Chim. N° 10

Estérification

et hydrolyse.

Cours.

 

   


 
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Programme 2012 :

Transformations en chimie organique : aspect macroscopique.

Transformations en chimie organique : aspect microscopique.

Programme 2012 : Physique et Chimie

I - Rappels.

1)- La fonction alcool.

2)- Les phénols.

3)- Les aldéhydes et les cétones.

4)- Les acides carboxyliques.

5)- Anhydride d’acide.

II - Les Esters.

1)- Groupe caractéristique.

2)- Réaction d’estérification.

3)- Nomenclature.

III - La réaction d'estérification.

1)- Exemple :

2)- Équation de la réaction.

3)- Propriétés de la réaction d’estérification.

IV - La réaction d'hydrolyse d'un ester.

1)- Équation de la réaction.

2)- Propriétés de la réaction

d’hydrolyse d’un ester.

V - l'équilibre d'estérification et d'hydrolyse.

1)- L’état d’équilibre.

2)- Constante l’équilibre.

3)- Rendement d’une réaction.

VI - Contrôle d'évolution de l'équilibre.

1)- Influence de la température.

2)- La catalyse.

3)- Déplacement d'équilibre.

VII - Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices :

TP Chimie N° 10 : Synthèse des Esters.

TP Chimie N° 10 : Synthèse des Esters.

Devoir ; Estérification.

Cours année 2000 : Estérification et Hydrolyse.

 

I - Devoir.

II - Exercice 10 page 255.

III - Exercice 12 page 255.

IV - Exercice 24 page 258.

Pour aller plus loin : 

Mots clés :

  Esters, estérification, Hydrolyse, évolution de l'équilibre ,

équilibre d'estérification et d'hydrolyse ; ...

Google

 

I- Rappels.

1)- La fonction alcool.

-  On appelle alcool tout composé organique possédant un groupe hydroxyle ― OH lié à un atome de carbone tétragonal.

-  Formule générale d’un alcool : ― OH.

-  On distingue :

Les alcools primaires

Les alcools secondaires

Les alcools tertiaires

R CH 2 ― OH

 

 

-  Exemples :

Éthanol

propan-2-ol

2-méthylpropan-2-ol

CH 3 CH 2 OH

 

-  Complément :

Tous les alcools ont une grande importance industrielle.  

Alcool

méthanol

éthanol

propanol

température

d'ébullition en °C

64,7

78,3

97,2

Les alcools dont la chaîne carbonée comporte moins de 10 atomes de carbone sont des liquides incolores à la température ordinaire.

La température d'ébullition des alcools est nettement plus importante que celle des alcanes correspondants. 

Cette particularité est liée à la présence du groupe hydroxyle.

La plupart des alcools sont miscibles à l'eau en toutes proportions. Toutefois cette miscibilité décroît avec la longueur de la chaîne carbonée. 

La molécule d'un alcool possède deux parties :

- Une partie hydrophobe : la chaîne carbonée

- Une partie hydrophile : le groupe hydroxyle.

La miscibilité est liée à l'importance relative de ces deux parties.

Les deux alcools les plus importants sont :  

L'éthanol (alcool éthylique) que l'on retrouve dans les boissons alcoolisées. 

Des petites quantités d'éthanol provoque un état euphorique. Des doses plus importantes dépriment gravement le système nerveux : à consommer avec modération !  

Le méthanol ou alcool de bois que l'on peut retrouver dans les alcools frelatés. Il provoque la cécité et la mort.

On utilise les alcools comme solvant en pharmacie, en cosmétologie…

2)- Les phénols.

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

-  Un phénol n’est pas un alcool car le carbone fonctionnel est trigonal.

Le phénol

le thymol

-  Vis à vis de la formation des esters, on considère qu’un phénol se comporte comme un alcool.

3)- Les aldéhydes et les cétones.

-  Les aldéhydes et les cétones sont des composés carbonylés. Ils possèdent le groupe caractéristique :

 

Groupe carbonyle

aldéhydes

cétones

-  Le carbone fonctionnel est trigonal.

-  Complément :

Le nom d'un aldéhyde dérive de celui de l'alcane de même squelette carboné, en remplaçant le e final par la terminaison al

Le carbone fonctionnel est toujours en bout de chaîne et porte le numéro 1.  

 

Le nom d'une cétone dérive de celui de l'alcane de même squelette carboné, en remplaçant le e final par la terminaison one précédée de la position du groupe carbonyle dans la chaîne principale. 

Le carbone fonctionnel ne peut pas être en bout de chaîne.

Exemples :

propanal

2-méthylpropanal

pentan-3-one

propanone

(acétone).

 

Le méthanal :

Gazeux à la température ordinaire. La solution à 37 % dans l'eau, donne le formol qui permet la conservation des spécimens et sert à la fabrication de la bakélite et du formica.

 

Éthanal :

Acétaldéhyde ou aldéhyde acétique a une odeur de pomme (Teb = 17 °C). 

Il sert à la fabrication de l'acide éthanoïque ou acide acétique.

L'acétone :

Propanone sert comme solvant (dissolvant pour le rouge à ongle).

4)- Les acides carboxyliques.

-  Les acides carboxyliques possèdent en commun le groupe caractéristique : ―  COOH

 

R COOH 

Groupe

carboxyle

Formule

générale

Autre

formulation

-  Le carbone fonctionnel est trigonal et il est lié à deux atomes d'oxygène.

-  Complément :

Le nom de l'acide carboxylique dérive de celui de l'alcane de même squelette carboné en remplaçant le e final par la terminaison oïque, le tout étant précédé du mot acide.

Exemples :

 

Acide méthanoïque

(acide formique)

Acide éthanoïque

(acide acétique)

Acide propanoïque

Acide benzoïque

 

Les acides carboxyliques saturés dont la chaîne carbonée comprend moins de 9 atomes de carbone sont des liquides incolores à l'odeur piquante et désagréable. D'autant plus désagréable que la chaîne carbonée est longue. 

Ils sont assez solubles dans l'eau grâce au caractère hydrophile du groupe fonctionnel carboxyle.

 

Les acides à longue chaîne carbonée sont peu solubles dans l'eau le caractère hydrophobe de la chaîne carbonée devient prépondérant.

Les solutions aqueuses ont un pH < 7, d'où le nom d'acide.

 

L'acide méthanoïque (acide formique : formica fourmis), l'acide éthanoïque (acide acétique : acetum : vin aigre)

 

Acide butanoïque ou butyrique qui donne au beurre rance son odeur caractéristique.

 

L'acide pentanoïque ou valérique (odeur des racines de la valériane du latin valere être fort), 

Les acides hexanoïque (caproïque), octanoïque (caprylique), décanoïque (caprique) sont responsables de l'odeur insupportable des chèvres.

5)- Anhydride d’acide.

-  Un anhydride d’acide résulte de l’élimination d’une molécule d’eau entre deux molécules d’acide carboxylique.

Il possède le groupe caractéristique suivant :

Groupe

caractéristique

Formule

développée

-  Réaction chimique :   

-  nomenclature : on remplace l'appellation acide par anhydride. 

-  Un anhydride d’acide résulte de l’élimination d’une molécule d’eau entre deux molécules d’acide carboxylique.

-  Exemples :

-   anhydride éthanoïque 

-  Elle est obtenue par élimination d’une molécule d’eau entre deux molécules d’acide éthanoïque :

Anhydride phtalique.

-  Préparation : on utilise généralement un puissant déshydratant : le décaoxyde de tétraphosphore P4O10.

-  On peut donner l’équation simplifiée de l’équation bilan :

 

II- Les Esters.

1)- Groupe caractéristique.

-  Ils possèdent le groupe caractéristique suivant :

groupe caractéristique

Formule développée

Autre formulation

-  Le groupement R peut désigner une chaîne carbonée ou un atome d’hydrogène.

Alors que R’ désigne nécessairement une chaîne carbonée.

2)- Réaction d’estérification.

-  Les esters dérivent des acides carboxyliques par remplacement de leur groupement OH par un groupe OR provenant d’un alcool.

-  équation de la réaction :

RCOOH

+

R'OH

=

RCOOR'

+

H2O

Acide carboxylique

 

Alcool

 

Ester

 

Eau

-  C’est la réaction d’estérification. Cette réaction sera étudiée en détail lors d’une séance de travaux pratiques.

3)- Nomenclature.

-  Le nom de l’ester comporte deux termes :

-  Le premier, qui se termine en oate, désigne la chaîne principale provenant de l’acide carboxylique.

-  Le second, qui se termine en yle, est le nom du groupe alkyle provenant de l’alcool.

-  Exemples :

Éthanoate de méthyle

       méthanoate de propyle.

-  Application : soient les esters CH3COOC2H5 et C6H5COOC2H5:

-  Quels sont les acides et l’alcool entrant dans la préparation de chaque ester ?

-  Donner le nom de chaque constituant.

Éthanoate d'éthyle

benzoate d'éthyle

-  Complément :

A Température ambiante, la plupart des esters sont des liquides de densité inférieure à 1. 

On peut obtenir des esters solides si les chaînes carbonées de l’acide carboxylique et de l’alcool sont longues.

 

Les esters sont peu solubles dans l’eau, d’autant peu solubles que la chaîne carbonée est longue.

 

Exemples : éthanoate de méthyle très soluble ; éthanoate d’éthyle soluble ; éthanoate de propyle peu soluble ; éthanoate d’hexyle insoluble.

 

La solubilité d’un ester dans la phase aqueuse peut être encore diminuée si on sature la solution avec du chlorure de sodium. 

Cette opération est appelée Relargage

 

Les esters sont complètement miscibles dans l’éthoxyéthane (éther).

Exemples :

 Esters et Odeurs.

Les esters aliphatiques ont un arôme caractéristique de fruit : l’éthanoate de butyle (odeur de pomme), acétate d’isoamyle (odeur de banane).

 

Les esters cycliques : acétate de 4-tertiobutylcyclohexyle. 

L'isomère trans a une odeur boisée et l’isomère cis une odeur plus intense, plus fleurie.

III- La réaction d’estérification.

1)- Exemple :  Devoir.

préparation de l’éthanoate d’isoamyle. TP chimie N° 10 Synthèse d'esters.

-  Chauffage à reflux.

-  Introduire dans le ballon :

-  15 mL d'alcool isoamylique à 98 %  (3-méthylbutan-1-ol).

-  20 mL d'acide acétique à 99 % (acide éthanoïque).

-  Quelques grains de pierre ponce ou quelques billes de verre.

-  Adapter le réfrigérant et porter le mélange à l'ébullition douce pendant 45 min.

-  La réaction entre l’acide acétique et l’alcool isoamylique produit de l’acétate d’isoamyle et de l’eau.


2)- Équation de la réaction.

3)- Propriétés de la réaction d’estérification.

-  Tableau d’évolution.

Équation

Acide carboxylique

+

Alcool

=

Ester

+

Eau

États

mol

 

mol

 

mol

 

mol

E.I

1

 

1

 

0

 

0

E.F

n1 xf

 

n2 xf

 

xf

 

xf

-  Si  l’on trace la courbe représentant la quantité de matière d’ester formé au cours du temps pour un mélange initial équimolaire en acide carboxylique et alcool, on obtient le graphe suivant :

-  La réaction d’estérification est une réaction lente, limitée et athermique

 

IV- La réaction d’hydrolyse d’un ester.

 

1)- Équation de la réaction.

-  L’eau hydrolyse tout ester pour donner un acide carboxylique et un alcool.

+

H2O

=

+

R' OH

Ester

 

eau

 

Acide carboxylique

 

Alcool

 

-  La réaction d’hydrolyse d’un ester est la réaction inverse de l’estérification.

2)- Propriétés de la réaction d’hydrolyse d’un ester.

-  La réaction d’hydrolyse d’un ester est une réaction lente, limitée et athermique.

 

V- L’équilibre d’estérification et d’hydrolyse d’un ester.

 

1)- L’état d’équilibre.

-  La réaction d’estérification est une réaction lente, limitée et athermique. Il en est de même de la réaction d’hydrolyse.

-  Les réactions d’estérification et d’hydrolyse d’un ester sont des réactions inverses se produisant dans les mêmes conditions expérimentales. 

-  L’état final obtenu est le même que l’on parte d’un mélange équimolaire d’acide carboxylique et d’alcool ou d’ester et d’eau.

-  Dans l’état final, les proportions des différents composés n’évoluent plus au cours du temps. 

-  On est en présence d’un état d’équilibre.

C’est un équilibre chimique dynamique. 

-  Les vitesses des deux réactions inverses sont égales et annulent ainsi leurs effets.

2)- Constante l’équilibre.

RCOOH

+

R'OH

=

RCOOR'

+

H2O

Acide carboxylique

 

Alcool

 

Ester

 

Eau

-  Pour simplifier, on peut écrire :

-  

-  Cette constante peut se réécrire en notant V le volume du système :

- 

-  Remarque : l’eau est un produit de la réaction et non un solvant.

3)- Rendement  d’une réaction.

-  Le rendement d’une réaction est le rapport entre la quantité de produit formé et celle qui aurait été obtenue si la réaction avait été totale.

τ

Quantité de produit formé  


 

 

Quantité de produit obtenu pour une réaction totale

-  Le rendement de l’estérification dépend de la classe de l’alcool utilisé. Pour des mélanges équimolaires, le rendement est de :

-  67 % pour un alcool primaire

-  60 % pour un alcool secondaire

-  5 % pour un alcool tertiaire.

VI- Contrôle d’évolution de l’équilibre.

 

1)- Influence de la température.

-  La température est un facteur cinétique. 

-  Une élévation de la température du mélange réactionnel permet d’accélérer aussi bien la réaction d’estérification que la réaction d’hydrolyse. 

-  La température est sans effet sur la limite de l’équilibre. 

-  Elle ne modifie pas l’état d’équilibre elle permet seulement de l’atteindre plus vite. 

-  On est en présence d’une réaction athermique.

2)- La catalyse.

-  Les ions oxonium catalysent aussi bien la réaction d’estérification que la réaction d’hydrolyse. 

-  Le catalyseur n’intervient pas sur la limite de la réaction.

-  Un catalyseur est un corps qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans apparaître dans le bilan de la réaction.

3)- Déplacement d’équilibre.

-  Application : La réaction entre l’acide acétique et l’alcool isoamylique produit de l’acétate d’isoamyle et de l’eau. 

-  Lorsque l’on fait réagir 1 mole d’acide acétique avec une mole d’alcool isoamylique, on obtient à l’équilibre, 0,67 mole d’acétate d’isoamyle.

-  Déterminer le quotient de réaction à l’état initial. 

-  Déterminer les quantités de matière des différentes espèces présentes à l’équilibre. 

-  En déduire la valeur de la constante d’équilibre K. Calculer le rendement de la réaction.

-  On recommence l’expérience en changeant les conditions initiales. 

-  On part d’un mélange contenant 1 mole d’alcool isoamylique et de 5 moles d’acide acétique. 

-  Déterminer les quantités de matière des différentes espèces présentes à l’équilibre. Calculer le rendement de la réaction.

-  Réponses : 

-  Tableau d’avancement de la réaction :

Équation

Acide carboxylique

+

Alcool

=

Ester

+

Eau

États

mol

 

mol

 

mol

 

mol

E.I

1

 

1

 

0

 

0

E.F

1 – xf

 

1 – xf

 

xf = 0,67

 

xf

E.F

0,33

 

0,33

 

0,67

 

0,67

-  Valeur de la constante d’équilibre :

K

n ester . n eau  

0,67 x 0,67  



n acide . n alcool 

0,33 x 0,33 

     

K

4

-  Rendement de la réaction :

τ

x f  

0,67  



x max 

     

τ

67 %

 

-  Tableau d’avancement de la réaction.

Équation

Acide carboxylique

+

Alcool

=

Ester

+

Eau

États

mol

 

mol

 

mol

 

mol

E.I

1

 

1

 

0

 

0

E.F

5 – xf

 

1 – xf

 

xf

 

xf

-  

-  Solutions : x’ = 7,1 et x’’ = 0,94.

Or : 0  <  xf  < 1 , en conséquence, la bonne solution est :  xf  = 0,94 mol.

-  Taux d’avancement de la réaction et rendement :

τ

x f  


 

 

x max 

     

τ

94 %

-  le rendement est défini par rapport au réactif limitant.

-  On peut  améliorer le rendement d’une réaction limitée en ajoutant :

-  Un excès de l’un des réactifs de la réaction,

-  Ou en éliminant d’un des produits de la réaction.

VII- Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices :

I - Devoir.

II - Exercice 10 page 255.

III - Exercice 12 page 255.

IV - Exercice 24 page 258.