Fiche explicative de la leçon: Réactions des acides carboxyliques Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire différentes réactions des acides carboxyliques et prédire les produits formés.

Nous verrons comment l’acidité des acides carboxyliques se manifeste lors des réactions de ceux-ci avec les métaux, les carbonates et les hydrogénocarbonates. Nous verrons aussi comment on les transforme en esters, en les faisant réagir avec des alcools, et comment on les transforme en alcools par le biais de réactions avec des agents réducteurs.

Un acide carboxylique est un type de produit chimique. Les acides carboxyliques contiennent la fonction carboxyle : 

Voici les réactions que nous allons examiner.

Les acides carboxyliques sont des acides faibles. L’acide éthanoïque, contenu dans le vinaigre, est un acide carboxylique : 

Les acides carboxyliques peuvent réagir avec les métaux qui sont plus réactifs que l’hydrogène. Nous nous aiderons de la série de réactivité ; les métaux au-dessus de l’hydrogène dans la série de réactivité sont en mesure de réagir avec les acides carboxyliques.

Voici l’équation générale d’un métal réactif réagissant avec un acide : 

Pour la réaction d’un métal réactif avec un acide carboxylique, le sel produit est un carboxylate métallique.

Par exemple,

Pour confirmer que le gaz produit lors de cette réaction est l’hydrogène, on peut effectuer le test de l’allumette : après avoir transféré le gaz dans un tube à essai, on place une allumette allumée à l’entrée du tube. Si le gaz est de l’hydrogène, il se produit une détonation caractéristique.

Les acides peuvent également réagir avec les oxydes métalliques selon l'équation générale

Lorsqu'un oxyde métallique réagit avec un acide carboxylique, il se forme un sel carboxylate métallique.

Par exemple,

Étant de nature acide, les acides carboxyliques réagissent avec les hydroxydes métalliques dans une réaction acide-base pour produire du sel et de l'eau. Le sel produit est un sel de carboxylate métallique.

La réaction de l'hydroxyde de sodium avec l'acide propanoïque est

Les carbonates sont des substances qui contiennent des ions carbonate ().

De nombreux carbonates métalliques réagissent avec les acides : 

Lorsqu’un carbonate métallique réagit avec un acide carboxylique, le sel formé est un carboxylate métallique.

Par exemple, l’un des carbonates les plus connus est le carbonate de calcium (le composant principal du calcaire).

Voici la réaction du carbonate de calcium avec l’acide éthanoïque en solution aqueuse : 

Les hydrogénocarbonates sont des substances qui contiennent des ions hydrogénocarbonate ().

De nombreux hydrogénocarbonates métalliques réagissent avec les acides : 

La réaction d’un hydrogénocarbonate métallique avec un acide carboxylique donne les mêmes produits que la réaction d’un carbonate métallique avec un acide carboxylique ; cependant, les proportions des réactifs et des produits sont différentes.

Lorsqu’un hydrogénocarbonate métallique réagit avec un acide carboxylique, le sel formé est un carboxylate métallique.

Par exemple, voici la réaction de l’hydrogénocarbonate de sodium avec l’acide éthanoïque aqueux : 

La réaction avec des carbonates ou des hydrogénocarbonates est un moyen de tester la présence d'acides carboxyliques. Ce test est dit test d'acidité. La production de dioxyde de carbone, souvent observée sous forme d'effervescence, peut être utilisée pour identifier un acide carboxylique.

Les esters sont similaires aux acides carboxyliques, sauf qu’ils ont un groupe alkyle à la place de l’hydrogène.

L’estérification est souvent réalisée en faisant réagir l’acide carboxylique avec un alcool en présence d’un catalyseur acide. Ce type spécifique d'estérification est appelé estérification de Fischer. Il existe plusieurs autres types de réactions d'estérification, mais nous nous concentrerons ici sur l'estérification de Fischer.

Réaction : Estérification d’un acide carboxylique avec un alcool en présence d’un catalyseur acide

Cette réaction est réversible, donc un excès d’alcool ou d’acide carboxylique peut être utilisé pour augmenter le rendement à l’équilibre. Vous avez peut-être remarqué que cette réaction est l’inverse de l’hydrolyse d’un ester catalysée par un acide. En changeant les conditions, on peut déplacer l’équilibre vers la droite ou vers la gauche, pour donner plus ou moins d’ester.

Si on veut synthétiser l’éthanoate d’éthyle, on peut chauffer un mélange d’éthanol et d’acide éthanoïque en présence d’acide sulfurique concentré. On peut améliorer le rendement en distillant l’éthanoate d’éthyle au fur et à mesure de sa production ; l’éthanoate d’éthyle a un point d’ébullition de , qui est inférieur à celui de l’éthanol (), de l’acide éthanoïque (), de l’eau () et de l’acide sulfurique (). Cependant, le distillat contiendrait toujours une forte proportion d’éthanol sans autre purification.

La réaction de l'acide propanoïque avec l'éthanol est

Là encore, les produits de cette réaction sont un ester et de l'eau. L'ester produit est appelé propanoate d'éthyle.

Des réactions d'estérification de Fischer se produisent également entre des acides carboxyliques cycliques et des alcools. Prenons l'exemple de la réaction entre l'acide cyclohexanecarboxylique et le méthanol. Même si l'acide carboxylique est attaché à un hydrocarbure cyclique, la réaction se déroule de la manière habituelle pour donner l'ester correspondant et de l'eau. La réaction est illustrée ci-dessous : 

L'estérification fournit également un autre moyen de tester la présence d'acides carboxyliques. Dans le test d'estérification, on ajoute de l'éthanol à un échantillon avec quelques gouttes d'acide sulfurique. Le mélange obtenu est ensuite chauffé doucement. Si l'échantillon contient un acide carboxylique, une réaction d'estérification se produit et un ester se forme. Comme de nombreux esters ont une odeur douce, souvent florale ou fruitée, si le mélange a une odeur douce lorsqu'il est chauffé, cela signifie que l'échantillon d'origine contenait probablement un acide carboxylique.

Le dernier type de réaction que nous examinerons ici est la réduction. Dans un groupe carboxyle, on peut considérer que l’atome de carbone a un nombre d’oxydation de +3. Un groupe carboxyle peut être réduit pour former un aldéhyde et réduit de nouveau pour former un alcool primaire (alcool ).

Le schéma ci-dessous montre le nombre d’oxydation du carbone central dans un acide carboxylique, un aldéhyde et un alcool primaire : 

Cette réduction peut être effectuée à l’aide de divers agents réducteurs, tels que

• l’hydrure de lithium et d’aluminium ()
• l’hydrogène, avec des catalyseurs d’hydrogénation tels que le chromite de cuivre.

Il existe des méthodes pour arrêter l’oxydation au stade de l’aldéhyde ; cependant, nous ne verrons ici que la réduction totale en alcool.

De manière générale, il se produit deux réactions successives comme représenté ci-dessous.

La réaction globale est la suivante.

Réaction : Réduction totale d’un acide carboxylique en un alcool primaire

Regardons un exemple, dans lequel l’hydrogène () est le réducteur et le chromite de cuivre est le catalyseur : 

Le chromite de cuivre () peut former , qui est le catalyseur actif. Cela permet à l’hydrogène de réduire l’acide carboxylique à une vitesse raisonnable. On peut également utiliser le chromate de cuivre ().

De même, on peut envisager la réduction de l'acide propanoïque en utilisant , en présence d'acide sulfurique. La réaction complète est plus compliquée, mais nous pouvons montrer la réaction simplifiée : 

Là encore, la réduction produit l'alcool correspondant, dans ce cas le propanol.

Les sous-produits de la réduction des acides carboxyliques dépendront de l’agent réducteur utilisé.

Les groupes carboxyle liés à des cycles aromatiques se comportent un peu différemment des autres.

Comparons l’acide benzoïque avec l’acide cyclohexanecarboxylique. Voici leurs structures : 

L’acide benzoïque est le plus réactif des deux : 

• Comme il est plus acide, il réagit plus rapidement avec les métaux, les carbonates et les hydrogénocarbonates.
• Comme il est plus facile à estérifier, il réagit plus rapidement et donne des rendements plus élevés lorsqu’il est mis à réagir avec des alcools.

Par exemple, l’acide benzoïque peut être facilement transformé en benzoate de méthyle : 

Cependant, lorsque l’on essaie d’hydrogéner l’acide benzoïque en phénylméthanol, il y a un risque que le cycle aromatique soit hydrogéné, donc on a besoin de catalyseurs spéciaux.

Exemple 3: Déterminer la nature des réactifs et des produits de la réaction de l’acide propanoïque en présence de CuCrO₄

Dans une expérience, un échantillon d’acide propanoïque est chauffé en présence de à . Le schéma réactionnel est

1. Quel est le nom du produit B ? 
   1. Butane-1-ol
   2. Éthanol
   3. Butane-2-ol
   4. Propane-1-ol
   5. Propane-2-ol
2. Quel autre réactif est nécessaire dans le procédé ? Combien de moles sont nécessaires ? 

Réponse

Partie 1

Notre réactif est l’acide propanoïque (un acide carboxylique). Le chromate de cuivre () peut être utilisé comme catalyseur dans la réduction des acides carboxyliques.

Lorsqu’un acide carboxylique est réduit, il peut être réduit partiellement (pour former un aldéhyde) ou complètement (pour former un alcool primaire).

Dans ces conditions (catalyseur + température élevée), on s’attend à ce que la réduction soit complète.

Par conséquent, le produit inconnu est le propane-1-ol, et la réponse est D.

Partie 2

La réaction de réduction indiquée ci-dessus a de l’eau dans ses produits. La formule chimique de l’acide propanoïque est et la formule chimique du propan-1-ol est .

Écrivons la réaction globale : 

L’équation est déjà équilibrée en termes de carbone et d’oxygène, mais pas en termes d’hydrogène. Il y a 6 hydrogènes à gauche et 10 à droite.

Cela signifie que A doit fournir les hydrogènes restants. Étant donné que l’hydrogène serait probablement présent sous forme de molécules d’hydrogène (), il faudrait deux molécules d’hydrogène par molécule d’acide propanoïque pour effectuer la réduction : 

Une réduction effectuée à l’aide d’hydrogène est une hydrogénation.

Points clés

• Les acides carboxyliques sont des acides faibles qui peuvent réagir avec les métaux, les carbonates métalliques et les hydrogénocarbonates métalliques : 
• Ils peuvent réagir avec les alcools pour produire des esters : 
  L’estérification d’un acide carboxylique avec un alcool en présence d’un catalyseur acide est représentée ci-dessous : 

  

• La réaction avec les carbonates (test d'acidité) et l'estérification de Fischer peuvent être utilisées comme moyens de tester la présence d'acide carboxylique.
• Ils peuvent être réduits pour former des aldéhydes et des alcools primaires : 

  

  

• Les acides carboxyliques aromatiques sont plus acides que les acides carboxyliques aliphatiques, donc ils réagissent plus rapidement avec les métaux, les carbonates et les hydrogénocarbonates, et ils sont plus faciles à estérifier.