Fiche explicative de la leçon: Propriétés des acides carboxyliques Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier et à nommer les acides carboxyliques, et à décrire leurs propriétés physiques.

Les acides carboxyliques sont des molécules organiques qui contiennent au moins un atome de carbone qui est à la fois doublement lié à un atome d’oxygène () et simplement lié à un groupe hydroxyle (). Cette affirmation pourrait être reformulée pour dire que les acides carboxyliques sont des molécules qui contiennent au moins un groupe fonctionnel carboxyle (). La structure générale d’un acide carboxylique est indiquée ci-dessous.

Un acide carboxylique est dit monobasique s’il contient un seul groupe carboxyle. La formule générale d’un acide carboxylique monobasique est . Les acides carboxyliques monobasiques courants comprennent l’acide formique, l’acide acétique et l’acide butyrique.

Les acides carboxyliques dibasiques contiennent deux fonctions carboxyliques. L’acide oxalique est un acide carboxylique dibasique relativement commun qui se trouve dans les plantes à feuilles vertes comme les épinards. L’acide succinique est un autre acide carboxylique dibasique courant, présent dans les tissus végétaux et animaux.

L’acide citrique est un acide carboxylique à six atomes de carbone que l’on trouve dans les agrumes. On peut l’appeler acide carboxylique polybasique parce qu’il contient trois groupes carboxyle. Toutes les molécules d’acide polybasique contiennent au moins deux groupes carboxyle, et chaque molécule polybasique peut libérer au moins deux protons () en solution. Certains acides carboxyliques polybasiques ne libéreront que deux protons en solution, tandis que d’autres libéreront plusieurs protons en solution.

Jusqu’à présent, nous avons utilisé uniquement des noms d’usage pour décrire et mentionner les acides carboxyliques. Les noms d’usage tendent à décrire comment les acides carboxyliques ont été découverts et préparés à l’origine. L’acide formique provenait à l’origine de fourmis (Formica), et l’acide palmitique provenait à l’origine de l’huile de palme.

Les acides carboxyliques peuvent également être nommés selon un système d’appellation plus systématique. On peut leur attribuer un nom à l’aide du système de classification IUPAC (Union internationale de chimie pure et appliquée).

Rappelons que nommer des alcanes en utilisant le système IUPAC consiste à déterminer d’abord l’enchaînement de carbone le plus long à l’intérieur de la molécule. Cette région de chaîne carbonée la plus longue est parfois appelée chaîne principale. Les substituants se voient alors attribuer un numéro qui indique à quelle partie de la chaîne principale ils sont liés.

Le même principe s’applique à la dénomination des acides carboxyliques selon la nomenclature IUPAC, sauf que la terminaison « e » du nom de l’alcane sera remplacée par « oïque » et que la numérotation de la plus longue chaîne carbonée consiste toujours à identifier le carbone du carbonyle () comme le carbone C-1.

Par exemple, le nom IUPAC de l’alcane avec deux atomes de carbone est l’éthane, de sorte que le nom IUPAC de l’acide carboxylique avec deux atomes de carbone est acide éthanoïque. La structure et le schéma de numérotation pour l’éthane et l’acide éthanoïque sont présentés ci-dessous.

Le tableau ci-dessous indique la structure et le nom de certains acides carboxyliques courants. Vous remarquerez que les racines des termes indiquent combien d’ atomes de carbone sont contenus dans la région de la chaîne principale. La racine éthan- indique que la molécule comprend deux atomes de carbone dans la chaîne principale, et les racines propan- et butan- indiquent que les molécules comprennent respectivement trois et quatre atomes de carbone dans la chaîne principale. Tous les noms de molécules sont terminés par le suffixe -oïque de l’acide pour montrer qu’il y a un groupe fonctionnel carboxyle à l’atome de carbone C-1.

Il est important de réaliser ici que les racines propan- et butan- indiquent également que la chaîne principale comporte des liaisons carbone-carbone simples. Nous devons utiliser des racines légèrement différentes si nous voulons indiquer que la partie de la chaîne principale contient au moins une double liaison carbone-carbone. Nous devons utiliser des racines tirées des noms de molécules d’alcènes tels que les racines propèn- ou butèn-. Le tableau montre comment la racine propèn- est utilisée avec le suffixe -oïque pour montrer que la chaîne principale d’une molécule d’acide carboxylique contient trois atomes de carbone et une double liaison carbone-carbone.

Lorsqu’un acide carboxylique comprend un cycle saturé ou insaturé, le nom IUPAC contient souvent le terme « carboxylique » après le nom IUPAC du composé cyclique. On peut comprendre cette affirmation en examinant le système dans le tableau suivant. Le système comprend un cycle benzénique qui a comme seul substituant un groupe carboxyle. Le nom systématique IUPAC de cette molécule est acide benzène-carboxylique. La racine benzène- indique que la molécule comprend un cycle benzénique insaturé, et le suffixe -carboxylique indique que le cycle comporte un seul groupe fonctionnel carboxyle. Cependant, nous aurons tendance à appeler cette molécule l’acide benzoïque plus que l’acide benzène-carboxylique. L’acide benzoïque est son nom IUPAC préféré, et les noms IUPAC préférés sont utilisés plus souvent que les noms IUPAC systématiques.

Lorsque l’on nomme des acides carboxyliques ramifiés ou ceux comportant d’autres substituants, la position du substituant est indiquée par un numéro qui correspond à l’atome de carbone, de l’enchaînement d’atomes de carbone, le plus long sur lequel le substituant réside.

Exemple 2: Identifier la structure de la molécule d’acide 3-méthylbutanoïque

Considérez les molécules suivantes : 

Laquelle de ces molécules porte le nom d’acide 3-méthylbutanoïque ? 

Réponse

Le nom de l’acide 3-méthylbutanoïque contient la racine butan- et le suffixe -oïque. La racine butan- indique que la plus longue chaîne carbonée contient quatre atomes de carbone. Cela exclut les molécules B, C, E et F, car elles ne contiennent pas de chaînes principales qui sont longues de quatre atomes de carbone.

Le préfixe 3-méthyl indique que la molécule possède un groupe méthyle () sur l’atome de carbone C-3. L’atome de carbone C-3 sera l’atome de carbone qui est séparé du groupe par un groupe méthylène (). Cette affirmation exclut le système D.

L’option (A) est la seule molécule qui contient un groupe carboxyle, une chaîne principale avec quatre atomes de carbone et un groupe méthyle sur l’atome de carbone C-3. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que l’option (A) est la bonne réponse à cette question.

Les paragraphes précédents ont discuté de la façon dont le terme acide benzoïque est habituellement utilisé pour ce qu’on appelle à juste titre l’acide benzène-carboxylique. Il y a d’autres acides carboxyliques aromatiques dont les noms d’usage ne correspondent pas à leurs noms systématiques IUPAC. La figure suivante montre les noms d’usage de trois autres acides carboxyliques aromatiques ayant un statut spécial.

Les acides carboxyliques peuvent être préparés par oxydation d’un alcool primaire ou d’un aldéhyde. L’oxydation est souvent effectuée en utilisant l’un des sels de chromate solides suivants en présence d’acide sulfurique aqueux () : le chromate de potassium (), le dichromate de potassium (), le chromate de sodium (), ou le dichromate de sodium ().

L’utilisation de l’un des sels de chromate et d’un acide aqueux génère de l’acide chromique () en solution, qui est le véritable agent oxydant. La réaction générique en deux étapes de préparation d’un acide carboxylique à partir de son alcool primaire correspondant est indiquée ci-dessous.

Réaction : Préparation d’acides carboxyliques

Les chimistes peuvent faire de l’acide acétique à partir d’éthanol. Ils peuvent oxyder l’éthanol pour faire de l’acétaldéhyde, puis ils peuvent oxyder l’acétaldéhyde pour faire de l’acide acétique. L’acide acétique peut également être produit par un processus différent de réaction en deux étapes. Les chimistes peuvent d’abord faire de l’acétaldéhyde par l’hydratation catalytique de l’acétylène. Ils peuvent ensuite oxyder les molécules d’acétaldéhyde obtenues pour former un produit d’acide acétique souhaité. Ces informations sont résumées dans la figure suivante.

Certains chimistes égyptiens utilisent des bactéries spéciales pour oxyder les molécules d’éthanol et les transformer en acide acétique. Ce processus est parfois appelé acétification. La vitesse des réactions d’acétification dépend de la concentration gazeuse en molécules d’oxygène.

La préparation de l’acide benzoïque consiste à oxyder le toluène (méthylbenzène) en présence d’un catalyseur au vanadium, tel que .

L’équation suivante montre un exemple spécifique de ce processus de réaction générique. L’équation montre comment un catalyseur de pentoxyde de vanadium peut être utilisé pour transformer le toluène en acide benzoïque.

Nous pouvons tester la présence d’acides (y compris les acides carboxyliques) en utilisant différents réactifs. Nous pourrions utiliser du papier tournesol pour vérifier la présence d’un acide carboxylique, car les acides carboxyliques peuvent changer la couleur du papier tournesol en rouge. On peut aussi utiliser des hydrogénocarbonates, ou d’autres types de carbonates, pour déterminer si un acide carboxylique est présent dans une solution. Les acides carboxyliques produisent de l’eau, un sel et du dioxyde de carbone lorsqu’ils réagissent avec l’hydrogénocarbonate ou avec d’autres composés de carbonate. Voici un exemple de test de réactif réalisé avec de l’acide acétique.

Maintenant que nous avons discuté de la façon d’identifier, de nommer et de préparer des acides carboxyliques, examinons les propriétés de cette classe de composés organiques en ce qui concerne l’acidité, le point d’ébullition et la solubilité.

Rappelons que la force d’un acide est directement liée à la stabilité de sa base conjuguée. Plus la base conjuguée est stable, plus l’acide est fort, et inversement.

Les acides carboxyliques ont tendance à être plus acides que les alcools correspondants, car les ions carboxylates sont généralement plus stables que les ions alcoolates. La figure suivante montre la structure de l’ion éthanoate qui se forme lorsqu’une molécule d’acide éthanoïque perd un seul ion hydrogène.

Vous remarquerez que la charge négative est effectivement partagée entre deux atomes d’oxygène. Les électrons sont délocalisés et dispersés sur le carboxylate () chargé négativement. L’ion éthanoate est très stable car il présente une résonance et sa charge négative est répartie à travers ses deux liaisons carbone-oxygène.

La figure suivante compare la structure de l’ion éthanolate, qui se forme lorsqu’une molécule d’éthanol perd un seul ion hydrogène.

La structure est instable et elle ne présente pas de résonance. La charge négative est bloquée effectivement sur un seul atome d’oxygène, car elle ne peut pas se délocaliser sur les liaisons carbone-hydrogène adjacentes. On peut généralement supposer que n’importe quel acide carboxylique est plus acide que son alcool correspondant parce que l’acide carboxylique peut former un ion carboxylate et que les ions carboxylates ont une résonance. Il est toutefois impératif de préciser que les acides carboxyliques ont un pH plus élevé que les acides minéraux. Les acides minéraux sont des acides forts et ils peuvent se dissocier complètement en solution. Les acides carboxyliques sont des acides faibles et ne se dissocient que partiellement en solution.

Il est également important de mentionner que les acides carboxyliques aromatiques ont tendance à être plus acides que les acides carboxyliques aliphatiques. Les acides carboxyliques aromatiques ont une force relativement élevée car leur groupe est relié à un système cyclique d’atomes de carbone d’hybridation . Le cycle insaturé stabilise les ions carboxylates plus efficacement que les groupes alkyles.

Les forces intermoléculaires sont des interactions d’attraction ou de répulsion entre des molécules voisines ou des atomes non liés. Les forces intermoléculaires sont les ponts entre les molécules, et elles déterminent à quel point une substance est soluble dans une autre. La figure suivante montre les ponts entre les molécules d’eau et les molécules d’éthanol ou les molécules d’acide éthanoïque.

Vous remarquerez que l’éthanol et l’acide éthanoïque contiennent tous les deux le même nombre d’atomes de carbone et un seul groupe fonctionnel . Les molécules d’éthanol et d’acide éthanoïque peuvent toutes deux former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau adjacentes.

Les molécules d’acide éthanoïque et d’éthanol peuvent se dissoudre dans l’eau car elles peuvent former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau polaires. Il est important de noter, cependant, que les molécules d’acide carboxylique et d’alcool ne sont pas toutes solubles dans l’eau. Les petites molécules d’acide carboxylique et d’alcool ont tendance à être solubles dans l’eau, mais les grandes molécules d’acide carboxylique et d’alcool ont tendance à être insolubles dans l’eau. Les acides carboxyliques et les alcools ont tendance à être solubles dans l’eau s’ils ne contiennent pas plus de quelques atomes de carbone.

Le tableau suivant compare les propriétés physiques d’alcools avec les acides carboxyliques correspondants. Le tableau montre que les acides carboxyliques et les alcools sont insolubles dans l’eau s’ils contiennent un nombre élevé d’atomes de carbone. Il montre également que les valeurs de solubilité dans l’eau sont semblables pour les molécules d’acide carboxylique et d’alcool si elles ont le même nombre d’atomes de carbone

On pourrait supposer que les alcools et les acides carboxyliques correspondants ont des points d’ébullition semblables, car ils peuvent tous deux former des liaisons hydrogène.

Cependant, lorsque deux molécules d’acide carboxylique possèdent une liaison hydrogène entre l’hydrogène d’une molécule d’acide carboxylique et l’oxygène du carbonyle d’une autre molécule d’acide carboxylique, cela aligne les autres sections des deux molécules pour former une deuxième liaison hydrogène entre elles. Cela crée un dimère, comme indiqué sur l’image ci-dessous.

La formation de dimères parmi les molécules d’acides carboxyliques renforce les forces de dispersion de London dans la solution et, par conséquent, augmente les points d’ébullition des acides carboxyliques par rapport à leur alcool correspondant. C’est pourquoi le point d’ébullition de l’acide acétique () est beaucoup plus élevé que le point d’ébullition de l’éthanol ().

Le point d’ébullition d’une molécule d’acide carboxylique dépend de sa taille. Les grandes molécules d’acide carboxylique ont tendance à avoir des points d’ébullition élevés car elles sont longues et elles génèrent des forces de dispersion de London relativement intenses. Les petites molécules d’acide carboxylique ont tendance à avoir des points d’ébullition plus bas car elles sont petites et elles génèrent des forces de dispersion de London plus faibles.

Les acides carboxyliques ont beaucoup de propriétés intéressantes et ils ont tendance à être utilisés partout dans le monde. Les entreprises chimiques utilisent des acides carboxyliques pour fabriquer les substances désirées, et les animaux utilisent parfois des acides carboxyliques pour les aider à survivre et à faire face aux prédateurs. Les acides carboxyliques sont également produits comme déchets lors de différents processus biologiques.

Les fourmis rouges utilisent l’acide formique pour conjurer les prédateurs et pour protéger leur territoire. Elles mordent les animaux importuns avec leur mandibule, puis elles utilisent leur dard pour leur injecter de l’acide formique. Les entreprises chimiques utilisent l’acide formique pour fabriquer des liquides et des solides du commerce. L’acide formique est souvent utilisé pour fabriquer des colorants et des matières plastiques. Il est également utilisé pour fabriquer des parfums, des médicaments et même des insecticides.

L’acide acétique est un acide corrosif et piquant qui est utilisé pour fabriquer des substances à la fois comestibles et non comestibles. Son application dépend de sa concentration. L’acide acétique pur est communément appelé acide acétique glacial. L’acide acétique glacial est utilisé comme matière première chimique pour fabriquer des colorants, des insecticides et des produits en soie synthétique. L’acide acétique a tendance à être appelé vinaigre quand il a une concentration inférieure à 4 % et qu’il est mélangé avec une grande quantité d’eau. Le vinaigre est utilisé pour fabriquer des plats au goût aigre et des vinaigrettes acidulées.

L’acide lactique a la formule chimique et une masse molaire de 90,08 g/mol. La structure de l’acide lactique est représentée sur la figure suivante. L’acide lactique est présent dans le lait aigre, car il est produit par certaines bactéries qui fermentent les sucres du lactose. L’acide lactique est également généré dans le corps humain lors d’un exercice physique intense.

L’acide ascorbique est communément appelé vitamine C. L’acide ascorbique ne contient pas un groupe fonctionnel carboxyle typique. Son oxygène doublement lié () et ses groupes hydroxyle () ne sont pas liés au même atome de carbone. L’oxygène doublement lié est lié à un atome de carbone et le groupe hydroxyle est lié à l’atome de carbone adjacent. La vitamine C se trouve dans les agrumes et dans la plupart des légumes. Une consommation insuffisante de vitamine C peut provoquer une gingivite et d’autres problèmes de santé tels que le scorbut.

L’acide benzoïque est la molécule d’acide carboxylique la plus simple qui contient un cycle benzénique. L’acide benzoïque se trouve dans différents types de plantes et il est utilisé pour produire du plastique, des colorants, des produits cosmétiques et des insectifuges. Le composé benzoate de sodium, étroitement apparenté, est fréquemment ajouté aux produits alimentaires, car il peut empêcher la croissance de champignons.

L’acide salicylique est une autre molécule d’acide carboxylique qui contient un cycle benzénique. La figure suivante compare la structure de l’acide salicylique avec la structure de l’acide benzoïque. L’acide salicylique est un ingrédient actif de différents médicaments contre l’acné en vente libre, et son dérivé ester est plus connu sous le nom d’aspirine. Le composé est fréquemment utilisé pour fabriquer des produits cosmétiques, car il peut rendre la peau humaine plus douce et plus souple.

L’acide citrique est un acide faible que l’on trouve dans la plupart des agrumes. La molécule a la formule chimique et elle peut constituer jusqu’à 8 % du poids sec des citrons et des limes. L’acide citrique est connu pour empêcher la croissance de bactéries dans les aliments. L’acide citrique est parfois ajouté aux fruits congelés pour les aider à conserver leur couleur et leur goût.

Les acides aminés sont des composés biologiques qui contiennent un groupe carboxyle à une extrémité et un groupement amine () à l’autre extrémité. L’importance des acides aminés ne peut être surestimée. Ils sont utilisés pour fabriquer les protéines, et les protéines rendent la vie possible. La glycine est l’acide aminé le plus simple. Elle a la formule chimique et sa structure est illustrée dans la figure suivante. La figure montre également la structure générale d’un acide aminé car il existe vingt types différents d’acides aminés que l’on trouve dans les protéines naturelles.

Tous les composés d’acide carboxylique mentionnés ci-dessus, à l’exception de l’acide citrique, peuvent être classés comme étant des acides carboxyliques monobasiques car ils contiennent tous un groupe carboxyle.

Résumons ce qui a été appris dans cette fiche explicative.