Ester

Esters : chimie organique

Les esters sont le produit d'une réaction chimique entre un alcool et un acide (carboné ou oxygéné). Cette réaction est également appelée réaction de condensation ou de substitution. Les esters peuvent donc être classés dans la catégorie des composés organiques.

Quelle est la définition de l'ester ?

Les esters constituent la famille de composés organiques la plus importante parmi les dérivés des acides carboxyliques. Ils sont très répandus dans la nature et possèdent diverses applications dans la vie courante.

Fonction ester

Les esters sont formés à partir d'acides carboxyliques et d'alcools.

Tu te rappelles peut-être que les acides carboxyliques contiennent un groupe fonctionnel appelé groupe carboxyle \( -COOH \) , et ont la formule générale suivante \( RCOOH \) .

Pour former un ester, l'atome d'hydrogène du groupe carboxyle de l'acide carboxylique est simplement remplacé par le groupe \( R \) d'un alcool, ce qui donne aux esters la formule générale \( RCOOR' \) et le groupe fonctionnel \( -COO- \).

Fig1- La structure générale d'un ester.

Réaction d'estérification

Dans ce cas, nous faisons réagir un acide carboxylique avec un alcool pour produire un ester et de l'eau. Il s'agit d'une réaction réversible, ce qui signifie que les réactions avant et arrière se produisent en même temps, dans un état d'équilibre dynamique.

$$ RCOOH + R'OH \rightleftharpoons RCOOR' + H_2O $$

Tu peux voir dans la molécule ci-dessous que les esters contiennent un groupe \( R \) avec le groupe fonctionnel carbonyle, \( C=O \) , et un groupe \( R' \) qui est simplement une chaîne hydrocarbonée. Le groupe \( R \) contenant la liaison \( C=O \) provient de l'acide carboxylique tandis que l'autre groupe \( R' \) provient de l'alcool.

Fig.2- Estérification.

Tu peux facilement synthétiser un ester en laboratoire :

1. Chauffe un acide carboxylique et un alcool dans un bain-marie avec quelques gouttes d'acide sulfurique ;
2. Lorsque la réaction est terminée, verse le mélange dans un bécher rempli d'eau ;
3. En raison de la différence de densité, deux couches vont se former : l'ester formera une couche supérieure, tandis que les acides et l'alcool restants se dissoudront dans la solution inférieure.

Ester chimie : Exemple

Les esters ont souvent une odeur aromatique, c'est pourquoi ils sont utilisés dans les produits de toilette, les parfums et les nettoyants ménagers. En fait, ils sont même utilisés dans les aliments courants comme arômes.

Éthanoate d'éthyle

Prenons l'exemple de l'ester éthanoate d'éthyle. Il sent la poire, c'est pourquoi nous l'utilisons dans les bonbons à la coque.

Fig.3- L'éthanoate d'éthyle. Cette molécule est également connue sous le nom d'acétate d'éthyle.

Ester : nomenclature

Comme nous l'avons vu ci-dessus, les esters sont fabriqués à partir de deux molécules différentes : un acide carboxylique et un alcool. Leurs noms sont composés de deux parties et reflètent ces deux molécules.

• La première partie du nom provient de l'alcool. Tu la nommes de la même façon que tu nommes les chaînes latérales d'hydrocarbures dans d'autres molécules organiques. Elle utilise le nom de la racine de l'alcool pour indiquer sa longueur et se termine par le suffixe -yle.
• La deuxième partie du nom provient de l'acide carboxylique. Elle utilise à nouveau le nom de la racine de l'acide carboxylique pour indiquer sa longueur et se termine par le suffixe -oate.

Même si tu ne sais pas à partir de quel acide carboxylique ou de quel alcool un ester est fabriqué, tu peux facilement trouver son nom en comptant les atomes de carbone de ses chaînes de groupes \( R \) .

Examinons ensemble quelques exemples.

Éthanoate de méthyle

Fig.4- Peux-tu nommer cette molécule ?

Regarde la molécule ci-dessus. Le groupe R de gauche contient le groupe carbonyle. Il doit provenir d'un acide carboxylique, il se termine donc par le suffixe -oate. Si nous comptons les carbones de sa chaîne, nous pouvons voir qu'il en a deux. Nous pouvons donc lui donner le nom de racine -éth-. Si nous mettons ensemble le nom de la racine et le suffixe, nous obtenons l'éthanoate.

Cependant, ce n'est que la moitié de l'histoire ! Le groupe R de droite doit provenir d'un alcool. Il n'a qu'un seul carbone dans sa chaîne carbonée, nous l'appelons donc méthyle. En combinant les deux noms, on obtient l'éthanoate de méthyle.

Fig.5- Éthanoate de méthyle. La partie méthyle du nom provient du groupe R encercle en vert tandis que la partie éthanoate provient du groupe R encercle en violet. Les carbones sont numérotés pour t'aider.

Propanoate de butyle

Voici un autre exemple.

Fig.6- Peux-tu nommer cette molécule ?

Le groupe \( R \) de gauche contient le groupe fonctionnel carbonyle, \( C=O \) , et doit donc provenir d'un acide carboxylique. Il possède trois atomes de carbone dans sa chaîne carbonée, cette partie du nom de l'ester est donc propanoate. Le groupe \( R \) de droite provient d'un alcool et possède quatre carbones dans sa chaîne, ce qui lui donne le nom de butyle. Nous appelons cette molécule propanoate de butyle.

Fig.7- Propanoate de butyle.

3-chloropropanoate de 3-méthylbutyle

La molécule suivante est très similaire au propanoate de butyle, mais elle contient également un groupe méthyle et un atome de chlore :

Fig.8 - 3-chloropropanoate de 3-méthylbutyle.

Pour savoir où ils se trouvent exactement sur la molécule, nous devons numéroter les carbones dans le squelette de la chaîne carbonée. Nous traitons chaque moitié de la molécule séparément.

Tu te rappelleras (voir Composé organique) qu'auparavant, nous pouvions numéroter les carbones de gauche à droite ou de droite à gauche - nous voulions simplement que tous les groupes latéraux supplémentaires soient sur le carbone le plus bas possible. C'est ce qu'on appelle la règle du nombre le plus bas. Cependant, nous ne pouvons pas faire cela avec les esters. Au lieu de cela, nous désignons toujours les carbones qui forment la liaison \( C-O-C \) par 1. Sur quels carbones nos groupes supplémentaires sont-ils liés ? Ici, nous pouvons voir que le groupe méthyle est attaché au carbone 3 du groupe \( R \) de droite, et que l'atome de chlore est attaché au carbone 3 du groupe \( R \) de gauche. Cette molécule s'appelle donc 3-chloropropanoate de 3-méthylbutyle.

Fig.9- 3-chloropropanoate de 3-méthylebutyle. Les atomes de carbone sont numérotés et les groupes \( R \) encerclés pour t'aider à nommer la molécule.

Groupe ester : propriétés

Revenons sur la structure générale d'un ester.

Fig.10 - structure générale d'un ester .

Il contient un groupe carbonyle, la double liaison \( C=O \) . Ce groupe est polaire. L'oxygène est beaucoup plus électronégatif que le carbone et attire donc vers lui les paires d'électrons partagées dans la double liaison, devenant ainsi partiellement chargé négativement et laissant le carbone partiellement chargé positivement. Nous représentons cela en utilisant le symbole delta, \( \delta \) . Cela forme un dipôle permanent. Pour cette raison, les esters subissent des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules.

La liaison simple \( C-O \) dans un ester est également polaire. Ces liaisons polaires influencent les propriétés de la molécule. Sa polarité globale est illustrée ci-dessous.

Fig.11- Les dipôles dans un ester.

Points de fusion et d'ébullition

Les esters ont des points de fusion plus élevés que les alcanes similaires, mais des points de fusion plus faibles que les alcools et les acides carboxyliques similaires. Les alcanes étant des molécules non polaires, les seules forces intermoléculaires qu'ils subissent sont de faibles forces de van der Waal. En revanche, les esters ont également des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules. Celles-ci sont beaucoup plus fortes que les forces de van der Waal et nécessitent plus d'énergie pour être surmontées. Cependant, les alcools et les acides carboxyliques contiennent également des liaisons hydrogène entre les molécules. Celles-ci constituent le type de force intermoléculaire le plus puissant et confèrent aux acides carboxyliques et aux alcools des points de fusion et d'ébullition beaucoup plus élevés que ceux des esters.

Comme pour toutes les molécules, les esters à chaîne longue ont des points de fusion et d'ébullition plus élevés que les esters à chaîne courte. Cela s'explique par le fait que les grosses molécules contiennent plus d'électrons et ont donc des dipôles temporaires plus forts, ce qui crée des forces de van der Waals plus fortes entre les molécules. Les esters ramifiés ont des points de fusion inférieurs à ceux des esters à chaîne droite, car les branches font que les molécules ne peuvent pas s'assembler aussi étroitement. Cela réduit l'attraction entre elles.

Le tableau suivant fournit quelques exemples d'esters, leurs masses relatives et leurs points d'ébullition.

Ici, le butanoate de butyle a une masse moléculaire relative plus élevée que le propanoate de propyle et l'éthanoate d'éthyle, car il s'agit d'une molécule plus grosse. Cela signifie qu'il a un point d'ébullition plus élevé. Le butanoate de méthylpropyle a la même masse relative que le butanoate de butyle. Mais comme il est ramifié, les molécules ne peuvent pas s'assembler aussi étroitement. Cela lui confère un point d'ébullition plus bas.

Solubilité

Bien que les esters ne puissent pas former de liaisons hydrogène entre eux, ils peuvent le faire avec les molécules d'eau. En effet, ils possèdent une paire d'électrons solitaires qui peuvent se lier à l'un des deux atomes d'hydrogène partiellement positifs de l'eau. C'est pourquoi les esters à chaîne courte sont solubles dans l'eau. En revanche, les esters à chaîne plus longue ne le sont pas. Leurs chaînes d'hydrocarbures non polaires brisent les liaisons hydrogène et entravent la liaison. C'est pourquoi nous versons une solution après avoir créé un ester dans un bécher d'eau - l'ester ne se dissout pas et forme plutôt une couche à la surface de l'eau.

Fig.12- La liaison hydrogène entre un ester et une molécule d'eau représentée par la ligne pointillée.

Réactions des esters

Nous avons déjà mentionné quelques utilisations des esters : comme parfums, plastiques et arômes. On peut également les trouver dans le biodiesel et ils sont souvent utilisés comme plastifiants et solvants. Pour fabriquer du savon, nous hydrolysons les huiles végétales. Nous approfondirons ce sujet dans la section "réactions des esters", mais pour l'instant, il te suffit de connaître certaines des autres réactions dans lesquelles les esters sont impliqués.

• Hydrolyse acide, pour former un acide carboxylique et un alcool. Il s'agit d'un exemple de réaction de substitution nucléophile.

• Hydrolyse basique, également appelée saponification, pour former un sel d'acide carboxylique et un alcool.
• Réaction d'huiles végétales avec du méthanol pour fabriquer du biodiesel.
• Polymérisation d'alcools et d'acides carboxyliques pour former un polyester.

Ion carboxylate

Le chauffage d'une base aqueuse chaude, telle qu'un hydroxyde, avec un ester sous reflux produit un ion carboxylate et un alcool.

Par exemple, la réaction de l'éthanoate de méthyle avec une solution d'hydroxyde de sodium produit du méthanol et de l'éthanoate de sodium :

$$CH_3COOCH_3 + NaOH \rightarrow CH_3COONa + CH_3OH $$

L'éthanoate de sodium est notre ion carboxylate. Il est composé d'ions sodium positifs et d'ions éthanoate négatifs liés ioniquement ensemble.

Fig.13- La structure de l'éthanoate de sodium.

Mais que faire si nous voulons un acide carboxylique pur au lieu d'un ion carboxylate ? Nous pouvons faire ce qui suit :

• Distiller l'alcool.
• Ajouter un excès d'acide fort comme l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. Cela donne un excès d'ions.
• Les ions sont recueillis par les ions carboxylates en solution, formant un acide carboxylique.
• On sépare l'acide carboxylique de la solution par une nouvelle distillation.

L'hydrolyse de base est également connue sous le nom de saponification. Si tu lis ce terme, tu devineras à quoi servent certains sels de carboxylate spécifiques : le savon ! Nous fabriquons des savons à partir de graisses animales et d'huiles végétales, que nous étudierons plus tard.

Quelles sont les utilisations d'esters ?

• Les esters sont très largement répandus dans la nature et ont diverses applications dans la vie quotidienne : parfumerie, polymères, additifs alimentaires, solvants...
• Les esters confèrent à un certain nombre de fruits, de fleurs, de plantes et de confiseries leurs odeurs et leurs saveurs caractéristiques.
• La cire d'abeille est essentiellement composée d'esters d'acides gras et d'alcools. Il en va de même pour la cire de cachalot. Les graisses et les huiles (animales ou végétales) sont essentiellement constituées d'esters d'acides gras et de glycérol, appelés triglycérides.
• Les esters sont aussi présents dans un certain nombre de parfums et de médicaments : aspirine, antibiotiques, etc.