Chimie organique - Option PC - Chapitre 4/5 Acides carboxyliques

Chimie organique - Option PC - Chapitre 4/5
Acides carboxyliques et dérivés d’acide
I
Les acides carboxyliques - ions carboxylates :
1. Présentation :
O
O
C
• Un acide carboxylique possède la fonction
carboxyle
Un ion carboxylate possède la fonction carboxylate
C
O
H
O
fonction
carboxyle
fonction
carboxylate
• On les trouve à l’état naturel, et ils peuvent être synthétisés au laboratoire
• Caractéristiques physiques :
 Teb et Tfus sont assez élevées, car il existe des liaisons hydrogène en nombre
important (plus que dans les alcools de même masse molaire)
acide carboxylique
M (g.mol -1 )
Teb (°C)
M (g.mol -1 )
Teb (°C)
HCO2 H
46
100,5
CH3 CH2 OH
46
78,3
CH3 CO2 H
60
118
CH3 (CH2 )2 OH
60
97,2
CH3 CH2 CO2 H
74
141
CH3 (CH2 )3 OH
74
117,7
alcool
O
C
H
O
R
R
O
et
O
H
O
C
H
R
C
C
O
O
C
O
H
R
O
R
H O
 ils sont solubles dans l’eau, par formation de liaisons hydrogène. Si R- devient de
taille élevée, l’acide n’est plus soluble, car on détruit plus de liaisons hydrogène
H2O/H2O que l’on ne recrée de liaisons hydrogène H2O/R-CO2H
2. Propriétés spectroscopiques :
C=O ≈ 1710 – 1750 cm-1
• IR :
O-H ≈ 2500 – 3000 cm-1 (signal large, avec  < à celui des alcools)
• RMN (H) :
O
O
C
O
C C
H2
H
 - 10 à 13 ppm
(effet attracteur + effet d'anisotropie)
 variable selon la concentration et le solvant
(liaisons hydrogènes de force variable)
O
H
 - 2 à 3 ppm
(effet attracteur du carboxyle)
3. Structure et réactivité :
a. Structures des groupes carboxyle et carboxylate :
. Géométries :
d (C/O) (pm)
C=O
aldéhydes, cétones
122
143
alcools, éther-oxydes
acides carboxyliques
C-O
121
134
121 pm
124°
R
O
125°
C
R
O
111°
O
120°
H
120°
C
120°
O
134 pm
97 pm
acide carboxylique
ion carboxylate
. Interprétation : elle est basée sur l’examen des formes mésomères
Pour R-CO2H :
127 pm
O
O
C
C
O
H
majoritaire
O
H
minoritaire
• d(C=O) ≈ d(C=O)aldéhyde/cétone [121 ≈ 122], car la seconde forme mésomère est minoritaire.
• d(C-O) < d(C-O)alcool/éther [134 < 143], car la seconde forme existe cependant.
Pour R-CO2- :
O
O
C
C
O
O
formes équiprobables
• d(C/O) est égale pour les deux oxygènes, car les deux formes sont équiprobables.
• d(C=O)aldéhyde/cétone < d(C/O) < d(C-O)alcool/éther [122 < 127 < 143] car la liaison C/O est
alternativement double et simple.
• d(C/O) < d(C-O)acide carboxylique [127 < 134] : le caractère de double liaison est plus fort
dans le carboxylate que dans l’acide carboxylique, car la seconde forme de l’acide est
minoritaire.
b. Réactivité :
• Acidité de H dans -CO2H :
 P(O) > P(H) : l’hydrogène est donc H+, et a un caractère acide.
 La base carboxylate est stabilisée par mésomérie, plus que ne l’est le groupe -CO2H.
La base carboxylate est donc particulièrement stable.
-CO2H perd donc facilement un proton. C’est un acide de Brønsted
• Basicité de -CO2H :
-CO2H peut capter un proton par l’intermédiaire d’un doublet libre, sur
l’ou ou l’autre des oxygènes. Il existe deux sites de protonation possibles,
numérotés (1) et (2) :
(1)
O
C
O H
(2)
O
Site (1)
H
O
C
H
C
O
H
O
H
O
H
C
O
H
O
C
Site (2)
O
H
H
On aura donc une protonation préférentielle sur le site (1).
• Acidité du H sur le C en  du carbonyle :
O
C
C
O
H
H
moins acide que le H en  d'un carbonyle
 Le groupe -OH a un effet +M, qui diminue l’effet attrateur du carbonyle du carboxyle
 C’est le H acide du groupe carboxyle qui réagira préférentiellement avec une base.
• Ccentral peu électrophile :
Le groupe -OH a un effet +M, qui diminue l’effet attrateur du carbonyle du carboxyle. Donc,
le carbone du carbonyle est moins électrophile.
Le carboxyle devra donc être activé pour pouvoir subir l’attaque de nucléophiles.
II
Synthèse des esters et autres fonctions dérivées :
1. Présentation des fonctions dérivées :
O
a. R
:
C
Z
O
chlorure d'acyle
Cl
Me
chlorure d'éthanoyle
C
Cl
O
Me
O
O
C
anhydride d'acide éthanoïque
et propanoïque
O
anhydride d'acide
C
Et
R'
C
O
Z
O
O
ester
R'
Me
éthanoate de méthyle
C
O
R1
CH3
O
amide
N
Me
R2
N,N-diméthyléthanamide
C
N
CH3
CH3
 chlorure d’acyle et anhydride d’acide : produits de synthèse exclusivement
 ester et amide : synthétisés au labo, ou trouvés à l’état naturel
b. R
C
N :
Ce sont des nitriles, qui sont des produits de synthèse essentiellement
H3C CH2 C
N
propanenitrile
O
2. Structure et réactivité de R
:
C
Z
a. Structure :
Z est conjugué avec le carbonyle de la fonction carboxyle :
O
R
C
O
R
Z
C
Z
Le doublet porté par Z diminue donc globalement le pouvoir électrophile du C central sp2.
Cependant, ce carbone central peut subir l’attaque de nucléophiles.
b. Influence de la nature de Z :
Z a un effet -I et +M
Mais l’intensité de ces effets est relative
 Cl a un effet -I majoritaire
 les autres groupes ont un effet +M variable
• Classement des effets +M
L’effet +M le plus faible est pour le Cl. Pour les autres, on peut schématiser le raisonnement,
si « > » signifie « effet +M plus important que » :
O
R
O
<
C
O
C
R
O
<
C
R'
O
O
R
O
<
C
R'
R
C
NH2
NR'R"
+I
+I
-I
O supporte moins bien la charge (+) que N
Tout ce qui stabilise la charge (+) rend plus fort l’effet +M. D’où le classement :
O
R
C
O
R
Cl
O
C
R
O
C
R'
O
C
R
O
C
R'
O
R
NH2
C
NR'R"
O
effet inductif
prépondérant
effet mésomère prépondérant
effet mésomère donneur (+M) croissant
• Classement des effets -I
Pour les mêmes raisons que précédemment, on a l’effet -I qui evolue selon le sens inverse de
l’effet +M (ce sont des effets aux caractéristiques opposées ...). En conclusion, l’effet
attracteur de -Z peut être résumé ainsi :
O
R
O
C
R
O
C
R
Cl
O
C
O
C
R'
R
O
O
C
R
R'
C
NH2
NR'R"
O
effet inductif
prépondérant
effet mésomère prépondérant
effet mésomère donneur (+M) croissant
effet inductif accepteur (-I) croissant
effet attracteur croissant
c. Réactivité vis-à-vis d’un nucléophile : addition nucléophile puis élimination (AN + E) :
On considère un nucléophile, symbolisé par Y- ou par Y-H. On peut donner les mécanismes
d’attaques de ces nucléophiles sur la fonction carbonyle d’un dérivé d’acide :
• Action de Y- :
O
O
R
EDV
C
Z
R
Y
C
O
R
Y
+
Z
Y
Z
AN
C
E
Globalement, on a une SN sur le C sp2
• Action de YH :
O
O
R
EDV
C
Z
Y
H
AN
R
C
Z
O
R
Y
C
+ H
+ Z
Y
H
E
Globalement, on a une SN sur le C sp2
Ces deux mécanismes sont appelés mécanisme tétraédrique
• Cas particulier important : Y- = OH- ou YH = H2O
On obtient l’acide carboxylique R-CO2H
par hydrolyse de tout dérivé d’acide R-COZ
Z
H
Les mécanismes précis seront redéveloppés dans le III.
d. Réactivité comparée :
• Plus Z est attracteur, plus le dérivé d’acide sera réactif (déjà vu).
• Plus Z sera un bon groupe partant pouvoir nucléophuge ? meilleure sera la réactivité selon
une AN+E. Il se trouve que plus Z est attracteur, meilleur groupe partant il sera (sous forme
Z-).
On en déduit donc l’ordre de réactivité :
O
R
C
O
R
Cl
O
C
R
O
C
R'
O
C
R
O
C
R'
O
R
NH2
C
NR'R"
O
effet inductif
prépondérant
effet mésomère prépondérant
effet mésomère donneur (+M) croissant
effet inductif accepteur (-I) croissant
effet attracteur croissant
pouvoir nucléophuge croissant
Réactivité croissante vis à vis d'une attaque nucléophile
e. Passage entre dérivés d’acide :
En application du mécanisme tétraédrique, et de la réactivité comparée des dérivés d’acide,
on en déduit une possibilité de passage entre dérivés d’acide :
O
R
C
Cl
R'-CO2
O
R
C
O
C
R'
O
R"-OH
O
R
C
O
O
R
NH3, R1R2NH
R"
O
C
R
C
H2O
NR1R2
NH2
O
R
C
O
H
3. Synthèse directe des esters à partir de l’acide carboxylique :
a. Données expérimentales :
O
O
• R
+
C
O
R'
O
H
H
R
C
+ H2 O
O
R'
• Réaction catalysée par H+ (H2SO4)
• Réaction dont la cinétique augmente avec la température.
• Réaction équilibrée (rendement dépend quasiment que de la nature de l’alcool) :
◊ alcool (I) : % ester ≈ 67 %
◊ alcool (II) : % ester ≈ 60 %
◊ alcool (III) : % ester ≈ 5 % !!
• Déplacements d’équilibres :
◊ T : aucun effet, car la réaction est athermique.
◊ P : aucun effet, car la réaction est en phase condensée.
◊ ajout d’alcool ou d’acide (le moins cher) : déplacement dans le sens direct.
b. Mécanisme pour les alcools (I) :
On se place en milieu acide (catalyse acide) pour augmenter l’électrophilie du carbone
central du groupe carboxyle, et on a une protonation préférentielle sur le site (1).
O
R
H
C
O
R
O
H
O
H
C
R
H
O
H
O
H
C
R
R'
O
R
H2O
H
C
O
O
H
O
O
H
C
O
acide/base
R'
R
H
O
H
O
H
C
(EDV)
R'
H
+
O
H
H
O
R
O
H
R
C
O
C
R
O
R'
H
O
H
O
R'
C
R'
O
H
+
R
C
O
R'
On remarque bien que H+ est un catalyseur de la réaction.
Rem :
toutes les étapes sont réversibles. Cela signifie donc que le mécanisme d’hydrolyse d’un ester
en milieu acide est l’inverse de celui-ci (fait en exercice).
toutes les étapes sont réversibles
le mécanisme d’hydrolyse d’un ester en milieu acide est l’inverse de l'estérification
4. Activation de la fonction acide : passage aux chlorures et anhydrides :
a. Passage aux chlorures d’acyle :
Les agents chlorurants sont :
O
R
SOCl2 ou PCl3
C
O
SOCl2, PCl3 : liquides
PCl5 : solide
H
ou PCl5
O
R
C
Cl
Equations bilan :
R-CO2H + SOCl2
R-CO2H + PCl5
R-COCl + SO2(g) + HCl(g)
R-COCl + OPCl3 + HCl(g)
3 R-CO2H + PCl3
3 R-COCl + H3PO3
b. Passage des chlorures d’acyle aux esters et amides :
Le C sp2 central du chlorure d’acyle est activé. L’alcool ou l’amine (I) ou (II) peut donc
réagir de façon quasi-totale sans catalyse :
O
R
O
+ R'-OH
C
R
Cl
O
O
R
+ HCl
C
R'
O
R1
+
C
H
Cl
N
R
R2
+ HCl
C
1
N
R1, R2 = H
éventuellement
R
R2
On ajoute souvent une base pyridine pour capter le HCl produit, pour éviter qu’il ne réagisse
avec l’alcool (ce qui donnerait R-Cl) ou l’amine (ce qui la rendrait non nucléophile)
Rem :
la liaison amide obtenue par action d’une amine (I) R-NH2 est aussi
appelée « liaison peptidique ». Ces liaisons sont à la base de la structure
des protéines, qui constituent 75 % de l’extrait sec de la plupart des R
systèmes vivants. Les protéines sont des biopolymères, obtenus par
condensations multiples d’acides -aminés
O
C
N
H
liaison
peptidique
c. Passage aux anhydrides d’acide :
• Deshydratation de R-CO2H avec P2O5
P2O5 (en fait, trouvé sous forme de dimère P4O10) est un deshydratant puissant :
2R
O

O
P2O5
C
H
O
R
+ H2 O
C
O
C
R
O
Ce procédé est bien sûr inadapté pour synthétiser des anhydrides mixtes.
• Action de R’-CO2- sur R-COCl :
O
R
O
+ R'
C
Cl
C
O
R
O
+ Cl
C
O
C
O
R'
R
d. Passage des anhydrides d’acide aux esters et amides:
O
R
O
+ R'-OH
C
O
C
R
O
C
R
R
+
O
C
R'
O
H
O
O
R
C
+ H
O
C
N
R
R
R2
O
C
R
+
N
R1, R2 = H
éventuellement
O
Rem :
O
R1
R
R2
C
1
O
H
pour des raisons évidentes de rendement de synthèse, il est important de partir d’un
anhydride d’acide symétrique.
5. Filiation acide - nitrile (hors programme) :
On peut passer facilement d'un acide carboxylique au nitrile correspondant :

-H2O
Réaction
acide-base
R-CO2-, NH4+
R-CO2H + NH3
O
R
sel de carboxylate
d'ammonium
C
P4O10
-H2O
R
NH2 + H2O
+ H2O
C
N
nitrile
On remarquera que l'on peut facilement synthétiser une amide par chauffage d'acide
carboxylique et d'amine (on peut, à la place de NH3, utiliser une amine primaire ou secondaire).
C'est le mode de production industriel principal, car les réactifs sont peu coûteux, contrairement
aux dérivés d'acide.

-H2O
Réaction
acide-base
1 2
R-CO2H + R R NH
-
1 2
R-CO2 , R R NH2
sel de carboxylate
d'ammonium
+
O
R
C
+ H2O
NR1R2
III Hydrolyse des fonctions dérivées :
O
• On obtient l’acide carboxylique R-CO2H par hydrolyse des dérivés d’acide R
nitriles R C N
• La façon dont s’effectue l’hydrolyse diffère selon la fonction chimique hydrolysée.
1 Cas des chlorures d’acyle et anhydrides d’acide :
ou des
C
Z
H2O est un nucléophile assez puissant, car le C sp2 central est très activé.
Le mécanisme tétraédrique du II. 2. c. est celui de la réaction.
2 Cas des esters, amides et nitriles :
Ils réagissent très lentement, et il faut :
 soit activer la fonction par H+. Le mécanisme n’est plus alors le mécanisme
tétraédrique.
 soit choisir un meilleur nucléophile : OH-. Alors, le mécanisme est le mécanisme
tétraédrique, sauf pour la fonction nitrile.
1. Hydrolyse des esters :
a. Hydrolyse en milieu acide :
Le mécanisme est l’inverse de celui de l’estérification (cf. exercices). La réaction est quasitotale, si on met H2O en excès.
b. Hydrolyse en milieu basique : saponification :
Dans ce cas, OH- est un nucléophile assez puissant pour qu’on ait le mécanisme
tétraédrique :
O
O
R
EDV
C
O
R'
O
H
R
R'
C
O
O
H
R
Traitement acide
C
O
H
C
+
O
O
H
E
AN
O
R
R
R'
quasi-totale
O
ultérieur
O
+ R'OH
C
O
La réaction de saponification est globalement quasi-totale, car l’action de R’O- sur l’acide
carboxylique est quasi-totale.
OH- doit être mis au moins dans les proportions stœchiométriques.
2. Hydrolyse des nitriles et des amides :
a. Hydrolyse en milieu acide :
L’hydrolyse d’un nitrile R C N en milieu acide donne dans un premier temps une amide
O
primaire R C
. On s’arrête à cette amide si on met un équivalent d’eau pour un
NH2
équivalent de nitrile.
L’hydrolyse de l’amide donne l’acide carboxylique R-CO2H.
Le mécanisme associé est hors programme (cf. exercices).
b. Hydrolyse en milieu basique :
L’hydrolyse d’un nitrile R
une amide primaire R
N en milieu basique donne aussi dans un premier temps
C
O
. On s’arrête à cette amide si on met un équivalent d’eau
C
NH2
pour un équivalent de nitrile.
L’hydrolyse de l’amide donne le carboxylate R-CO2- qui, par traitement acide ultérieur,
donnera R-CO2H.
Le mécanisme associé est hors programme (cf. exercices).
IV Réduction des esters par LiAlH4 :
LiAlH4, ou tétrahydruroaluminate(III) de lithium, peut réduire un ester en son alcool
primaire correspondant. On fait agit LiAlH4 sur l’ester, en solvant aprotique (éther), et on
effectue une hydrolyse acide :
Bilan :
O
R
1. LiAlH4, Et2O
C
O
R-CH2 -OH + R'-OH
+
2. H2O, H
R'
En écrivant le schéma réactionnel (HP), on voit qu’il faut 1/2 équivalent de LiAlH4 pour un
équivalent d’ester (cf. exercices).
V
Carbone en  - synthèse malonique :
1. Rappels sur la mobilité du H en  d’un carbonyle :
• Le H sur le C en  d’un carbonyle d’un ester est moins acide que dans le cas d’une cétone :
O
C
H
O
>
C
R
+I
C
H
C
O
R
+M
pKA :
≈ 20
≈ 25
• Il y a exaltation de l’acidité, en particulier pour les -diesters :
O
O
C
R
O
C
CH
O
C
R
R
O
C
CH
O
C
O-R
R-O
C
CH
H
-dicétones
H
-cétoester
H
-diester
pKA - 9
pKA - 11
pKA - 13
O-R
2. Synthèse malonique - décarboxylation :
• Préparation du diester malonique :
On considère l’acide malonique : HO2C-CH2-CO2H
On désiré fixer une chaîne alkyle sur le carbone central, en le rendant nucléophile. Si on fait
agir une base forte sur l’acide malonique, ce sont les H acides des -CO2H qui vont réagir.
D’où l’idée d’effectuer une estérification de l’acide malonique :
HO2C
CO2H
EtOH
(excès)
Et
H+
O
O
C
C
O
Et
O
Malonate d'éthyle
• Alkylation du malonate d’éthyle :
On fait l’énolate du malonate d’éthyle (-diester), puis on en fait l’alkylation par R-X. Ainsi,
on a pu utiliser l’acidité du H acide sur le -CH2-
O
Et
O
C
O
C
CH
Et
O
Et
O
O
C
C
O
CH
Et
O
H
O
Et
X
O
Et
• Saponification, puis acidification :
O
C
O
SN
R
C
CH
R
Et
O
(stabilisé par
mésomérie)
O
Et
C
O
OH(excès)
O
C
CH
O
Et
C
O
O
R
H+
(excès)
O
C
O
H
CH
O
C
O
O
R
C
CH
H
O
R
• Décarboxylation :
En milieu acide, en chauffant le diacide précédent, il y a un dégagement de CO2(g) : c’est la
décarboxylation. Cette decarboxylation est rendue possible grâce à l’existence de liaisons
hydrogènes intramoléculaires, très stabilisantes, et préliminaires à des réarrangements de
liaisons :
H
H
C
O
H
O
O

C
C
O
CO2(g) + H
O
C
O
énol de l'acide
carboxylique
R
H
R
H
C
Comme pour les fonctions aldéhyde et cétone, l’énol est la forme minoritaire, et on a :
H
O
H
O
C
O
H
R CH2 C
C
O
H
R
Globalement, la synthèse malonique permet donc de passer de R-X à R-CH2-CO2H
Rem :
cette transformation est envisageable avec le cours de première année :
R-X
Mg
Et2O
1.
R-Mg-X
O
2. H2O, H+
OH
R
KMnO4
R-CH2-CO2H
La synthèse malonique est donc à utiliser si une des transformations ci-dessus est impossible
à cause de la nature de R.