Les esters

Les alcools

Un alcool est un composé organique dans lequel un groupe carboxyle hydroxyle - $OH$ est fixé sur un carbone tétragonal. Un alcool à chaîne carbonée saturée a pour formule générale $C_{n} H_{2 n + 1} OH$ ou $R - OH$ $- C_{n} H_{2 n + 1}$ (ou - $R$ ) : groupement alkyle

Le nom de l'alcool dérive de celui de l'alcane de même squelette carboné en remplaçant le -e final par la terminaison $- o l$ , précédée de l'indice de position, le plus petit possible, du groupe - $OH$ sur la chaîne carbonée principale.

Les acides carboxyliques

Les acides carboxyliques possèdent un groupe caractéristique carboxyle - $COOH$ . Leur formule générale est : (RCOOH oul $C_{n} H_{2 n} O_{2}$ )

Le nom de l'alcool dérive de celui de l'alcane de même squelette carboné en remplaçant le -e final par la terminaison -oïque, l'ensemble étant précédé du mot acide.

Les esters

Les esters sont des composés odorants présents dans les produits naturels (banane, ananas, lavande...), et qui sont utilisés dans la synthèse de parfums ou de saveurs.

Les esters possèdent le groupe caractéristique ester :

La formule générale d'un ester est : $R - COO - R^{'}$

${R est soit une cha ı ˆ ne carbon e ˊ e, soit un hydrog e ˋ ne R^{'} est une cha ı ˆ ne carbon e ˊ e$

Le nom de l'ester comporte deux termes:
- Le premier, qui se termine en oate, dérive de la nomenclature de l'acide carboxylique.
- Le second, qui se termine en yle, est le nom du groupe alkyle provenant de l'alcool.

Réactions d'estérification et d'hydrolyse d'un ester

Réaction d'estérification

La réaction entre un acide carboxylique et un alcool engendre un ester, on luí donne le nom de réaction d'estérification.

$CH_{3} COOH_{(ℓ)} + C_{2} H_{5} OH (ℓ) ⇄ CH_{3} - COO - C_{2} H_{5} (ℓ) + H_{2} O (ℓ)$

acide éthanoïque éthanol éthanoate d'éthyle eau

Réaction d'hydrolyse d'un ester

C'est la réaction inverse de la réaction d'estérification.

$R - COO - R^{'} + H_{2} O ⇄ R - COOH + R^{'} - OH$

Étude expérimentale

Estérification

Neuf ampoules, hermétiquement fermées, remplies d'un mélange équimolaire de $CH_{3} CO_{2} H$ et de $C_{2} H_{5} OH$ sont placées dans une eau à $100^{\circ} C$ .
À intervalles de temps réguliers, une ampoule est retirée de l'eau bouillante pour subir une trempe et l'acide restant est dosé par de la soude.

Équation de la réaction		$CH_{3} COOH_{(ℓ)} + C_{2} H_{5} OH (ℓ) ⇄ CH_{3} COOC_{2} H_{5} (ℓ) + H_{2} O_{(ℓ)}$
État du système	Avancement	Quantités de matière (mol)
État initial	$x = 0$	$n_{o}$ acide $= 1 mol$	$n_{o}$ alcool $= 1 mol$	0	0
En cours	$x$	$n_{acide} = 1 - x$	$n_{alcool} = 1 - x$	$x$	$x$
À l'équilibre	$x_{e ˊ q} = 0, 67$	$n_{ac restant} = 0, 33$	$n_{alcool} = 0, 33$	$n_{ester form e ˊ} = 0, 67$	$x_{e ˊ q} = 0, 67$

$t (min)$	0	2	4	10	20	40	100	150	200
$n_{acide} ($ restant $) = 1 - x$	1	0,9	0,74	0,62	0,51	0,42	0,35	0,34	0,33
$n_{ester}$ (formé) $= x = 1 - n_{ac}$ (restant)	0	0,1	0,26	0,38	0,49	0,58	0,65	0,66	0,67

Hydrolyse d'un ester

- La même expérience que celle pour l'estérification peut être menée à partir d'un mélange équimolaire de $CH_{3} COOC_{2} H_{5}$ et de $H_{2} O$ . La soude sert ici pour le titrage de l'acide formé.

Équation de la réaction		$CH_{3} COOC_{2} H_{5} (ℓ) + H_{2} O_{(ℓ)} ⇄ CH_{3} COOH_{(ℓ)} + C_{2} H_{5} OH$
État du système	Avancement	Quantités de matière (mol)
État initial	$x = 0$	$n_{o ester} = 1 mol$	$n_{o eau} = 1 mol$	0	0
En cours	$x$	$n_{ester} = 1 - x$	$n_{eau} = 1 - x$	$x$	$x$
À l'équilibre	$x_{e ˊ q} = 0, 67$	$n_{ester restant} = 0, 67$	$n_{eau} = 0, 67$	$n_{ac form e ˊ} = 0, 33$	$x_{e ˊ q} = 0, 33$

$t (min)$	0	2	4	10	20	40	100	150	200
$n_{ester}$ (restant) $= 1 - x$	1	0,9	0,74	0,62	0,51	0,42	0,35	0,34	0,33
$n_{acide}$ (formé) $= x = 1 - n_{ester}$ (restant)	0	0,1	0,26	0,38	0,49	0,58	0,65	0,66	0,67

Conclusion : L'estérification et l'hydrolyse d'un ester sont deux réactions lentes et limitées.

L'équilibre d'estérification-hydrolyse

Ả partir d'un mélange équimolaire alcool-acide ou ester-eau, les 2 systèmes chimiques évoluent vers le même état fínal : $\frac{2}{3}$ mol d'ester et $\frac{1}{3}$ mol d'acide.

La constante d'équilibre s'écrit : $K = \frac{[ester ] _{e ˊ q} \cdot [ eau ] _{e ˊ q}}{[ acide ] _{e ˊ q} \cdot [ alcool] ] _{e ˊ q}} = \frac{n ( ester ) _{e ˊ q} \cdot n ( eau ) _{e ˊ q}}{n ( acide ) _{e ˊ q} \cdot n ( alcool ) _{e ˊ q}}$

L'eau n'est plus considérée comme solvant, mais une espèce participant à l'équilibre. Elle doit apparaitre dans l'expression de $K$ .

À $25^{\circ} C$ , pour la réaction de $CH_{3} CO_{2} H$ avec $C_{2} H_{5} OH, K = \frac{\frac{2}{3} \times \frac{2}{3}}{\frac{1}{3} \times \frac{1}{3}} = 4$

Contrôle de l'évolution du système

Contrôle de la vitesse de la réaction

On peut augmenter la vitesse de réaction d'une estérification ou d'une hydrolyse, sans modifier l'état final, en élevant la température (facteur cinétique) et / ou en utilisant un catalyseur.

Un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction et ne figure pas dans l'équation associée à cette réaction. Dans les réactions d'estérification et d'hydrolyse d'ester, le catalyseur est l'acide sulfurique (l'ion $H^{+}$ ).

Catalyseur: espèce chimique qui, ajoutée au milieu réactionnel, rend plus rapide une réaction et permet de " sélectionner", lorsqu'il y a plusieurs possibilités, une réaction plutôt qu'une autre. Il ne participe pas au bilan réactionnel (ne figure pas dans I'équation de la réaction). Il est régénéré en fin de réaction.

Contrôle de l'état final de la réaction

Rendement d'une transformation chimique

$r ($ rendement $) = \frac{quantit e ˊ du produit effectivement obtenue}{quantit e ˊ maximale attendue ( si transformation totale )} = \frac{n _{exp}}{n _{m a x}} < 1$

Contrôle de l'état final

Pour augmenter le rendement d'une réaction d'estérification ou d'hydrolyse, on peut :
- utiliser l'un des réactifs en excès dans l'état initial ;
- ajouter l'un des réactifs lorsque l'état d'équilibre est atteint ;
- éliminer un des produits au cours de sa formation.

$n_{o}$ acide $(mol)$	5	2	1	1	1
$n_{o alcool} (mol)$	1	1	1	2	5
$τ (%)$	95	85	67	85	95

L'ajout d'un réactif ou l'élimination d'un produit fait diminuer $Q_{r}$ qui devient inférieur à $K$ . Le système évolue alors dans le sens direct.