1.2. Synthèse des esters et des amides

Molécules et matériaux organiques
Partie 1. Addition nucléophile suivie d’élimination (AN + E)
1.2. Synthèse des esters et des amides
Objectifs du chapitre
→ Notions à connaître :
 Synthèse des esters à partir des acides carboxyliques, chlorures d’acyle et anhydrides d’acide :
aspects cinétiques et thermodynamiques, mécanismes limites.
 Synthèse des amides à partir des acides carboxyliques, chlorures d’acyle et anhydrides d’acide :
aspects cinétiques et thermodynamiques, mécanismes limites.
→ Capacités exigibles :
 Expliquer comment obtenir un bon rendement de synthèse d’ester à partir d’un alcool primaire ou
secondaire et d’un acide carboxylique selon la méthode d’activation choisie et les conditions
expérimentales.
 Justifier le choix des conditions opératoires retenues pour la synthèse des amides.
 Utiliser la formation des esters et des amides dans le cadre d’une stratégie de synthèse nécessitant
la protection d’un groupe hydroxyle ou d’un groupe amino.
 Déduire de la structure d’un polyester ou d’un polyamide la formule du ou des monomères
correspondants et réciproquement.
L’idée générale du chapitre est de synthétiser les deux principaux groupes dérivés des acides carboxyliques : les esters et les
amides.
Problématique :
Comment synthétiser, avec un bon rendement, un ester ou un amide à partir d’un acide
carboxylique ?
1. Préparation des esters
1.1. A partir des acides carboxyliques
La préparation des esters à partir des acides carboxyliques est couramment appelée estérification. Cette réaction équilibrée a
été étudiée vers 1864 par Berthelot et Péan de Saint Gilles.
Equation de l’estérification de Fischer :
-1-
Expl :
Ex 1 :
O
O
+
H3C
H
C
H3C
+ CH3OH
C
+ H2O
OCH3
OH
Ethanoate de méthyle
Ex 2 :
O
O
+
H
+ CH3CH2CH2OH
C
H
H
C
+ H2O
OCH2CH2CH3
OH
Méthanoate de propyle
O
Ex 3 :
O
H+
HO
O
OH
+ H2O
Ester cyclique = lactone
Ex 4 :
n
O
OH
HO
+
O
n
HO
OH
O
O
+
H
H
+ (2n-1) H2O
O
OH
O
n
Macromolécule = PET
-2-
1.2. Caractéristiques de la réaction et solutions aux problèmes
-
Quatre
caractéristiques de la transformation :
Caractéristique
Conséquence ou Solution
Athermique
Lente
Renversable
Limitée
1.3. Mécanisme réactionnel
Les « défis » de la réaction :
Etude de document :
Parmi les nombreuses études portant sur la détermination du mécanisme, l’une d’elle utilise des réactifs
marqués à l’oxygène 18O, isotope plus lourd que l’oxygène 16O très majoritairement sur Terre.
Lorsque l’alcool est marqué, on note une augmentation de la densité de l’ester, celle de l’eau restant
normale.
Interpréter :
-3-
Proposition de mécanisme sans catalyse acide :
Pourquoi ce mécanisme est-il impossible en l’état ?
Comment l’utilisation d’un milieu acide permet d’accélérer cette transformation ?
Mécanisme avec catalyse acide : AN
PUIS E
La réaction est renversable : n’oubliez pas de mettre des doubles flèches : ⇆





Activation électrophile de l’acide carboxylique par le catalyseur acide (équilibre acido-basique rapideAddition nucléophile de l’alcool sur l’acide carboxylique activé (étape cinétiquement déterminante)
Prototropie
Elimination d’eau pour permettre la reformation de la double liaison C=O (force motrice de la réaction),
Régénération du catalyseur pour former l’ester.
-4-
L'étape cinétiquement déterminante est la formation de l'intermédiaire tétraédrique. En déduire la loi de vitesse de la réaction :
1.4. Activation ex situ par passage aux chlorures d’acyle
-
Cette méthode corrige les problèmes de l’estérification à partir des acides carboxyliques :
A partir des chlorures d’acyle :
Rapide
Quasi-totale
Pas de catalyse
A partir des acides carboxyliques :
Lent
Limitée
Catalyse acide nécessaire
Catalyse acide non nécessaire car les chlorures d’acyles sont d’excellents électrophiles : ils n’ont pas besoin d’être activés.
Equation de l’acylation des alcools :
-
En pratique : On introduit dans le réacteur une base faible comme la pyridine (soluble en milieu organique) afin d’empêcher
la formation de HCl (chlorure d’hydrogène), gaz toxique.
-
Expl :
-5-
Mécanisme direct sans étapes de catalyse acido-basique : AN
PUIS E
 Addition nucléophile de l’alcool sur le chlorure d’acyle (sans activation)
 Elimination de Cl-qui permet la reformation de la double liaison C=O
 Déprotonation du composé pour obtenir l’ester
Remarque : Les anhydrides d’acide sont également intéressants pour remplacer l’acide carboxylique puisqu’ils sont plus réactifs
que ceux-ci vis-à-vis de composés nucléophiles.
La pyridine est-elle indispensable ?
O
O
O
+
+ R'
OCOR'
OH
R'
O
O
O
H
O
O
O
H
O
O
+
+
N
O
N
O
H
H
1.5. Une réaction apparentée : la transestérification
Consiste à remplacer la chaîne « alcool » d’un ester par une autre.
O
O
C17H35
+ CH3OH
C
APTS
C17H35
+ EtOH
C
OCH3
OEt
Mécanisme :

1ère étape : réaction acide/base
O
C17H35
O
+
C
+
H
H
O
a/b
C17H35
OEt
C
C17H35
OEt
-6-
C
OEt
H

2ème étape : Addition nucléophile
O
C17H35
H
C
O
+ CH3OH
C17H35
C
O
H
OEt

H
CH3
AN
OEt
3ème étape : Prototropie
O
O
H
H
CH3
C17H35
C
O
H
prototropie
C17H35
C
OCH3
O
OEt
Et
H

4ème étape : Elimination
O
C17H35
C
H
O
E
OCH3
O
C17H35
C
Et
H
+
Et
OH
OCH3
H

5ème étape : Déprotonation
O
O
H
a/b
C17H35
C
+
C17H35
C
-H
OCH3
OCH3
Application : Biodiesels (Wikipedia)
Terme devenu commun en France pour désigner les esters méthyliques d’huiles végétales (EMHV). La trans-estérification par le
méthanol est la réaction chimique à l'origine du biodiesel.
Les biodiesels sont ainsi formés de molécules plus petites que celles de l’huile végétale ce qui permet de diminuer la viscosité du
liquide et par suite, son utilisation comme carburant dans les moteurs à allumage par compression (moteur diesel).
-7-
2. Préparatation des amides
O
O
1
1
1
3
1
2
2
O
Ester
N
H
Amide
Les alcools et les amines ont des réactivités en tant que nucléophiles assez similaires. Mais les amines sont de meilleures bases.
Par analogie avec la préparation des esters, on envisage de former les amides par réaction entre un acide carboxylique et une
amine.
2.1. A partir des acides carboxyliques
-
-
A température ambiante, ça ne marche pas vraiment !
o
Pourquoi ?
o
Pourquoi n’avait-on pas ce problème lors de la préparation des esters ?
Mais à haute température… c’est mieux !
Seul un chauffage fort et une forte pression permettent d’inverser le sens de réaction acido-basique, car elle est
exothermique. Chauffer une réaction exothermique déplace l’équilibre en sens inverse.
L’inversion de la réaction acide-base entre l’acide et l’amine redonne l’acide et l’amine qui peuvent réagir ensemble pour
conduire à l’amide.
Cette méthode n’est donc pas utilisée au laboratoire mais peut l’être à l’échelle industrielle.
-8-
2.2. Activation ex-situ de l’acide carboxylique : acylation des amines
Ecrire l’équation de la réaction :
L’utilisation de la pyridine pour empêcher la formation de HCl n’est pas toujours indispensable, car l’amine, si elle est
introduite en excès, peut jouer le rôle de base et capter l’ion H+.
-
Mécanisme de l’acylation des amines :
 Addition nucléophile de l’amine sur le chlorure d’acyle (sans activation)
 Elimination de Cl-qui permet la reformation de la double liaison C=O
 Déprotonation du composé pour obtenir l’amide
O
O
O
+
NH2
Cl
H
N
N
H H
Cl
O
N
H H
-
H
O
N
+
N
H
Mécanisme de l’acylation des amines avec un anhydride d’acide :
-9-
+
H
+
N
Cl
Document : Acides aminés et liaison peptidique
 Les acides aminés sont des acides carboxyliques porteurs d’un groupe amino. Ceux que l’on rencontre le plus souvent dans
la nature sont les 2-aminoacides, encore appelés acides -aminés ou -aminoacides (-NH2 sur le carbone en  du groupe
carboxyle). Les acides aminés sont les unités structurales de base des protéines.
Expl :
H
H
1
2
C
C
NH2
H
O
H3C
OH
1
2
C
C
NH2
glycine
H
O
OH
1
2
HOH2C
C
C
NH2
alanine
H
O
OH
sérine
PhH2C
2
C
1
C
NH2
O
OH
phénylalanine
 Propriétés acido-basiques des acides aminés
Les acides aminés possèdent à la fois un groupe acide -COOH (R-COOH/R-COO-) et un groupe basique -NH2 (R-NH3+/R-NH2).
En solution aqueuse, la structure d’un acide aminé dépend donc de la valeur du pH.
Expl : pour la glycine :
-COOH/-COO- : pKa1 = 2,4
-NH3+/-NH2 : pKa2 = 9,8
H3N
COOH
H 3N
H2N
COO
COO
pH
9,8
2,4
 Liaison peptidique :
Les acides aminés donnent lieu à une grande diversité de combinaisons en biologie parce que ceux-ci peuvent se polymériser :
on forme ainsi des polypeptides. De tels polymères se forment à la suite de réactions répétées de la fonction acide carboxylique
d’un acide aminé avec le groupe amino d’un autre, ce qui aboutit à l’élaboration d’une chaîne d’amides. Le lien amide qui unit
des acides aminés est appelé liaison peptidique.
Exemple de dipeptide :
H2N
H
O
C
C
CH3
H
O
N
C
C OH
H
CH2Ph
Ce dipeptide est obtenu par condensation de deux
acides aminés : l’alanine et la phénylalanine.
liaison peptidique
 La liaison peptidique a une structure plane :
En effet, une délocalisation à laquelle participent les atomes d’oxygène, de carbone et d’azote est observée :
O
O
C
C
N
Pour ce faire, les liaisons représentées doivent être coplanaires.
-10-
N

Exemple de protéine :
Toutes les protéines sont formées d'une succession d'acides aminés liés les uns aux
autres dans un ordre précis. Le lysozyme illustré ci-contre, par exemple, est formé
de l'union de 129 acides aminés. Le premier est la lysine, le second, la valine, le
troisième, la phénylalanine ... et le dernier, le 129e, la leucine. La séquence des
acides aminés d'une protéine (quel acide aminé est le premier, le second, le
troisième, ... , le dernier) constitue ce qu'on appelle la structure primaire de la
protéine. Les radicaux des acides aminés ont des propriétés chimiques différentes.
Certains sont hydrophobes, d'autres hydrophiles, certains s'ionisent négativement
et d'autres positivement. Certains radicaux peuvent former des liaisons chimiques
plus ou moins fortes avec d'autres radicaux. Il peut donc y avoir dans une chaîne
d'acides aminés des interactions entre les radicaux. Certains se repoussent et
d'autres se rapprochent et forment des liens chimiques. La chaîne d'acides aminés
aura donc tendance à se replier sur elle-même pour adopter une structure
tridimensionnelle précise.
3. Préparatation des autres dérivés d’acides
Chlorures d’acyles
Formés à partir des acides carboxyliques, en utilisant un agent chlorant qui remplace –OH par –Cl comme avec les alcools :
Expl : Chlorure de thionyle SOCl2 (chauffage) :
+
SOCl 2
+ SO 2(g) + HCl (g)
Intérêt : Les sous-produits non désirés (SO2 et HCl sont gazeux : ils quittent le milieu sans qu’il ne soit nécessaire
de réaliser une opération de séparation)
Anhydrides d’acides
- Préparation par déshydratation de deux molécules d’acide carboxylique au moyen d’un agent déshydratant comme
l’anhydride phosphorique (P4O10) avec chauffage
O
2
O

OH
O
O
P4O10
-11-
+ H2O