Réaction d’estérification et d’hydrolyse Chapitre 9 Introduction : L’arome de banane par exemple est dû à ester : éthanoate de butyle, c’est un composé organique qu’on peut le synthétiser a partir de la réaction d’un alcool avec un acide carbonylique 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 ? I-Rappel : nomenclature des alcanes : 1-Nombre des boulets liants : Atome Numéro atomique Répartition électronique Nombre des doublets liants Types de liaisons Carbone (C) Oxygène (O) Hydrogène (H) 2-les alcanes linéatures et les radicaux alkyles : Les alcanes sont des hydrocarbures saturés de formule brute générale : Cn H2n+2 Nombre d’atome de carbone d’un alcane 1 2 3 4 5 6 7 Sa formule brute Son nom C H4 C2 H6 C3 H8 C4H10 C5H12 C6 H14 C7 H18 méthane éthane propane butane pentane hexane heptane Nombre d’atome de carbone d’un alkyle 1 2 3 4 Sa formule brute Son nom ـــC H3 ـــC2 H5 ـــC3 H7 ـــC4H9 méthyle éthyle propyle butyle 3-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 : Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 1 II-Composés organiques oxygénés : 1- Alcools : Un alcool est une espèce organique dans laquelle un groupe hydroxyle ــــOH est fixé sur un atome tétragone. La formule générale d’un alcool est R ـــOH ; R un alkyle linéaire o ramifié. Calasse d’alcools : suivant le nombre de chaines carbonées portées par le carbone fonctionnel , un alcool est primaire , secondaire ou tertiaire Alcool primaire Alcool secondaire Alcool tertiaire 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- Acides carboxyliques : Un acide carboxylique possède le caractéristique, appelé groupe carboxyle groupe 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. Exemples : Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 2 3- Anhydrides d’acides: Un anhydride d’acide est un composé organique qui possède le groupe caractéristique Il résulte de l’élimination d’une molécule d’eau entre les deux molécules d’acides carboxylique, selon l’équation : Nomenclature d’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 : 4- Groupes d’ester: Un ester est un composé organique qui possède le groupe caractéristique : La formule générale des esters s’écrit : 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 seconde, qui se termine par « yle », est l nom du groupe alkyle lié à l’atome d’oxygène par une liaison simple. Exemples : Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 3 III-Réactions d’estérification et d’hydrolyse d’un ester : 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. Caractéristiques d’estérification : L’estérification est une réaction lente et limitée. (on va vérifier ça dans le paragraphe IV) Exemple1 : Ecrire, par des formules semi-développées, l’équation de la réaction d’estérification entre l’acide éthanoïque et le butan-1-ol. ............................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................................................... Exemple2 : Ecrire, par des formules semi-développées, l’équation de la réaction d’estérification entre l’acide éthanoïque et propan-2-ol. ............................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................... 2-Réactions 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. Caractéristiques d’hydrolyse : L’estérification est une réaction lente et limitée. (on va vérifier ça dans le paragraphe IV) Exemple1 : Ecrire, par des formules semi-développées, l’équation d’hydrolyse éthanoate de butyle. ............................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................................................... Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 4 Exemple2 : Ecrire, par des formules semi-développées, l’équation d’hydrolyse de propanoate d’éthyle. ............................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................... ........................................................................................................................................................................................................................... IV- L’équilibre d’estérification et d’hydrolyse : 1-Etat d’équilibre d’estérification : Cette étude a été réalisée par le chimiste français Berthelot en 1862 dont le protocole expérimental est le suivant: Un mélange équimolaire constitué d'une mole d'éthanol C2H5OH et une mole d'acide éthanoïque CH3COOH est repartie après homogénéisation, dans plusieurs tubes à essaies identiques scellées et placés à température constante 1000C . Dans chaque tube démarre l'estérification et les divers échantillons évoluent en parallèle, de façon identique. Pour déterminer le nombre de moles d'ester formé à un instant t donné, on prélève un tube et on lui fait subir une trempe dans glacée pour arrêter la réaction puis on dose l’acide présent (restant) dans le tube à cet instant t à l’aide d’une solution de soude (𝑵𝒂+ (𝒂𝒒) + − 𝑯𝑶(𝒂𝒒) ) de concentration connue. Les résultats obtenus : t(h) n(acide restant) 0 2 1 0 ,82 4 0,74 10 0,62 20 0,51 30 0,44 40 0,42 80 0,38 100 0,34 150 0,33 200 0,33 300 0,33 Tableau d’avancement : Calculer de 𝒙é𝒒 et 𝒙𝒎𝒂𝒙 , en déduire ? ......................................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................... ......................................................................................................................................................................................................... Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 5 Quantité de matière d’ester formé : .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. 0 2 4 10 20 30 40 80 100 150 200 300 t(h) n(ester formé) Courbe d’évolution au cours du temps de n(acide restant) et n(ester formé) Pour obtenir un mélange de composition constante à 100 °C, on a besoin de 150 heures , donc la réaction d'estérification est une réaction est .................................... A l'état final la composition du mélange devient constante mais aucun des réactifs n'a disparu donc la réaction d'estérification est ............................................ La réaction d’estérification est lente et limitée Rendement d’estérification : Le rendement de la réaction d'estérification est égal au rapport de la quantité de matière du produit obtenue nexp(ester) par celle nmax(ester) maximale attendue : . 𝑛𝑒𝑥𝑝 𝑟= 𝑛𝑚𝑎𝑥 Calcul du rendement de cette estérification : .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. Constante d’équilibre d’estérification : .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 6 Remarque : influence de la classe de l’alcool L’éthanol utilisé précédemment est un alcool primaire, classe pour laquelle le rendement de réaction atteint 𝒓 = 67 %. Dans les mêmes conditions de réaction (mélange équimolaire), le rendement dépend de la classe de l’alcool utilisé, 𝒓= 60 % pour un alcool secondaire 𝒓< 10 % pour un alcool tertiaire 2-Etat d’équilibre d’hydrolyse : Considérons à présent la réaction d’hydrolyse d’un mélange d’une quantité de matière n = 1,0 mol d’éthanoate d’éthyle et d’une quantité de matière n = 1,0 mol d’eau, réaction inverse de l’estérification précédente. Par la même étude faite précédemment, on obtient la courbe d’évolution au cours du temps ci-contre La réaction d’hydrolyse est caractérisée par un état d’équilibre qui s’établit au cours du temps. La figure cicontre montre l’évolution temporelle vers cet état d’équilibre dans lequel le tiers des réactifs a réagi. Tableau d’avancement : Equation de la réaction Etat du système avancement Etat initial Etat intermédiaire Etat final La réaction d’hydrolyse est lente et limitée Calcul du rendement de cette hydrolyse : .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. Constante d’équilibre d’hydrolyse : .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 7 .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................................. Conclusion Les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont lentes et limitées. L’état d’équilibre obtenu par la réaction d’estérification ou par la réaction d’hydrolyse est identique et peut être résumé ainsi. Pour un mélange équimolaire : V- Contrôle de la réaction d’estérification/hydrolyse: Les réactions d’estérification et d’hydrolyse étant inverses l’une de l’autre, les facteurs qui agissent sur l’une agissent également sur l’autre. 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 (par exemples les ions 𝑯𝟑 𝑶+ ), qui augmente la vitesse de réaction sans modifier l’état final d’élever la température (augmenter la température) 2-Contrôle de l’état final : Il est possible d’augmenter le rendement de la réaction d’estérification ou d’hydrolyse : en utilisant l’un des réactifs en excès. en prélevant l’un des produits au cours de sa formation Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 8 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. Appareil Dean-Stark Ce montage est utilisé pour l’élimination d’ester, si sa température d’ébullition est Ce montage est utilisé pour nettement inferieur à celle des l’élimination de l’eau piégé via autres constituants du système le robinet. Exercice d’entrainement : Etude de la réaction entre l’acide propanoïque et l’éthanol -PC2016 SN On mélange dans un ballon, la quantité n0= 0,5mol de l’acide propanoïque avec la même quantité n0= 0,5mol d’éthanol pur, puis on chauffe à reflux le mélange réactionnel pendant une certaine durée. On obtient à la fin de la réaction la quantité nE= 0,33mol d’un composé organique E. 1. Citer deux caractéristiques de cette réaction. 2. Ecrire la formule semi développée du composé E et donner son nom. 3. Dresser le tableau d’avancement de la réaction. 4. Calculer le rendement r de cette réaction. Autre question : Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 9 5-proposer deux méthodes pour accélérer la réaction et deux méthodes pour améliorer le rendement. ........................................................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................................................. ............................................................................................................................................................................................................................. 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Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 10 Exercices Exercice 1 : Etude de la réaction de l’éthanoate d’éthyle avec l’eau-PC2016 SR On mélange dans un ballon 1 mol d’éthanoate d’éthyle pur avec 1 mol d’eau distillée, on ajoute quelques gouttes d’acide sulfurique concentré et on chauffe à reflux le mélange réactionnel pendant un certain temps. Une réaction chimique se produit. A l’équilibre, il reste 0,67 mol d’éthanoate d’éthyle. 1. Quel est le rôle de l’acide sulfurique ajouté ? 2. Citer deux caractéristiques de cette réaction. 3. Ecrire l’équation de la réaction chimique étudiée en utilisant les formules semi-développées. 4. Calculer la constante d’équilibre K associée à l’équation de cette réaction chimique. Exercice 2 : Etude cinétique de l’hydrolyse d’un ester-PC2012 SR Le composé organique éthanoate-3 méthyle butyle est caractérisé par une bonne odeur qui ressemble à celle de la banane , il est ajouté comme parfum dans quelques confiseries et des boissons et le yourte . Cette partie de l’exercice a pour objectif l’étude cinétique de la réaction de l’hydrolyse de l’éthanoate-3 méthyle butyle et la détermination de la constante d’équilibre de cette réaction. Données : La formule semi développée de l’éthanoate-3 méthyle butyle noté E : Masse molaire du composé E : M(E) = 130 g.mol-1 . Masse volumique du composé E : ρ(E) = 10,87 g.ml-1 . Masse molaire de l’eau : M(H2O) = 18 g.mol-1 . Masse volumique de l’eau : ρ(H2O) = 1 g.ml-1 . On verse dans un ballon le volume V(H2O) = 35 mL d’eau distillée et le met un bain marie de température constante et on lui ajoute le volume V(E) = 15 mL du composé E , et on obtient un mélange de volume V = 50 mL . 1- Déterminer le groupe caractéristique du composé E .(0,25 pt) 2- Écrire l’équation de la réaction modélisant l’hydrolyse du composé E en utilisant les formules semi développées .(0,75 pt) 3- On suit l’évolution de l’avancement x(t) de la réaction en fonction du temps et on obtient la courbe suivante. 𝟏 𝒅𝒙 𝒕 3-1- La vitesse volumique de la réaction est exprimée par v(t) = 𝐕 × 𝒅𝒕 , avec V le volume total du mélange ,calculer en mol.L-1.min-1 la valeur de la vitesse à l’instant t = 20 min .La droite T représente la tangente à la courbe au point d’abscisse t = 20 min . (0,5 pt) 3-2- Déterminer graphiquement l’avancement final 𝒙𝒇 et le temps de demi-réaction t1/2 .(0,5 pt) 4- Dresser le tableau d’avancement du système chimique et déterminer la composition du mélange à l’équilibre. (1,5 pt) 5- Déterminer la constante d’équilibre K associée à l’hydrolyse du composé E. (0,5 pt) Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 11 Exercice 3 : A une température 𝜽=80°C, on réalise un mélange équimolaire en partant initialement de n0 mol d’acide éthanoïque CH3COOH et n0 mol d’éthanol CH3CH2OH additionné de quelques gouttes d’acide sulfurique concentré. On suit l’évolution de la réaction en évaluant la quantité d’acide restant en fonction du temps.(figure1) 1)-Ecrire l’équation de la réaction d’estérification. 2)-En utilisant la courbe de la figure-1- : a)-Déterminer le nombre de mol n0 d’acide et d’alcool à l’état initial. b)-Dresser le tableau d’avancement et montrer que l’avancement final est xf= 0.04 mol. c)-Déterminer le taux d’avancement final. Quelle caractéristique de la réaction d’estérification est confirmée par ce résultat 3)- Déterminer la composition du mélange à l’équilibre dynamique. 4)-En déduire la constante d’équilibre K. Exercice 5 : Étude de la réaction de l’acide butanoique avec le méthanol -PC2012 SR La réaction entre l’acide butanoique avec le méthanol produit un composé organique E et l’eau . On modélise cette réaction par l’équation suivante : CH3CH2CH2COOH + CH3OH ⇄ CH3CH2CH2COOCH3 + H2O 1- Citer le nom du groupe auquel appartient le composé E , et donner son nom . (0,5 pt) 2- On verse dans un ballon qui plongé dans de l’eau glacée , n1 = 0,1 mol d’acide butanoique et n2 = 0,1 mol de méthanol et quelques gouttes d’acide sulfurique concentrée et quelques gouttes de phénolphtaléine , et on obtient un mélange de volume V = 100 mL . Donner l’intérêt de l’utilisation de l’eau glacée et le rôle que joue l’acide sulfurique dans cette réaction .(0,5 pt) 3- Pour suivre l’évolution de cette réaction , on verse dans 10 tubes le même volume du mélange et on ferme bien les tubes , et le met dans un bain marie de température constante (100°C) et on déclenche le chronomètre à l’instant t = 0 . Pour déterminer l’avancement de la réaction en fonction du temps , on sort les tubes du bain marie l’un après l’autre et on les met dans de l’eau glacée , et on dose l’acide restant dans chaque tube à l’aide d’une solution d’hydroxyde de sodium (Na+aq + HO-aq ) de concentration C = 1 mol.L-1. L’équation modélisant la réaction du dosage s’écrit sous la forme suivante : 𝑯𝑨 𝒂𝒒 + 𝑯𝑶− 𝒂𝒒 → 𝑨− 𝒂𝒒 + 𝑯𝟐 𝑶(𝒍) . Montrer que l’avancement x de la réaction de l’estérification peut s’écrire sous la forme : x (mol) = 0,1 - (10.C.VBE ) avec VBE le volume d’hydroxyde de sodium versé à l’équivalence dans chaque tube . (1 pt) 4- Les résultats de l’étude expérimentale ont permis de tracer le graphe représentant les variations de l’avancement x de l réaction d’estérification en fonction du temps . La droite T est la tangente à la courbe à t = 0. En vous basant sur le graphe déterminer : 4-1- Déterminer la vitesse volumique de la réaction aux instants to =0 et t1 = 50 min .(0,75 pt) Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 12 4-2- Le temps de demi-réaction t1/2 .(0,5 pt) 4-3- Le quotient de la réaction à l’équilibre Qr,eq. (0,75 pt) Prof : Soufian EL-ASRI Physique –chimie ; 2 BAC(PC) Page 13
