Cours : Réactions d’estérification et d’hydrolyse
Réactions d’estérification et d’hydrolyse
Introduction
L’arôme de banane par exemple est dû à un ester : éthanoate de butyle, c’est un composé organique qu’on peut le synthétiser à partir de la réaction d’un alcool avec un acide carboxylique ou anhydride d’acide.
- Quel est le groupe caractéristique d’un ester ?
- Quelles sont les caractéristiques de la réaction de l’estérification (synthèse d’un ester) ?
- Comment contrôler l’évolution de l’estérification ?
- Comment améliorer le rendement de l’estérification ?
1 Nomenclature des alcanes (Rappel)
1.1 Les alcanes linéaires et les radicaux alkyles
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés de formule brute générale : \(C_nH_{2n+2}\)
| Nombre d’atome de carbone d’un alcane | Sa formule brute | Son nom | Nombre d’atome de carbone d’un alkyle | Sa formule brute | Son nom |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | \(CH_4\) | méthane | 1 | \(-CH_3\) | méthyle |
| 2 | \(C_2H_6\) | éthane | 2 | \(-C_2H_5\) | éthyle |
| 3 | \(C_3H_8\) | propane | 3 | \(-C_3H_7\) | propyle |
| 4 | \(C_4H_{10}\) | butane | 4 | \(-C_4H_9\) | butyle |
| 5 | \(C_5H_{12}\) | pentane | |||
| 6 | \(C_6H_{14}\) | hexane | |||
| 7 | \(C_7H_{18}\) | heptane | |||
1.2 Nomenclature des alcanes ramifiés
Le nom principal de l’alcane ramifié est donné par la chaine carbonée la plus longue que l’on le précède par les noms des radicaux alkyls classés par ordre alphabétique et numérotés en utilisant les plus petits nombres possibles.
Exemples :
Donnez le nom de chacun des alcanes ramifiés représentés ci-dessus :
2 Composés organiques oxygénés
2.1 Alcools
☑ Les alcools sont des composés organiques qui contiennent le groupement hydroxyle : -OH.
☑ La formule générale d’un alcool est R-OH ; avec R est un alkyle linéaire ou ramifié.
Nomenclature des alcools
Le nom d’un alcool dérive de celui de l’alcane de même squelette carboné en remplaçant le « e » final par la terminaison « ol », précédée de l’indice de position, le plus petit possible, du groupe hydroxyle sur la chaine carbonée principale.
Exemples :
2.2 Acides carboxyliques
☑ Un acide carboxylique possède le groupe caractéristique, appelé groupe carboxyle :
☑ La formule générale d’un acide carboxylique est :
Nomenclature des acides carboxyliques
Le nom d’un acide carboxylique dérive de celui de l’alcane de même squelette carboné en remplaçant le « e » final par la terminaison « oïque », l’ensemble étant précédé par le mot acide.
On numérote la chaine principale à partir du carbone fonctionnel.
Le groupement carboxyle existe toujours à l’extrémité de la chaine carbonique.
Exemples :
2.3 Anhydrides d’acides
☑ Un anhydride d’acide est un composé organique qui possède le groupe caractéristique :
Sa formule générale :
☑ Il résulte de l’élimination d’une molécule d’eau entre deux molécules d’acides carboxyliques, selon l’équation :
Nomenclature des anhydrides d’acides
Un anhydride se nomme en remplaçant le mot acide par le mot anhydride dans le nom de l’acide carboxylique correspondant.
Exemples :
2.4 Groupes d’esters
☑ Un ester est un composé organique qui possède le groupe caractéristique :
Sa formule générale :
R1 : un alkyle ou un atome d’hydrogène
R2 : correspond nécessairement à un alkyle
Nomenclature des esters
Le nom d’un ester comporte deux termes :
- ☜ Le premier, qui se termine par « oate », désigne la chaine dite principale provenant de l’acide carboxylique.
- ☜ Le second, qui se termine par « yle », est le nom du groupe alkyle lié à l’atome d’oxygène par une liaison simple.
Exemples :
3 Réactions d’estérification et d’hydrolyse d’un ester
3.1 Réactions d’estérification
☑ L’estérification est la réaction entre un acide carboxylique et un alcool ; la réaction conduit à un ester et à de l’eau.
En utilisant les formules semi-développées, écrire les équations de réactions pour les cas suivants, et donner les noms des réactifs et des produits.
3.2 Réaction d’hydrolyse
☑ L’hydrolyse d’un ester est la réaction inverse de l’estérification. La réaction entre un ester et l’eau conduit à la formation d’un acide carboxylique et d’un alcool.
En utilisant les formules semi-développées, écrire l’équation de réaction de l’hydrolyse de l’éthanoate de méthyle, et donner les noms des produits.
3.3 État d’équilibre chimique estérification-hydrolyse
☑ Lorsque la vitesse de la réaction d’estérification est égale à la vitesse de la réaction d’hydrolyse, on obtient l’équilibre dynamique caractérisé par la coexistence des réactifs et des produits.
☑ L’expression de la constante d’équilibre K :
- On remarque que : \( K_{est\acute{e}rification} = \dfrac{1}{K_{hydrolyse}} \)
- Dans le cas de l’estérification, l’eau n’est pas un solvant, il faut impérativement la faire apparaître dans l’expression de la constante d’équilibre.
- La constante d’équilibre d’estérification et d’hydrolyse est indépendante de la température.
4 Contrôle de la réaction d’estérification et d’hydrolyse
Les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont lentes et limitées. Comment peut-on augmenter la vitesse de réaction et le taux d’avancement ?
4.1 Contrôle de la vitesse de réaction
Pour augmenter la vitesse de réaction d’une estérification ou d’une hydrolyse, il est possible :
- ☜ D’utiliser un catalyseur, qui augmente la vitesse de réaction sans modifier l’état final (il n’apparaît donc pas dans l’équation de réaction).
- ☜ D’élever la température.
4.2 Contrôle de l’état final d’une réaction chimique
Rendement d’une réaction
Le rendement de la réaction d’estérification est donné par la relation suivante :
\(n_{exp}\) : la quantité de matière de l’ester formée expérimentalement \((n_{exp}=x_f)\)
\(n_{th}\) : la quantité de matière de l’ester maximale attendue (on suppose que la réaction est totale, \(n_{th}=x_{max}\))
Généralité
Le rendement r d’une transformation chimique est le quotient de la quantité de matière du produit obtenu expérimentalement \(n_{exp}\) et la quantité de matière du produit si la transformation était totale \(n_{th}\) :
- Le rendement r est compris entre 0 et 1, il est exprimé en pourcentage.
- Le rendement r dépend de la composition finale du mélange.
Amélioration du rendement d’une réaction
Pour améliorer le rendement d’estérification et d’hydrolyse il faut :
- ☜ Utiliser l’un des réactifs en excès ;
- ☜ Éliminer l’un des produits au cours de sa formation.
A Annexe
Ce montage est utilisé pour l’estérification ou l’hydrolyse, son intérêt est : Accélérer la réaction. Éviter les pertes des réactifs et des produits du milieu réactionnel.
Ce montage est utilisé pour l’élimination d’ester, si sa température d’ébullition est nettement inférieure à celle des autres constituants du système.
Ce montage est utilisé pour l’élimination de l’eau piégée via le robinet.