 le nombre de moles d’acide ou d’alcool initial, n(ester) le nombre de moles d’ester formés à la date t. Courbe n(ester) = f(t) n0 1 0,9

n(ester) n0

0,8 0,7

2 3

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

temps

0

L'expérience montre que la réaction d'estérification est : lente, limitée, athermique.

HC

OH

+

HO

CH2 CH2 CH2 CH3

O x=0 x x = xf x = xmax

=

HC

O

CH2 CH2 CH2 CH3

+

H

OH

O n0

n0

0

0

n0 - x

n0 - x

x

x

n0 - xf = 0

n0 3

n0 - xf = 0

n0 3

xf =

2n0 3

n0

xf =

2n0 3

n0 Esters

CHIMIE Le taux d’avancement final est τ =

2.2

xf xmax

= 2

3

40

, dans l’exemple étudié (alcool primaire)

Hydrolyse.

a) La réaction d'hydrolyse d'un ester est la réaction entre un ester et l'eau conduisant à un acide carboxylique et à un alcool.

Cette réaction d'hydrolyse est la réaction inverse de la réaction d'estérification.

b) étude expérimentale : Soit n0 le nombre de moles d’ester initial. Courbe n(ester) = f(t) n0 1

n(ester) n0

0,9 0,8

2 3

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

temps

On constate que la réaction est également lente, limitée et athermique. La limite est la même que pour la réaction d’estérification.

2.3

L'équilibre d'estérification-hydrolyse.

La réaction d'estérification et la réaction d'hydrolyse d'un ester sont deux réactions inverses l'une de l'autre. Estérification et hydrolyse conduisent à un équilibre chimique où les quatre composés coexistent dans des proportions constantes. (à l’équilibre les réactions se font toujours, mais à la même vitesse) L'équation s'écrit :

Cet équilibre est caractérisé par une constante d'équilibre, que l’on écrit sous la forme : Esters

CHIMIE K=

n(ester)eq.n(eau)eq n(acide)eq.n(alcool)eq

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(on ne peut pas écrire de concentrations, car il n’y a pas de solution).

Ici, l'eau ne joue pas le rôle de solvant. Par conséquent, elle intervient dans l'expression de K.

3- Contrôle de l’évolution de l’équilibre 3.1

Pour agir sur la vitesse de la réaction

• Augmenter la température

L'équilibre est atteint plus rapide, mais la composition du mélange à l’équilibre n’est pas modifiée (la constante d'équilibre K ne dépendant pas de la température car la réaction est athermique). On utilise un montage de chauffage à reflux (voir ci-contre)

• Ajouter un catalyseur

En présence d’ions H3O+ l'équilibre est atteint plus rapidement la composition du mélange à l’équilibre n’est pas modifiée. (le catalyseur catalyse de la même façon l’estérification et l’hydrolyse)

3.2

Pour agir sur la limite de la réaction

Le rendement de l’estérification dépend peu du choix de l’acide. En revanche il dépend de la classe de l’alcool. Pour un mélange équimolaire d'acide et d'alcool ce rendement est de 67 % pour un alcool primaire, 60 % pour un alcool secondaire et 5 % pour un alcool tertiaire. On peut accroître le rendement de l’estérification de deux façons : a)

Réactif introduit en excès (alcool ou acide suivant le prix). D’après la loi de Le Chatelier on favorise la réaction directe.

b)

Elimination d’un des produits formés afin d’empêcher la réaction inverse d’hydrolyse. (même explication avec la loi de Le Chatelier)

Exemple Synthèse du méthanoate d'éthyle

l'acide méthanoïque + éthanol (θeb = 101 °C)

(θeb = 79 °C)

= méthanoate d'éthyle + eau (θeb = 54 °C)

(θeb = 100 °C).

On peut facilement extraire l’ester du milieu réactionnel par distillation puis condensation. (voir schéma) La réaction d'hydrolyse de l'ester est alors évitée et le rendement se rapproche de 100 %.

Esters