Chimie 10 T°S ESTERIFICATION

1 RAPPEL SUR LES GROUPES FONCTIONNELS
En chimie organique, certains groupes d'atomes, appelés radicaux ont des propriétés propres, que
l'on retrouve dans toutes les molécules qui les possèdent.
Exemples :
Alcool : le groupe hydroxyde OH est fixé sur un carbone tétragonal
Rappel : alcools primaires, secondaires, tertiaires
Acide carboxylique : présence du groupe - CH-OH
revoir ces groupes si vous ne les connaissez pas ! voir fiche en annexe.
2 DEFINITION D'UN ESTER
Un ester est défini par le groupe fonctionnel :
Tous les esters ont donc une formulation de la forme :
où R peut représenter un atome d'hydrogène ou une chaîne carbonée
et R' représente toujours une chaîne carbonée.
Dans la nature, on trouve de nombreux esters, qui participent en particulier à l'arôme des végétaux
(acétate de linalyle dans la lavande, voir TP réalisé en classe de seconde).
La synthèse d'esters est donc très importante dans la chimie moderne.
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3 NOMENCLATURE
Une ester est composé de deux chaînes carbonées reliée par un radical (CO - O -)
La formulation R - CO- O - R' permet de définir le nom de l'ester :
-> l'ensemble R - CO - évoque l'acide de formule R - CO - H. La base conjuguée de cet acide est un
anion R - CO- dont le nom est dérivé de celui de l'acide :
Acide acétique (ou éthanoïque) -> ion acétate (ou ion éthanoate)
Acide butanoïque -> ion butanoate
Exemple : L'ester dont le premier radical sera CH3-CO- sera donc appelé "éthanoate de...."
-> L'ensemble - R' a généralement un nom : éthyle, méthyle...
Exemple : L'ester dont le deuxième radical sera -CH3 sera donc appelé ".....ate de méthyle"
Exemples complets :
CH3 - CO - O - CH3 Ethanoate de méthyle
CH3 - CH2 -CO - O - CH -CH2-CH3 Propanoate de 1 méthyl propyle
|
CH3
CH3 - CH - CO - O - CH3 3 Methylbutanoate de méthyle
|
CH2
|
CH3
4 ESTERIFICATION
La réaction d'estérification est une réaction qui associe, par exemple :
- un acide carboxylique R - CO2H et
- un alcool R' - OH
selon l'équation générale :
R - CO2 - H + OH - R' = R - CO2 - O - R' + H2O
Acide + Alcool = Ester + eau
Cette réaction est favorisée par la présence de l'ion H+ qui joue un rôle de catalyseur.
application : exercice 15 page 268
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5 RENDEMENT D'UNE REACTION D'ESTERIFICATION
Lorsqu'on réalise une réaction d'estérification, on utilise deux réactifs.
La réaction étant supposée totale, on peut facilement déterminer le réactif limitant, dont la
quantité initiale est n(réactif limitant), et le nombre maxi de moles d'ester nmax(ester) que l'on
peut synthétiser.
Appelons nf(ester) la quantité d'ester produite par la réaction (nombre de moles) :
On appelle rendement de la synthèse le rapport
r = nf(ester) _________
nmax(ester)
Dans ces réactions (voir exemples ci-dessus), nf(ester) = n(réactif limitant), d'où enfin :
Exercice d'application : n° 19 puis 21 p 269
6 HYDROLYSE D'UN ESTER
Au chapitre 4, nous avons observé que la synthèse d'une ester à partir d'acide carboxylique et
d'alcool produit de l'eau.
Cette réaction d'estérification n'est jamais totale. Ceci signifie donc que la réaction inverse se
produit simultanément.
Conséquence : si on mélange un ester, pur, avec de l'eau, cette réaction inverse va se produire.
Il y a donc destruction de l'ester par l'eau, c'est à dire hydrolyse de l'ester.
Exemple :
Equation générale de l'hydrolyse d'un ester :
R - CO - O - R' + H2O = R - CO-OH + HO - R'
Cette réaction contrarie la réaction d'estérification et en diminue le rendement.
Ecrire la réaction d'hydrolyse du 2 Ethylpropanoate de méthyle
r = nf(ester) __________
n(réactif limitant)
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7 CONSTANTE D'EQUILIBRE
L'équation générale d'une réaction d'estérification est :
Acide + alcool = ester + eau
la constante d'équilibre de cette équation est :
K = [acide].[alcool]
__________
[ester].[eau]
ATTENTION :
Contrairement à ce qu'on a écrit jusqu'à présent, nous ne sommes pas ici en solution aqueuse,
donc l'eau doit être considérée comme n'importe quel autre réactif/produit de réaction.
On n'a pas le droit d'écrire ici [eau] = 1
La définition de K nous permet d'écrire :
8 FACTEURS INFLUENÇANT L'ÉTAT D'EQUILIBRE
8.1 Etat initial
On s'intéresse au tableau d'avancement d'une réaction d'estérification (on prendra ici la réaction de
synthèse de l'éthanoate d'éthyle) pour laquelle K ≈3,9
a : x2/(1-x)2 = 3,9 x = (1-x) . 1,975 2,975 x = 1,975 x = 0,66
Vérifier que cette valeur de K est cohérente avec les résultats donnés page 281 du bouquin
K = nacide.nalcool
________
nester.neau
Etat Initial Etat Final
a
nacide
1
nalcool
1
nacide nalcool nester neau K
b
c
d
e
1
2
2
1
1
3
3
1
3,9
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On voit clairement sur le tableau (p281 du livre) que le taux d'avancement dépend fortement des
conditions initiales, et qu'un excès de l'un des réactifs peut améliorer le rendement de la
réaction d'estérification.
Revoir les conditions initiales du TP sur la synthèse du benzoate de méthyle.
Conditions initiales : 30 mL d'acide éthanoïque CH3COOH (d = 1,049) et 20 mL d'alcool
benzylique C6H5CH2OH (d=1,042) : qulles sont les proportions initiales des différents réactifs ?
8.2 Nature de l'alcool
On constate que le rendement d'une réaction d'estérification est :
- peu influencé par la nature de l'acide utilisé
- fortement influencé par la classe de l'alcool utilisé.
On obtient de bien meilleurs rendements avec un alcool primaire, des rendements un peu plus
faibles avec des alcools secondaires, des rendements médiocre avec des alcools tertiaires.
9 FACTEURS CINETIQUES, INFLUENCE SUR L'ETAT D'EQUILIBRE
9.1 Température
La température aumente les deux vitesses de réaction (estérification et hydrolyse) dans les mêmes
proportions et n'a donc aucune influence sur l'état d'équilibre.
La constante d'équilibre K d'une réaction d'estérification est indépendante de la
température. Ceci n'est pas vrai pour tous les équilibres chimiques. On a vu par exemple que la
constante de l'équilibre H2O = H+ + OH- est Ke = 10-14 à 20°C.
Ce résultat peut cependant être généralisé à toutes les réactions qui ne nécessitent ni ne dégagent
de chaleur. (réaction athermiques.
9.2 Catalyseurs
Les réactions d'estérification peuvent être cataluysées, en particulier par la présence d'ions H+. La
présence du catalyseur augmente les deux vitesses de réaction (estérification et hydrolyse) dans
les mêmes proportions, et n'a donc, encore une fois, aucune influence sur l'état d'équilibre.
10 TECHNIQUES DE SYNTHESE
On cherche rarement à hydrolyser l'ester. Au contraire, on cherche généralement à en effectuer la
synthèse avec le meilleurs rendement possible. Au vu de ce qui précède, plusieurs techniques
peuvent être envisagées, basées sur le déplacement de l'équilibre dans le sens direct :
- L'extraction de l'ester pendant la réaction, lorsque cela est possible (cf p 275)
- l'élimination de l'eau par un déshydratant (acide sulfurique concentré)
- le choix de conditions initiales qui permettent le meilleur rendement (prévisible par calcul) et
l'élimination ultérieure à froid (pour éviter les réactions parasites, comme l'hydrolyse) du réactif
en excédent.
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