Page 1 sur 14 PARTIE D : COMMENT LE CHIMISTE CONTROLE

Page 1 sur 14
PARTIE D : COMMENT LE CHIMISTE CONTROLET-IL LES TRANSFORMATIONS DE LA MATIERE ?
CHAPITRE I : LES REACTIONS D’ESTERIFICATION ET D’HYDROLYSE
I) REACTION D’ESTERIFICATION
I-1) Définition et équation
La réaction d’estérification est la réaction entre un acide carboxylique et un alcool
conduisant à un ester et de l’eau.
O
O
R
OH
+ R'
C
O
=
R
2
O
OH
R'
eau
ester
alcool
acide carboxylique
+H O
C
Exemple :
O
O
CH3
+ HO
C
CH 2
CH
3
=
CH
O
OH
acide éthanoïque
éthanoate d'éthyle
éthanol
En général
I-2) Nomenclature des esters
O
Formule générale des esters :
R
+ H2 O
C
C
O
R'
CH2
CH3
eau
Page 2 sur 14
Le nom d’un ester comporte deux termes :
 Le premier avec la terminaison « -ate » désigne la chaîne principale provenant de
O
R
C
OH
O
l’acide carboxylique :
 Le second avec la terminaison « yle « est le nom du groupe alkyle R’--- présent dans
l’alcool R’—OH.
Exemple :
O
H
chaîne de l'alcool
C
CH2
O
CH3
CH
chaîne de l'acide
CH 3
METHANOATE DE 2-METHYLPROPYLE
N.B. Les esters sont utilisés dans l’industrie alimentaire et dans l’industrie de la parfumerie
(bas de gamme en général) pour reproduire artificiellement des arômes.
I-3) Caractéristiques de la réaction d’estérification
On considère la réaction d’estérification à 100°C d’un mélange équimolaire de 0,10 mol
d’acide éthanoïque et de 0,10 mol d’éthanol. L’équation de la réaction est :
O
O
CH3
+ CH 3
C
CH
2
OH
=
CH
O
OH
acide éthanoïque
A
B
CH
2
CH
éthanoate d'éthyle
éthanol
+
+ H2 O
C
=
E
3
eau
+H O
2
Page 3 sur 14
Equation bilan
Etat du système
A
Avancement
+
B
=
E
+ H 2O
Quantités de » matière ( en mol)
(mol)
Etat initial ( E. I )
0
0,10
0,10
0
0
Etat intermédiaire
x
0,10 – x
0,10 - x
x
x
Etat final si la
transformation était
totale
xmax = 0,10
0
0
0,10
0,10
Etat final réel
xf= 0,067
0,033
0,033
0,067
0,067
LA REACTION D’ESTERIFICATION EST LENTE ET LIMITEE
Page 4 sur 14
I) EQUILIBRE ESTERIFICATION HYDROLYSE
I-1) Réaction d’hydrolyse
La réaction d’hydrolyse est l’inverse de la réaction d’estérification
O
R
O
+H O
C
2
O
=
R
ester
OH
O
R'
OH
+ R'
C
alcool
acide carboxylique
eau
Exemple :
O
O
CH
+ H2 O =
C
O
éthanoate d'éthyle
CH2
CH3
eau
CH3
+ CH 3
CH2
OH
acide éthanoïque
éthanol
II-2) Caractéristiques de la réaction
LA REACTION D’HYDROLYSE EST LENTE ET LIMITEE
II-3) Equilibre estérification-hydrolyse
Les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont l’inverse l’une de l’autre. Elles se
produisent simultanément et se limitent mutuellement. Il en résulte un état d’équilibre
dynamique (à l’équilibre les deux réactions s’effectuent avec des vitesses égales)
N.B. On obtient le même état d’équilibre que l’on parte d’un mélange équimolaire d’acide et d’alcool ou
d’ester et d’eau (voir figure à la page suivante)
OH
Page 5 sur 14
estérification
hydrolyse
état initial
(mol)
état
état
initial (mol)
final (mol)
acide
éthanoïque
n0
n0 / 3
0
éthanol
n0
n0 / 3
0
éthanoate
d’éthyle
0
2n0 / 3
n0
eau
0
2n0 / 3
n0
III) RENDEMENT
III-1) Définition
On appelle rendement d’une transformation chimique le rapport entre la quantité de
matière (resp. la masse) du produit effectivement obtenu et la quantité de matière (resp.la
masse) théorique que l’on obtiendrait si la réaction était totale.

nobtenu mobtenu

nmax
mmax
Exercice : Calculer le rendement de la réaction d’estérification considérée au § I-3

(nester ) obtenu
(nester ) maw

0,067
 0,67 
0,10

Rendement pour un mélange équimolaire :
-
alcool primaire 67% ;
alcool secondaire 60% ;
alcool tertiaire 5% environ.
Page 6 sur 14
IV) CONTROLE DE LA VITESSE DE REACTION (voir TP)
L’élévation de température, l’ajout d’un catalyseur sont deux facteurs, cinétiques qui
augmentent la vitesse de la réaction mais n’augmentent pas le rendement de la
transformation.
N.B.
-
-
En TP lors de la fabrication d’un ester on utilise la technique de chauffage à reflux
(voir page 350 du livre de chimie)) en présence d’un catalyseur comme l’acide
sulfurique.
Un catalyseur est une espèce chimique qui augmente la vitesse de réaction sans
figurer dans l’équation de la réaction et sans modifier l’état final du système.
L’ion H+ (apporté par l’acide sulfurique) est un catalyseur des réactions
d’estérification et hydrolyse.
V) CONTROLE DE L’ETAT FINAL DU SYSTEME
V-1) Exemple de la réaction d’estérification
Considérons la réaction d’estérification suivante :
Acide carboxylique + alcool = ester + eau
nester neau


ester  eau 
V
V

Le quotient de réaction est : Qr 
acide alcool  nacide  nalcool
V
V
Qr 
nester  neau
nacide xnalcool
L’ajout d’un des réactifs (alcool ou acide carboxylique) ou l’élimination d’un des produits
(ester ou eau) entraine la diminution du quotient de réaction Qr. Le système se trouve donc
dans une situation où Qr est inférieur à la constante d’équilibre K (Qr<K).
Le système évolue donc dans le sens spontané direct c'est-à-dire celui de formation des
produits : le rendement de la transformation augmente.
N.B. On peut effectuer un raisonnement analogue avec la réaction d’hydrolyse.
V-2) Généralisation
Le rendement de l’estérification ou de l’hydrolyse peut être amélioré par l’ajout d’un des
réactifs ou l’élimination d’un des produits.
Page 7 sur 14
N.B. Pratiquement on peut pour améliorer le rendement introduire l’un des réactifs en excès
ou extraire par distillation (par exemple) l’un des produits au fur et à mesure que se déroule
la transformation (voir page 301 du livre de chimie).
(chapitre II à la page suivante)
Page 8 sur 14
CHAPITRE II –CONTROLE DE L’EVOLUTION D’UN SYSTEME CHIMIQUE
I) SYNTHESE D’UN ESTER A PARTIR D’UN ANHYDRIDE D’ACIDE
I-1) Anhydride d’acide
Un anhydride d’acide a pour formule générale :
O
R
C
O
R
C
O
N.B
Groupe fonctionnel :
O
C
O
C
O
Le nom d’un anhydride d’acide s’obtient en remplaçant le mot acide par anhydride dans le
nom de l’acide carboxylique R—COOH correspondant.
Exemple :
O
C 2H5
C
ANHYDRIDE PROPANOIQUE
O
C2 H 5
C
O
Page 9 sur 14
I-2) Equation de la réaction et caractéristiques de la transformation
O
R
O
C
O
R
+
R'
= R
OH
O
C
+
O
C
R
C
OH
R'
O
ANHYDRIDE D'ACIDE
ACIDE CARBOXYIQUE
ESTER
ALCOOL
Exemple :
O
CH3
O
C
O
CH3
+
C H
2 5
= CH
3
OH
O
C
+ CH
3
O
C
C
OH
C 2H5
O
Anhydride éthanoïque
éthanoate d'éthyle
éthanol
acide éthanoïque
La transformation est totale et plus rapide que l’estérification à partir d’un acide et
d’un alcool.
I-3) Application à la synthèse de l’aspirine (voir TP hémisynthèse de l’aspirine)
O
CH3
O
O
C
C
C
OH
O
CH3
O
OH
=
+
C
OH
+ CH
3
O
C
CH3
C
OH
O
O
Anhydride éthanoïque
Acide salicyliqye
Acide acétylsalicylique
(ASPIRINE)
acide éthanoïque
Page 10 sur 14
II) HYDRLOLYSE BASIQUE D’UN ESTER
II-1) Equation de la réaction et caractéristiques de la transformation
O
O
-
R
C
+ HO
O
= R
C
R'
Ester
+ R'
O
ion hydroxyde
OH
alcool
ion carboxylate
Exemple :
O
O
CH
3
+ HO
C
O
Ethanoate de propyle
CH 2
CH
2
CH
=
CH
3
C
+ CH
3
CH
2
CH
O3
ion hydroxyde
ion éthanoate
propan-1-ol
La transformation est totale et plus rapide que l’hydrolyse en milieu acide ou neutre
II-2) Application à la fabrication des savons (voir TP)
II-2-1) Qu’est-ce qu’un savon ?
Les savons sont des mélanges de carboxylate de potassium ou de sodium R—COO-, K+ ou
R—COO-,Na+ à longue chaîne carbonée (saturée ou non) non ramifiée (entre 10 et 20
atomes de carbone)
Exemples :
N.B.
palmitate de sodium :C15H31COO-,Na+ ;
oléate de potassium : C17H33COO-,K+
2
OH
Page 11 sur 14
Les carboxylate de sodium donnent des savons durs et les carboxylate de potassium
donnent des savons mous.
II-2-2) Réaction de saponification
Un savon résulte de l’hydrolyse en milieu basique d’un triglycéride de corps gras* cette
réaction est appelée réaction de saponification.
O
R1
C
O
R
CH
O
CH
R3
C
O
O
C
COO -
1
CH
2
OH
+
R
2
+ 3 HO -
=
R
COO -
2
CH
+
2
+
CH
R
3
CH 2
COO -
OH
OH
O
ions hydroxyde
glycérol ou propan-1,2,3-triol
savons
(IONS CARBOXYLATE)
Triglycéride
*un triglycéride de corps gras est un triester du glycérol et d’acides gras
Exemple :
O
C H
11
23
C
O
OH
O
CH
C H 23
11
CH2
CH
C
O
O
C
+
-
C H 23 + 3 (Na + HO )
11
-
+
= 3 ( C H COO , Na ) +
11 23
CH
CH2
OH
CH2
OH
O
glycérol ou propan-1,2,3-triol
Laurine
hydroxyde de sodium
lauréate de sodium
(savon)
II-3) Propriétés des savons
II-3-1) Caractère amphiphile de l’ion carboxylate
Page 12 sur 14
ion carboxylate :
chaîne carbonée ( R --)
tête polaire
(COO -)
L’ion carboxylate (R—COO-) présente une double affinité :
 la tête polaire s’entoure de molécules d’eau, elle est hydrophile ;
 la chaîne carbonée à une grande affinité pour d’autres chaînes carbonées (corps
gras) elle est lipophile.
L’ion carboxylate a donc des propriétés amphiphiles.
La chaîne carbonée n’a pas d’affinité avec l’eau elle est hydrophobe.
II-3-2) Mode d’action des savons
Pouvoir détergent
ion carboxylate
EAU SAVONEUSE
tache de graisse
Tissu
-
(COO )
(R)
: interagit avec l'eau
: interagit avec la tache de graisse
ET PUIS …
Page 13 sur 14
EAU SAVONEUSE
micelle de graisse
Tissu
La tache de graisse est isolée du tissu sous la forme d’une micelle de graisse. Les micelles se
dispersent dans la solution, elles sont évacuées lors du rinçage.
N.B.
Pour plus de détail voir page 322 de votre livre
III) CATALYSE
III-1) Qu’est-ce qu’un catalyseur ?
Voir chapitre I paragraphe IV
III-2) Différents type de catalyse
Il existe trois type de catalyse :
-
La catalyse homogène où le mélange réactionnel et le catalyseur forment une seule
phase.
La catalyse hétérogène où le mélange réactionnel et le catalyseur forment deux
phases distinctes.
La catalyse enzymatique où le catalyseur est une enzyme (protéine élaborée par les
êtres vivants)
Exemples :
Différentes catalyses de la réaction de dismutation de l’eau oxygénée (solution de
péroxyde d’hydrogène H2O2) :
2 H2O2(aq) = 2 H2O (l) + O2 (g)
Page 14 sur 14
solution de chlorure
fil de platine
(catalyseur)
de fer (III)
(catalyseur)
Sang
(catalyseur :catalase du sang)
dégagement de dioxygène
eau oxygénée à 20 vol
Catalyse hétérogène
Catalyse homogène
Catalyse enzymatique
III-3) Spécificité d’un catalyseur
Un catalyseur est spécifique d’un réactif (ou de plusieurs), il peut donc catalyser certaines
réactions et pas d’autres.
Exemple : Le nickel catalyse l’hydrogénation des alcènes en alcanes mais ne catalyse pas la
réaction d’estérification d’un acide
N.B.
Les catalyseurs peuvent être plus ou moins spécifiques. Les enzymes sont des catalyseurs
hautement spécifiques.
III-4) Sélectivité d’un catalyseur
Un catalyseur peut orienter l’évolution d’un système chimique et favoriser l’obtention
d’un produit plutôt qu’un autre : on dit alors qu’il est sélectif.
Exemple :
O
Cu
CH --CH -- OH
3
2
chauffage
CH3
C
+ H2
H
Al O
2
3
CH --CH -- OH
3
CH2
2
chauffage
CH 2
+H O
2