dérivés d`acides

12
Acides carboxyliques et dérivés
Extrait du programme :
1. Les fonctions « trivalentes »
Pour chaque fonction, il faut connaître :
Groupe fonctionnel, géométrie
Nomenclature
État naturel, propriétés physiologiques
Propriétés physiques (changement d’état, miscibilité)
Propriétés spectroscopiques
·
·
·
·
·
1.1. Ester (lactone)
·
Groupe fonctionnel
O
C
lié à C obligatoirement ( alkyle ou aryle)
O
lié à H ( l'ester est alors un méthanoate ou formiate) ou C d'un groupe alkyle ou aryle
Cas particulier : la fonction ester est incluse dans un cycle : c’est alors une lactone
1/17
O
O
12
·
Nomenclature :
…oate de …yle.
Première partie du nom dérive du coté « gauche » de l’ester, en comptant le carbone
fonctionnel dans le nombre de C qui permet de nommer ce morceau de molécule.
Deuxième partie c’est le nom du groupe carboné R’ que l’on voit « à droite » dans la
représentation RCOOR’.
Rappel 1 : les fonctions trivalentes sont prioritaires sur les fonctions divalentes aldéhyde et
cétone (qui se nomment « oxo » quand elles sont secondaires) et sur les fonctions
monovalentes : alcool ( hydroxy) amine (amino) halogénoalacane ( halogéno)
*
R ) ont des noms traditionnels qu’il est
Rappel 2 : certains groupes alkyle (notés
conseillé de connaître :
isopropyle (iso désigne d’une façon générale un groupe alkyle qui se termine par
une « fourche » à l’opposé de son point d’attache)
*
*
tertiobutyle tertio = attaché par un C tertiaire
*
*
phényle
benzyle
Exemples :
O
O
H
C
O
C
O
HO
C
O
O
4-hydroxybutanoate d'isopropyle
méthanoate d'éthyle
ou formiate d'éthyle
butanoate de phényle
À nommer vous-mêmes :
O
C
2/17
O
O
C
O
O
12
État naturel :
Assez répandus dans la nature aussi bien chez les animaux que chez les végétaux. Quand ils
sont assez volatils pour parvenir aux sites olfactifs, ils ont souvent une odeur agréable.
Ex : l’acétate d’isopentyle à odeur de banane.
Certaines lactones macrocycliques ont des propriétés pharmacologiques intéressantes
(traitement des parasites intestinaux en médecine vétérinaire)
Il faut citer aussi les triglycérides, triesters du glycérol (propane-1,2,3-triol) et d’un ou
plusieurs acide gras (R est une chaîne carbonée linéaire, saturée ou insaturée d’où
l’appellation saturée ou insaturée de la graisse correspondante). Ce sont des « corps gras »
que l’on trouve dans les huiles, le beurre…
OCOR
OCOR
OCOR
Propriétés physiologiques : peu toxiques, mais ce sont d’excellents solvants qui décapent la
peau et peuvent permettre l’entrée de substances nocives qui n’auraient pas traversé
normalement.
Propriétés physiques :
Températures de changements d’état assez basses, car ils ne comportent pas de liaisons
hydrogène, donc sont seulement attachés par liaisons de van der Waals, assez fragiles.
Toujours à cause de leur mode d’association, ils sont hydrophobes et lipophiles (non
miscibles à l’eau, mais bons solvants des substances organiques)
Propriétés spectroscopiques :
IR :
esters RCOOR’
» 1750, n diminue qd C=O élongation
la conjug. augmente
C-O fonctionnel coté R,
» 1250
élongation
C-O fonctionnel coté R’,
» 1050
élongation
etc...
RMN : rien de très remarquable, sauf pour les formiates (méthanoates) qui sont analogues
aux aldéhydes par leur « coté gauche » et présentent donc un signal autour de 9 ppm.
3/17
12
1.2. Chlorure d’acyle
·
Groupe fonctionnel
O
C Cl
attaché à un C (alkyle ou aryle)
le chlorure de l'acide formique n'existe pas
·
Nomenclature
O
C Cl
Chlorure de …oyle
chlorure de 4-méthylpentanoyle
·
État naturel
N’existe pas, trop réactif avec l’eau.
·
Propriétés physiologiques
À titre d’exemple, un extrait d’un document sur le chlorure d’acétyle (éthanoyle). Pour dire
que ce sont des produits peu sympathiques…
Les brûlures en question sont dues à l’hydrolyse du chlorure qui libère de l’acide
chlorhydrique au contact de l’eau.
Les petits, assez volatils, sont lacrymogènes pour la même raison.
Les « plus gros » sont moins inflammables.
4/17
12
·
Propriétés physiques
Peu associés, températures d’ébullition assez basses. La question de leur miscibilité ne se
pose pas souvent, ils réagissent avec beaucoup de fonctions (alcools, amines non tertiaires,
eau…). On les utilise « purs » en les mettant en contact direct avec l’autre réactif.
·
Propriétés spectroscopiques
Bande C=O en IR, mais là encore on n’a que rarement besoin d’aller jusqu’aux spectroscopies
pour les reconnaître.
1.3. Anhydride d’acide
·
Groupe fonctionnel
O
C
O
O
C
liés à des C d'alkyle ou aryle
l'anhydride de l'acide formique n'existe pas
L’anhydride peut être symétrique (c’est souvent le cas) ou mixte avec deux groupes
différents.
Il peut être cyclique
·
Nomenclature
Anhydride …oïque pour les symétriques. Il est peu probable que vous ayez à nommer un
mixte.
·
État naturel
N’existe pas (très réactif avec l’eau)
·
Propriétés physiologiques
Pour l’anhydride acétique. Moins désagréable que le chlorure, mais à peine…
5/17
12
·
Propriétés physiques
Peu associés, assez volatils, sont souvent utilisés « purs » pour la même raison que les
chlorures (grande réactivité, on ne peut pas les utiliser dans l’eau, les alcools, les amines
avec lesquels ils réagissent)
·
Propriétés spectroscopiques :
IR :
anhydrides
1800 : 2 bandes
1050
etc...
C=O élongation
C-O élongation
1.4. Amide (lactame)
·
Groupe fonctionnel
O
C N
N attaché à deux H, ou un H un C
ou à deux C (alkyle ou aryle)
attaché à H ( méthanamide ou formamide)
ou à C ( alkyle ou aryle)
Particularité géométrique : alors que VSEPR laisse prévoir une structure pyramidale autour
de l’azote, on observe une structure plane que l’on attribue à l’existence d’une forme
mésomère dipolaire où l’azote est en AX3.
Cas particulier : la fonction amide est incluse dans un cycle : c’est alors un lactame
Ex
O
N
Un autre cas particulier : les polyamides des fibres textiles (naturelles comme dans la laine
ou la soie, ou synthétiques comme le nylon)
·
Nomenclature
Si aucun substituant sur le N : …amide
Ex : EtCONH2 : propanamide
6/17
12
Si l’azote est substitué ou disubstitué : N-…ou N,N-….
Ex :
O
C N CH3
CH2CH3
N-éthyl-N-méthylbenzamide
·
État naturel :
C’est la fonction qui permet d’associer les acides aminés dans les protéines : très répandue
dans les plantes et les animaux.
La liaison entre deux unités « acide aminé » est la liaison peptidique. C’est elle qui se casse
lors de l’hydrolyse des protéines (voir hydrolyse des amides)
·
Propriétés physiologiques
Souvent peu, mais il existe quelques molécules aux effets intenses :
O
O
NH
NH
Et
O
O
Et
NH
NH
O
O
acide barbiturique
·
gardénal
O
NH2
nirvanil
Propriétés physiques
Ceux qui ne sont pas N,N-disubstitués sont associés par liaisons H : leurs températures de
changements d’état sont supérieures à celles de leurs isomères N,N-disubstitués.
·
Propriétés spectroscopiques
IR : en plus de la C=O, bande à 3500 cm-1 si il y a au moins une liaison N-H, cette bande est
double si NH2
1.5. Nitrile
·
Groupe fonctionnel
La géométrie est linéaire autour du C
fonctionnel.
7/17
C N
lié à C (alkyle ou aryle)
HCN existe mais est considéré comme
une espèce minérale
12
Rq : le fait que HCN et les cyanures soient considérés comme minéraux permet de s’en servir
dans les synthèses comme source « minérale » de carbone (comme le dioxyde de carbone).
Ils sont cependant très toxiques et doivent être utilisés dans des conditions de sécurité
contrôlées.
·
Nomenclature
Nom de l’alcane correspondant…nitrile (le C fonctionnel compte dans le nom)
Ex : EtCN : propanenitrile
Cas particulier PhCN : benzonitrile
·
État naturel
Dans les amandes amères, dans le mille pattes tueur…voir le mandélonitrile sur le site
http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/nitriled.htm
·
Propriétés physiologiques
Pas très toxiques, le groupe CN est bien attaché et les nitriles simples ne libèrent pas de
cyanures
(le mandélonitrile est un hydroxynitrile, c’est particulier, et le mille-pattes le décompose en
catalyse enzymatique)
·
Propriétés physiques
Liaison CN polarisée : les molécules sont assez associées, les petits nitriles sont liquides dans
les conditions normales de T et P. Ce sont des solvants polaires. L’acétonitrile (éthanenitrile)
est miscible à l’eau.
·
Propriétés spectroscopiques
IR : triple CN à 2250 cm-1
1.6. Acide carboxylique
·
Groupe fonctionnel
O
C
OH
attaché à H ( acide formique ou méthanoïque)
ou à C (alkyle ou aryle)
8/17
12
·
Nomenclature
Acide …oïque
Ex :
O
C
OH
Cl
acide 4-chloropentanoïque
Cas particulier : PhCOOH = acide benzoïque
Et d’une façon générale pour les petits, le nom « courant » est recommandé :
formique, acétique
C’est valable aussi pour les dérivés (formiates pour méthanoates, formamide, acétonitrile…)
Les diacides ont aussi des noms courants, ils ne sont pas à savoir absolument, mais on peut…
·
État naturel
On les trouve quelquefois à l’état libre (voir document sur la nomenclature) ou bien sous
forme d’esters ou d’amides.
·
Propriétés physiologiques
Généralement, c’est surtout leur acidité qui les caractérise. Exemple de l’acide propanoïque.
·
Propriétés physiques
Ils forment des liaisons hydrogène, ce qui explique leurs températures de changement d’état
élevées et leur solubilité dans l’eau.
Ils forment des dimères dans les solvants non
protogènes :
Ce qui explique que la détermination de leur masse
molaire par cryométrie peut donner des résultats
faux.
9/17
12
·
Propriétés spectroscopiques
En IR, le « dessin » caractéristique des acides carboxyliques, large bande OH avec la bande
CH qui en sort (alors que dans les alcools, elles sont disjointes)
acides carboxyliques
» 1710
» 3000, très large
» 1300
etc...
C=O élongation
O-H associé, élongation
C-O élongation
Et en RMN, le H de la fonction acide, très déblindé, à environ 10 ppm.
10/17
12
2. Saponification et hydrolyse des dérivés d’acides
2.1. Réactivité vis-à-vis de l’eau, dérivés activés
L’expérience montre que les chlorures réagissent violemment avec l’eau à tout pH, les
anhydrides rapidement, les esters, les amides et les nitriles lentement, et seulement en
milieu acide ou basique.
On appelle les chlorures et les anhydrides « dérivés activés »
Ce paragraphe interprète ces observations à l’aide des effets électroniques des groupes
présents dans la molécule. Il sera traité en cours.
2.2. Les esters
Hydrolyse acide
Bilan :
+
O
R
C
H
+
O
H2O
OR'
R
C
+
R'OH
OH
Le mécanisme sera détaillé en cours, ça commence par une activation électrophile du
groupe C=O en milieu acide. On retrouve le même principe dans l’activation de la
fonction cétone vis-à-vis des attaques nucléophiles (acétalisation).
Caractéristiques de cette réaction : lente (mais accélérée par chauffage) incomplète
(mais on peut déplacer l’équilibre avec un excès d’eau) athermique (le chauffage n’agit
que sur la cinétique).
Saponification
Bilan :
O
R
C
+ HO
OR'
O
-
R
C
O
-
+
R'OH
Caractéristiques : plus rapide que l’hydrolyse, totale. Elle est souvent utilisée à la place
de l’hydrolyse pour cette raison (et le passage en milieu acide permet ensuite de
régénérer l’acide carboxylique)
Le mécanisme sera détaillé en cours, c’est un bel exemple de changement de
nucléophile pour augmenter la vitesse d’une réaction. On retrouve le même
raisonnement que dans la synthèse de Williamson, où on remplace l’alcool nucléophile
médiocre par l’alcoolate plus efficace. C’est aussi un exemple d’addition-élimination, (vu
dans magnésien sur ester, anhydride, chlorure d’acyle, et dans ce chapitre hydrolyse des
dérivés activés, obtention des esters et des amides à partir des dérivés activés)
11/17
12
Exemple : la saponification des graisses qui fournit les savons (savon noir = carboxylate
de potassium, savon blanc = carboxylate de sodium)
OCOR
+ 3 HO
OCOR
OH
-
+ 3 RCOO
OH
OCOR
-
OH
2.3. Les nitriles et les amides
Bilans en milieu acide
RCN +
+
+
RCOOH + NH4
2 H 2O + H
Hydrolyse du nitrile en milieu acide, totale. Elle se fait en deux étapes :
+
H
RCONH2
RCN + H2O
Hydratation du nitrile, catalysée par l’acide
Puis
+
RCOOH + NH4
RCONH2 + H + H2O
+
Hydrolyse de l’amide qui consomme H+
Bilans en milieu basique
RCN + H2O + HO
-
-
RCOO + NH3
Hydrolyse basique du nitrile, totale, qui se décompose en deux étapes :
HO
RCN + H2O
-
RCONH2
Hydratation du nitrile, HO- catalyseur
Puis (semblable à la saponification des esters)
RCONH2 + HO
-
-
RCOO + NH3
« Hydrolyse basique » de l’amide, qui consomme HOMécanisme ?? pas au programme mais on demande quelquefois d’en proposer un.
12/17
12
3. Préparation
3.1. Acides carboxyliques
Oxydation des alcools primaires
Ozonolyse suivie d’hydrolyse oxydante
Magnésien sur CO2
Hydrolyse des dérivés
Synthèse malonique (cf. suite) : de RX à RCH2COOH
3.2. Chlorures d’acyle
Avec le chlorure de thionyle
RCOCl + HCl(g) + SO 2(g)
RCOOH + SOCl2 (liq)
Revoir passage de ROH à RCl
Avec les chlorures de phosphore
3 RCOCl + H3PO3
acide phosphoreux
3 RCOOH + PCl3
RCOOH + PCl5
RCOCl + OPCl3 + HCl(g)
Là encore, on reconnaît les bilans de ROH à RCl
3.3. Synthèse des anhydrides d’acide
À partir de l’acide
À partir du chlorure
3.4. Synthèse des esters
À partir de l’acide et de l’alcool : estérification
·
Bilan
+
H
RCOOH + R'OH
RCOOR' + H2O
·
Lente, incomplète, etc…
·
·
Mécanisme (de Fischer) cas des alcools primaires.
Comment améliorer le rendement
À partir des dérivés activés
·
Bilan :
RCOCl + R'OH
RCOOR' +
"
HCl
"
ou
RCOOCOR + R'OH
13/17
RCOOR' + RCOOH
12
Ces réactions sont totales et beaucoup plus rapides que l’estérification « de base ». Elles
coutent plus cher aussi, et utilisent des produits dont la vente est réglementée (ils
peuvent servir aussi en chimie des drogues : voir ci-dessous)
Remarque : le phénol étant moins nucléophile que les alcools, on ne peut pas former
d’ester de phénol par estérification directe, mais les dérivés activés « fonctionnent ».
·
Ex :
L’acétylation de la morphine en héroïne se fait avec de l’anhydride acétique.
Ac désigne le groupe acétyle H3CCO.
morphine
héroïne
Rq : les deux images sont issues de sources différentes. Le changement de conformation
du cycle à 6 contenant l’azote est fortuit.
3.5. Synthèse des amides
Bilans
Mécanisme avec les dérivés activés
4. Autres réactions
4.1. Acidité des acides et dérivés
La comparaison de l’acidité de différents acides n’est pas au programme, mais l’acidité des
dérivés est mise à profit dans les synthèses de type malonique. Il faut se rappeler que les H
portés par un C en a d’un groupe p-attracteur sont acides.
Pour les acides (même si ce n’est pas au programme) le raisonnement habituel fonctionne
tout ce qui stabilise la base conjuguée augmente l’acidité.
4.2. Synthèse malonique
·
En cours
4.3. Réduction des esters par l’aluminohydrure de lithium
·
14/17
de RCOOR’ à RCH2OH et R’OH
12
·
Sélectivité de la réduction par les hydrures
Synthèse malonique
15/17
12
16/17
12
Synthèse des anhydrides
17/17