Esters

Comment fabrique-t-on des esters ?

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

Tu te souviens peut-être que les acides carboxyliques contiennent un groupe fonctionnel appelé groupe carboxyle, $-\mathrm{COOH}$et ont la formule générale suivante $\mathrm{RCOOH}$. Pour former un ester, il suffit de remplacer l'atome d'hydrogène du groupe carboxyle de l'acide carboxylique par le groupe R d'un alcool, ce qui donne aux esters la formule générale suivante $\mathrm{RCOOR}\text{'}$ et le groupe fonctionnel $-\mathrm{COO}-$.

Fig. 1 - La structure générale d'un ester

Pour fabriquer des esters, nous faisons réagir ensemble un acide carboxylique et un alcool en présence d'un catalyseur. C'est ce qu'on appelle une réaction d'estérification. Elle produit également de l'eau.

\(RCOOH+R'OH\rightleftharpoons RCOOR'+H_2O\)

Tu peux facilement fabriquer des esters en laboratoire en faisant chauffer un acide carboxylique et un alcool au bain-marie avec quelques gouttes d'acide sulfurique. Lorsque la réaction est terminée, verse le mélange dans un bécher rempli d'eau. L'ester se dépose sur l'eau tandis que les acides et les alcools restants se dissolvent dans la solution. Utilise ta main pour faire passer doucement l'air au-dessus du bécher vers ton nez. L'odeur doit être fruitée. 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. Prends l'ester éthyl éthanoate, par exemple. Il sent la poire, c'est pourquoi nous l'utilisons dans les bonbons à la coque.

Fig. 2 - Ethanoate d'éthyle. Cette molécule est également connue sous le nom d'acétate d'éthyle

Tu peux voir dans la molécule ci-dessus que les esters contiennent un groupe R avec le groupe fonctionnel carbonyle, $\mathrm{C}=\mathrm{O}$et un groupe R qui est simplement une chaîne d'hydrocarbures. Le groupe R contenant la liaison $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ provient de l'acide carboxylique tandis que l'autre groupe R provient de l'alcool.

Fig. 3 - Fabrication d'esters

Nommer les esters

Comme nous l'avons vu plus haut, les esters sont fabriqués à partir de deux molécules différentes : un acide carboxylique et un alcool. Leur nom se compose de deux parties et reflète ces deux molécules.

• La première partie du nom vient 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 la racine du nom de l'alcool pour indiquer sa longueur et se termine par le suffixe -yl.
• La deuxième partie du nom provient de l'acide carboxylique. Elle utilise à nouveau la racine du nom de l'acide carboxylique pour indiquer sa longueur et se termine par le suffixe -oate.

Même si tu ne sais pas de quel acide carboxylique ou de quel alcool est fait un ester, tu peux facilement trouver son nom en comptant les carbones dans les chaînes de son groupe R. Voyons ensemble quelques exemples.

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, c'est pourquoi il se termine par le suffixe -oate. Si nous comptons les carbones de sa chaîne, nous constatons qu'il en a deux. Nous pouvons donc lui donner le nom de racine -eth-. Si nous mettons ensemble le nom de la racine et le suffixe, nous obtenons l'éthanoate.

Mais ce n'est que la moitié de l'histoire ! Le groupe R à droite doit provenir d'un alcool. Il n'a qu'un seul carbone dans sa chaîne carbonée, c'est pourquoi nous l'appelons 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 entouré en vert tandis que la partie éthanoate provient du groupe R entouré en rouge. Les carbones sont numérotés pour t'aider

Voici un autre exemple.

Fig. 6 - Peux-tu nommer cette molécule ?

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

Fig. 7 - Propanoate de butyle

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

Fig. 8

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 souviendras (voir Composés organiques) 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 se trouvent sur le carbone de numéro 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 par 1 les carbones qui forment la liaison. $\mathrm{C}-\mathrm{O}-\mathrm{C}$ Quels sont les carbones auxquels nos groupes supplémentaires sont reliés ? 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 le 3-chloropropanoate de 3-méthylbutyle.

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

Propriétés des esters

Revenons sur la structure générale d'un ester.

Fig. 10 - La structure générale d'un ester

Il contient un groupe carbonyle, la $\mathrm{C}=\mathrm{O}$double liaison. 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 partiellement chargé négativement et laissant le carbone partiellement chargé positivement. Ce phénomène est représenté par le symbole delta, δ, qui forme un dipôle permanent. Pour cette raison, les esters subissent des forces dipôle-dipôle permanentes entre les molécules.

La liaison simple d'un ester est également polaire. $\mathrm{C}-\mathrm{O}$ d'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 d'un ester

Points de fusion et d'ébullition

Les esters ont des points de fusion plus élevés que les alcanes similaires, mais plus bas que les alcools et les acides carboxyliques similaires. Les alcanes sont des molécules non polaires, et les seules forces intermoléculaires qu'ils subissent sont donc 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. Il s'agit du type de force intermoléculaire le plus fort, qui donne 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 plus longue ont des points de fusion et d'ébullition plus élevés que les esters à chaîne plus courte. Cela s'explique par le fait que les molécules plus grosses 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 plus bas que les esters à chaîne droite, car les branches signifient que les molécules ne peuvent pas se regrouper aussi étroitement. Cela réduit l'attraction entre elles.

Le tableau suivant donne 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 parce que c'est une molécule plus grosse. Cela signifie que son point d'ébullition est 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 se tasser aussi étroitement. Cela lui donne un point d'ébullition plus bas.

Solubilité

Bien que les esters ne puissent pas former de liaisons hydrogène entre eux, ils peuvent en former avec les molécules d'eau. En effet, ils possèdent une paire d'électrons solitaire qui peut se lier à l'un ou l'autre 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, s'opposant ainsi à 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 - Liaison hydrogène entre un ester et une molécule d'eau, représentée par la ligne en pointillé.

Réactions des esters

Nous avons déjà mentionné quelques utilisations des esters : comme parfums, matières plastiques et arômes. On les trouve également 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 Réactions des esters, mais pour l'instant, il te suffit de connaître quelques-unes des autres réactions dans lesquelles les esters sont impliqués.

• L'hydrolyse acide, pour former un acide carboxylique et un alcool. C'est un exemple de réaction de substitution nucléophile.
• L'hydrolyse basique, également connue sous le nom de saponification, pour former un sel d'acide carboxylique et un alcool.
• Réaction des huiles végétales avec du méthanol pour obtenir du biodiesel.
• Polymérisation d'alcools et d'acides carboxyliques pour former un polyester.