Réactions des acides carboxyliques

Que sont les acides carboxyliques ?

Le groupe fonctionnel -COOH est à son tour composé de deux autres groupes fonctionnels - legroupe carbonyle , C=O, et le groupe hydroxyle, -OH.

La structure générale d'un acide carboxylique. Ici, elle est représentée avec les groupes carbonyle et hydroxyle mis en évidence. Originaux de StudySmarter

Produire des acides carboxyliques

Il existe plusieurs façons de produire des acides carboxyliques. Nous en examinerons trois dans cet article :

• L'oxydation des alcools.
• Hydrolyse des nitriles.
• Hydrolyse des esters.

Tout d'abord, l'oxydation des alcools.

Oxydation des alcools

Si tu laisses une bouteille de vin ouverte pendant une période assez longue, elle deviendra aigre et acide. C'est parce que l'alcool qu'elle contient s'oxyde en acide carboxylique.

Pour fabriquer des acides carboxyliques en laboratoire, il faut chauffer un alcool primaire avec un agent oxydant tel que le bichromate de potassium acidifié sous reflux. L'alcool se transforme d'abord en aldéhyde (RCHO) avant de former un acide carboxylique. Le processus libère également de l'eau :

$$RCH_2OH+2[O]\N-rightarrow RCOOH+H_2O$$$.

Par exemple, la réaction de l'éthanol avec du bichromate de potassium acidifié produit de l'acide éthanoïque :

$$CH_3CH_2OH+2[O]\rightarrow CH_3COOH+H_2O$$

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}+\hspace{0.17em}2\left[\mathrm{O}\right]\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}+\hspace{0.17em}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Reflux. commons.wikimedia.org

Hydrolyse des nitriles

Une autre façon de produire des acides carboxyliques consiste à hydrolyser des nitriles. Les nitriles sont des composés organiques dotés dugroupe fonctionnel-C≡N.On les hydrolyse en utilisant le reflux avec soit un acide dilué, soit un alcali suivi d'un acide fort.

Le reflux d'un nitrile avec un acide dilué produit un acide carboxylique et un sel d'ammonium. L'acide est un catalyseur dans la réaction :

$$RCN+H^++2H_2O\xrightarrow{H^+} RCOOH+{NH_4}^+$$

Par exemple, la réaction entre l'éthanenitrile et l'acide chlorhydrique produit de l'acide éthanoïque et du chlorure d'ammonium :

$$CH_3CN+HCl+2H_2O\xrightarrow{H^+} CH_3COOH+NH_4Cl$$

Le reflux d'un nitrile avec un alcali produit un sel de carboxylate et de l'ammoniaque. L'ajout d'un acide fort libère l'acide carboxylique :

$$RCN+OH^-+H_2O\arow RCOO^-+NH_3$$ $$RCOO^-+H^+\arow RCOOH$$$.

Par exemple, la réaction du propanenitrile avec l'hydroxyde de sodium produit du propanoate de sodium et de l'ammoniaque. L'ajout d'acide chlorhydrique transforme le propanoate de sodium en acide propanoïque et en chlorure de sodium :

$$CH_3CH_2CN+NaOH+H_2O\rightarrow CH_3CH_2COONa+NH_3$$ $$CH_3CH_2COONa+HCl\rightarrow CH_3CH_2COOH+NaCl$$.

Hydrolyse des esters

La dernière méthode de production d'acides carboxyliques que nous allons examiner aujourd'hui est l'hydrolyse des esters. Les esters sont des molécules organiques comportant le groupe de liaison -COO- ester. Comme pour l'hydrolyse des nitriles, elle s'effectue à reflux à l'aide d'un acide ou d'un alcali dilué.

L'hydrolyse d'un ester à reflux, en utilisant un acide dilué comme catalyseur, produit un acide carboxylique et un alcool. La réaction étant réversible, on utilise un excès d'acide dilué pour déplacer l'équilibre vers la droite :

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

Par exemple, la réaction de l'éthanoate de méthyle avec un catalyseur d'acide chlorhydrique dilué produit de l'acide éthanoïque et du méthanol :

$$CH_3COOCH_3+H_2O\rightleftharpoons CH_3COOH+CH_3OH$$$.

L'hydrolyse d'un ester à reflux avec un alcali dilué forme un produit légèrement différent. Cette réaction produit un sel de carboxylate et un alcool. Note que cette réaction est complète, mais qu'elle ne produit pas directement un acide carboxylique. Au lieu de cela, l'acide carboxylique peut être libéré en ajoutant un acide fort, tel que l'acide chlorhydrique :

$$RCOOR'+OH^-\rightarrow RCOO^-+R'OH$$ $$RCOO^-+H^+\rightarrow RCOOH$$.

Par exemple, en chauffant de l'éthanoate de méthyle avec de l'hydroxyde de sodium dilué sous reflux, on obtient de l'éthanoate de sodium et du méthanol. L'ajout d'acide chlorhydrique produit de l'acide éthanoïque et du chlorure de sodium :

$$CH_3COOR'+NaOH\circuit CH_3COONa+CH_3OH$$$CH_3COONa+HCl\circuit CH_3COOH+NaCl$$.

Réactions chimiques des acides carboxyliques

Il est maintenant temps de passer au sujet principal de cet article : les réactions chimiques des acides carboxyliques. Grâce à leur groupe fonctionnel carboxyle (-COOH), composé à la fois du groupe carbonyle (C=O) et du groupe hydroxyle (-OH), les acides carboxyliques participent à de multiples types de réactions.

• Les acides carboxyliques se comportent comme des acides faibles lorsqu'ils sont mélangés à l'eau. Cela signifie qu'ils s'ionisent partiellement.
• En tant qu'acides faibles, les acides carboxyliques participent à toutes les réactions acido-basiques typiques. Par exemple, ils réagissent avec les carbonates, les hydroxydes, les métaux et l'ammoniac.
• En outre, les acides carboxyliques réagissent avec les alcools dans les réactions d'estérification. On obtient alors un ester.
• Les acides carboxyliques peuvent également être réduits, carboxylés, oxydés et transformés en dérivés acides.

Réactions des acides carboxyliques avec l'eau

Tu t'es peut-être demandé pourquoi nous appelons les acides carboxyliques, eh bien, des acides carboxyliques. Jusqu'à présent, ils n'ont rien fait qui ressemble de près ou de loin à un acide ! Cependant, les acides carboxyliques sont bel et bien des acides.

Un proton est simplement un ion hydrogène positif. Les acides carboxyliques sont définis comme des acides parce qu'ils cèdent un ion hydrogène de leur groupe hydroxyle lorsqu'ils réagissent avec l'eau. Il en résulte un ion carboxylate négatif, et ce processus est connu sous le nom d'ionisation.

Cependant, les acides carboxyliques ne sont que des acides faibles.

Cela signifie qu'au sein de la solution, il existe un équilibre continu, dans lequel certaines molécules d'acide carboxylique sont ionisées et d'autres restent intactes. La vitesse d'ionisation est la même que la vitesse de la réaction inverse, de sorte que la proportion globale de molécules ionisées dans la solution reste la même. Nous représentons l'équilibre à l'aide de deux flèches à demi-tête pour montrer que la réaction est réversible :

$$RCOOH\rightleftharpoons RCOO^-+H^+$$$.

L'ionisation des acides carboxyliques. La réaction existe dans un état d'équilibre. Originaux de StudySmarter

Délocalisation des acides carboxyliques

Pour être tout à fait honnête, l'équation ci-dessus ne montre pas toute la situation. Lorsque les acides carboxyliques s'ionisent en un groupe carboxylate et un ion hydrogène, la charge négative du groupe carboxylate se répartit sur les deux atomes d'oxygène de la molécule. C'est ce qu'on appelle ladélocalisation . Elle se produit parce qu'elle crée un ion plus stable.

La délocalisation supplante la double liaison C=O, rendant les deux liaisons carbone-oxygène égales. Au lieu qu'une liaison soit une simple liaison C-O et l'autre une double liaison C=O, nous pouvons considérer qu'il s'agit d'une liaison et demie. La délocalisation est représentée par une liaison en pointillés entre les deux atomes d'oxygène. En réalité, l'équation de l'ionisation des acides carboxyliques devrait donc ressembler à ceci :

Lorsqu'un acide carboxylique s'ionise en un ion carboxylate, la charge se délocalise. L'ion résultant est plus stable.StudySmarter Originals

Les acides carboxyliques participent à toutes les réactions habituelles des acides. Cependant, ils réagissent beaucoup plus lentement que l'acide chlorhydrique, par exemple, car ce sont des acides faibles qui ne s'ionisent que partiellement en solution. Explorons maintenant quelques-unes de ces réactions.

Réactions des acides carboxyliques avec les carbonates

Les acides carboxyliques réagissent avec les carbonates pour produire un sel de carboxylate, de l'eau et du dioxyde de carbone. Nous nommons le sel d'après l'acide à partir duquel il est produit, en utilisant le suffixe -oate. Si tu fais réagir l'acide propanoïque, tu produiras un sel de propanoate ; si tu fais réagir l'acide méthanoïque, tu produiras un sel de méthanoate.

Par exemple, l'acide éthanoïque réagit avec le carbonate de sodium pour produire de l'éthanoate de sodium, du dioxyde de carbone et de l'eau.

$$2CH_3COOH(aq)+Na_2CO_3(aq)\rightarrow 2CH_3COONa(aq)+H_2O(l)+CO_2(g)$$.

En fait, la réaction entre les acides carboxyliques et les carbonates est si efficace qu'elle est couramment utilisée comme test pour les acides carboxyliques. Tu suis cette méthode :

• Utilise une pipette pour transférer 2 ^cm3 d'un composé organique inconnu dans un tube à essai.
• Ajoute la moitié d'une spatule de carbonate de sodium (_Na2CO3) et observe.
• Si tu vois des bulles de dioxyde de carbone monter vers la surface, tu sais que ton composé est un acide.
• Tu peux tester le gaz produit en le faisant barboter dans de l'eau de chaux. Le dioxyde de carbone rend l'eau de chaux claire trouble.

Test de détection du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux claire.StudySmarter Originals

Réactions des acides carboxyliques avec les hydroxydes

Les acides carboxyliques réagissent avec les hydroxydes métalliques pour produire un sel de carbonate et de l'eau.

Par exemple, l'hydroxyde de magnésium réagit avec l'acide méthanoïque pour produire du méthanoate de magnésium et de l'eau.

$$2COOH(aq)+Mg(OH)_2\rightarrow (CHOO)_2Mg(aq)+2H_2O(l)$$.

Réactions des acides carboxyliques avec les métaux

La réaction d'un métal avec un acide carboxylique produit à nouveau un sel de carboxylate, cette fois aux côtés de l'hydrogène.

Par exemple, le potassium réagit avec l'acide propanoïque pour produire du propanoate de potassium et de l'hydrogène gazeux. Le propanoate de potassium est également connu sous le nom de propionate de potassium et est un stabilisateur courant dans les aliments transformés.

2CH_3CH_2COOH(aq)+2K(s)\rightarrow 2CH_3CH_2COOK(aq)+H_2(g)$$.

Réactions des acides carboxyliques avec l'ammoniac

Les acides carboxyliques réagissent avec l'ammoniac pour produire un sel d'ammonium. Note qu'il n'y a pas d'autre produit ici. La réaction entre l'acide éthanoïque et l'ammoniac est donnée ci-dessous - elle produit une solution incolore d'éthanoate d'ammonium.

$$CH_3COOH(aq)+NH_3(aq)\rightarrow CH_3COONH_4(aq)$$

Éthanoate d'ammonium. commons.wikimedia.org

Réactions des acides carboxyliques avec l'alcool

Nous avons exploré comment les acides carboxyliques agissent comme des acides en donnant un proton en solution. Mais ils peuvent également participer à d'autres réactions, dont une connue sous le nom d'estérification.

Dans les réactions d'estérification de l'acide carboxylique, nous combinons un acide carboxylique (RCOOH) avec un alcool (R'OH) pour produire un ester (RCOOR') et de l 'eau (_H2O). Nous utilisons un catalyseur acide (généralement acide sulfurique) et chauffons la solution. Voici l'équation générale :

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

La structure générale d'un ester. R vient de l'acide carboxylique tandis que R' vient de l'alcool utilisé pour former l'ester. Originaux StudySmarter

Note que l'estérification est uneréaction réversible . Cela signifie que la réaction en avant et la réaction en arrière se produisent en même temps dans un état d'équilibre dynamique.

Découvrons maintenant comment produire des esters à partir d'acides carboxyliques à petite et à grande échelle.

Production d'esters à petite échelle

Pour fabriquer des esters à petite échelle, utilise un bain-marie pour chauffer doucement 10 gouttes d'un acide carboxylique dans un tube à essai avec 10 gouttes d'un alcool et 2 gouttes d'un catalyseur acide, comme l'acide sulfurique. Tu ne ferais pas cela directement au-dessus d'une flamme nue parce que les liquides organiques utilisés sont hautement inflammables.

Comme cette réaction est réversible, tu ne produiras qu'une toute petite quantité d'ester. Pour le sentir, verse la solution dans un bécher d'eau. Les esters à longue chaîne sont insolubles et forment donc une couche à la surface de l'eau, tandis que l'acide et l'alcool qui n'ont pas réagi se dissolvent facilement. Si tu fais passer l'air au-dessus du bécher, tu devrais pouvoir sentir l'odeur de l'ester. Alors que les esters à chaîne courte tels que l'éthanoate de méthyle, communément appelé acétate de méthyle, sentent les solvants ou la colle, les esters à chaîne plus longue ont une odeur fruitée et aromatique.

Les esters sont nommés en fonction des alcools et des acides carboxyliques dont ils sont issus. Le nom dérivé de l'alcool vient en premier, suivi du nom dérivé de l'acide carboxylique. Tous les esters se terminent par le suffixe -oate.

Essayons d'écrire une équation. Par exemple, la réaction de l'acide éthanoïque(_CH3COOH) avec le butanol (_C4H9OH) produit l'éthanoate de butyle(_CH3COOC4H9), qui sent la framboise.

$$CH_3COOH+C_4H_9OH\rightleftharpoons CH_3COOC_4H_9+H_2O$$

La réaction d'estérification qui produit l'éthanoate de butyle. Nous avons codé en couleur les parties des molécules pour que tu puisses voir d'où viennent le nom et la structure de l'ester.StudySmarter Originals

Production d'esters à grande échelle

Les esters peuvent également être produits à grande échelle. La méthode utilisée dépend du type d'ester que tu veux créer.

Pour fabriquer des esters à chaîne courte comme l'éthanoate d'éthyle (_CH3COOC2H5), il faut chauffer de l'éthanol et de l'acide éthanoïque avec un catalyseur acide fort et concentré et distiller le produit, qui est l'ester. L'ester a le point d'ébullition le plus bas de toutes les substances impliquées parce qu'il ne peut pas former de liaisons hydrogène avec lui-même, contrairement aux alcools et aux acides carboxyliques. La distillation de l'ester formé déplace également l'équilibre vers la droite, ce qui augmente le rendement de la réaction.

Si nous voulons fabriquer des esters à chaîne plus longue, nous devons utiliser le reflux, comme lorsque nous avons fabriqué des acides carboxyliques plus tôt dans cet article. Le reflux consiste à chauffer un mélange réactionnel dans un récipient fermé. Cela signifie que tous les composants volatils qui s'évaporent se condensent et retombent dans le mélange réactionnel, ce qui les empêche de s'évaporer avant de pouvoir réagir. Les produits peuvent ensuite être séparés par distillation fractionnée.

Réactions des acides carboxyliques et de leurs dérivés

Les acides carboxyliques contiennent le groupe hydroxyle (-OH). Ce n'est pas un bon groupe partant et cela signifie que les acides carboxyliques ne sont pas très réactifs. Cependant, nous pouvons les rendre plus réactifs en remplaçant le groupe -OH par un autre groupe fonctionnel plus réactif, tel que -Cl. Ces nouvelles molécules sont appelées des dérivés d'acide.

Les chlorures d'acyle sont un type de dérivé d'acide. Comme dans l'exemple ci-dessus, les chlorures d'acyle échangent le groupe hydroxyle d'un acide carboxylique contre un atome de chlore. Pour fabriquer des chlorures d'acyle, on fait réagir des acides carboxyliques avec du chlorure de phosphore(V) (_PCl5), du chlorure de phosphore(III) (_PCl3 ) ou de l'oxyde de dichlorure de soufre (_SOCl2). La réaction avec le PCl3_{nécessite de} la chaleur, tandis que les réactions avec le _PCl5 et le _SOCl2 ne requièrent pas de conditions particulières. Elles aboutissent toutes à des produits différents. Par exemple :

$$CH_3COOH+PCl_5\rightarrow CH_3COCl+POCl_3+HCl$$$.

$$3CH_3COOH+PCl_3\rightarrow 3CH_3COCl+H_3PO_3$$

$$CH_3COOH+SOCl_2\arrow CH_3COCl+SO_2+HCl$$$

Les dérivés d'acides tels que les chlorures d'acyle réagissent fréquemment dans des réactions d'addition-élimination nucléophiles. Ces réactions peuvent former toute une série de produits, tels que des esters, des amides et même des acides carboxyliques !

Autres réactions des acides carboxyliques

Il existe quelques autres réactions impliquant des acides carboxyliques que tu pourrais vouloir connaître. Il s'agit notamment de :

• La réduction.
• La décarboxylation.
• L'oxydation.

Réduction

Tu te souviens que l'oxydation d'un alcool primaire produit un acide carboxylique ? Eh bien, nous pouvons inverser la réaction et aller dans l'autre sens à la place - la réduction d'un acide carboxylique forme un alcool primaire. Cette réaction utilise un agent réducteur tel que l'hydrure de lithium et d'aluminium(_LiAlH4). La réduction produit d'abord un sel d'aluminium, mais si tu le traites avec de l'acide sulfurique dilué, il se transformera en alcool. La réaction s'effectue à température ambiante dans une solution d'éther diéthylique sec ((_CH3CH2)_2O).

La réaction globale est la suivante :

$$RCOOH+4[H]\rightarrow RCH_2OH+H_2O$$$.

Par exemple, la réduction de l'acide éthanoïque donne de l'éthanol :

$$CH_3COOH+4[H]\rightarrow CH_3CH_2OH+H_2O$$

Décarboxylation

Les acides carboxyliques réagissent dans des réactions de décarboxylation. Ici, le groupe -COOH d'un acide carboxylique est enlevé et remplacé par un atome d'hydrogène. On obtient ainsi un alcane et du dioxyde de carbone. Pour ce faire, on chauffe l'acide carboxylique avec de la chaux sodée, qui est un mélange d'hydroxyde de sodium, d'oxyde de calcium et d'hydroxyde de calcium. Voici l'équation générale :

$$RCOOH\rightarrow RH+CO_2$$$

Par exemple, la décarboxylation de l'acide éthanoïque produit l'alcane méthane :

$$CH_3COOH\rightarrow CH_4+CO_2$$$.

Oxydation

Plus tôt dans cet article, nous avons exploré la façon dont les acides carboxyliques sont produits par l'oxydation des alcools (ROH). Nous produisons d'abord un aldéhyde (RCHO) qui est ensuite oxydé en acide carboxylique (RCOOH). Mais pour certains acides carboxyliques particuliers, la réaction ne s'arrête pas là. Deux acides carboxyliques qui peuvent être oxydés sont l'acide méthanoïque (HCOOH) et l'acide éthanedioïque ((COOH)₂).

L'acide méthanoïque peut être oxydé en dioxyde de carbone et en eau à l'aide d'un agent oxydant doux, comme la solution de Fehling ou le réactif de Tollens, ou d'un agent oxydant plus puissant, comme le manganate de potassium acidifié ou le bichromate de potassium acidifié. Voici l'équation :

$$HCOOH+[O]\rightarrow CO_2+H_2O$$$.

L'acide éthanedioïque peut également être oxydé en dioxyde de carbone et en eau. Cependant, note deux choses :

• L'acide éthanedioïque est un acide dicarboxylique, ce qui signifie qu'il possède deux groupes fonctionnels carboxyle. Une mole d'acide éthanedioïque a besoin de deux moles d'agent oxydant pour l'oxyder complètement.
• L'acide éthanedioïque ne peut être oxydé que par des agents oxydants forts tels que le manganate de potassium acidifié ou le bichromate de potassium acidifié. Les agents oxydants faibles, comme la solution de Fehling ou le réactif de Tollens, n'ont aucun effet.

Voici l'équation :

$$(COOH)_2+2[O]\rightarrow 2CO_2+2H_2O$$