Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire plusieurs réactions mettant en jeu les acides carboxyliques et à prédire quels produits se forment. Nous nous concentrerons sur les réactions acide-base, l’estérification et la réduction.
Les acides carboxyliques sont des composés contenant un groupe carboxyle. Un groupe carboxyle, noté COOH dans une formule condensée, consiste en un groupe carbonyle, soit une double liaison carbone oxygène, et un groupe hydroxy. Les acides carboxyliques sont des acides faibles en raison de l’effet de résonance, expliqué plus en détail dans une autre vidéo. Cela signifie que le proton du groupe carboxyle peut être donné à une base lors d’une réaction acido-basique. Il existe plusieurs réactions acides-bases impliquant des acides carboxyliques que nous allons voir dans cette vidéo.
La première réaction implique les hydroxydes de métaux. Lorsque des acides carboxyliques sont mélangés à des hydroxydes de métaux comme l’hydroxyde de sodium, une réaction de neutralisation se produit, formant un sel et de l’eau. Le sel spécifique produit par cette réaction est un carboxylate de métal. Les acides carboxyliques réagissent également avec les carbonates métalliques pour produire un sel, du gaz carbonique et de l’eau. Voici une autre façon d’écrire la réaction entre l’acide acétique et le carbonate de sodium à l’aide des formules condensées et des symboles d’état.
Les bicarbonates de métal, ou les hydrogénocarbonates de métal, réagissent également avec les acides carboxyliques pour former un sel, du gaz carbonique et de l’eau. Cette réaction peut être utilisée pour vérifier si une substance organique contient un acide carboxylique. Lorsque du bicarbonate de sodium est ajouté à un acide carboxylique, une réaction au cours de laquelle du dioxyde de carbone est formé se produit. L’effervescence ou les bulles visibles lors de la réaction d’un échantillon avec du bicarbonate de sodium indiquent que l’échantillon contient un acide carboxylique. Comme les acides minéraux, les acides carboxyliques peuvent réagir avec certains métaux. Cette réaction produit un carboxylate de métal et de l’hydrogène gazeux. La série de réactivité peut être utilisée pour déterminer quels métaux réagissent avec les acides carboxyliques.
La liste présentée ici est un sous-ensemble de la série de réactivité. Dans cette liste, tout métal plus réactif que l’hydrogène devrait réagir avec un acide carboxylique. Cette réaction entre l’acide acétique et le magnésium métal produit de l’acétate de magnésium, un carboxylate de métal et de l’hydrogène gazeux. Nous venons de voir quatre réactions qui s’expliquent par la nature acétique des acides carboxyliques. Voyons maintenant un autre type de réaction.
L’estérification est un type de réaction chimique au cours de laquelle un ester est formé. Les esters et les acides carboxyliques sont similaires. La seule différence dans leur structure générale est l’élément relié à l’atome d’oxygène par une liaison simple. La transformation d’un acide carboxylique en un ester est un type spécifique d’estérification appelée estérification de Fischer. Dans l’estérification de Fischer, un acide carboxylique réagit avec un alcool en présence d’un catalyseur acide tel que l’acide sulfurique. Les produits de cette réaction sont un ester et de l’eau. Examinons l’estérification de Fischer de l’acide propanoïque avec de l’éthanol.
Au cours de cette réaction, le groupe hydroxy de l’acide carboxylique est remplacé par le groupe alkoxyde de l’alcool. Cette réaction forme l’ester propanoate d’éthyle et de l’eau. Les réactions d’estérification de Fischer sont en fait en équilibre avec une réaction appelée hydrolyse des esters. Les détails de l’hydrolyse des esters ne concernent pas cette vidéo. Pour déplacer l’équilibre vers la formation de l’ester, on peut utiliser l’acide carboxylique ou l’alcool en excès. En général, cette réaction est lente et effectuée par chauffage à reflux.
En plus d’être un moyen de produire des esters, les réactions d’estérification de Fischer peuvent également être utilisées pour tester la présence d’un acide carboxylique dans un échantillon. Pour effectuer ce test, on ajoute de l’éthanol et quelques gouttes d’acide sulfurique à l’échantillon à tester. Le mélange résultant est ensuite chauffé doucement. Si l’échantillon contient un acide carboxylique, une réaction d’estérification se produit, et on forme un ester. De nombreux esters ont une odeur douce, souvent florale ou fruitée. Si le mélange dégage une odeur sucrée lors du chauffage, cela signifie que l’échantillon d’origine contenait probablement un acide carboxylique.
Nous avons une dernière réaction à étudier : la réduction. Lors de la réaction de réduction d’un acide carboxylique, un agent réducteur, représenté par la lettre H majuscule entre parenthèses, réagit avec l’acide carboxylique pour produire un aldéhyde et de l’eau. L’aldéhyde produit réagit alors rapidement avec le réducteur encore présent dans le milieu réactionnel pour former un alcool primaire. Les détails exacts du déroulement de la réaction de réduction dépassent le cadre de cette vidéo.
Voici l’équation générique d’une réduction d’un acide carboxylique en un alcool primaire. Il existe plusieurs agents réducteurs et différentes conditions possibles pour réaliser cette réaction. L’hydrogène gazeux peut être utilisé comme agent réducteur en présence de chromite de cuivre, qui agit comme un catalyseur. En plus d’être définie comme une réduction, cette réaction particulière peut également être classée comme une réaction d’hydrogénation, c’est-à-dire une réaction entre l’hydrogène moléculaire et un autre composé, généralement en présence d’un catalyseur. Un autre agent réducteur commun est l’hydrure de lithium et d’aluminium. Notez que le schéma de réaction écrit ici n’est pas équilibré et n’indique que la matière de départ, les réactifs, ainsi que le principal produit organique.
Nous avons maintenant examiné les réactions acido-basiques, les estérifications et les réductions impliquant des acides carboxyliques. La réactivité de l’acide carboxylique mis en jeu dans chacune de ces réactions peut être affectée par la chaîne carbonée. Les groupes carboxyle liés à des cycles aromatiques ont une réactivité légèrement différente de ceux qui ne le sont pas. Examinons l’acide benzoïque et l’acide cyclohexanecarboxylique. L’acide benzoïque est plus acétique que l’acide cyclohexanecarboxylique. L’acide benzoïque va donc réagir plus rapidement avec les bases. En général, les acides carboxyliques aromatiques ont tendance à réagir plus rapidement que les acides carboxyliques aliphatiques en présence des métaux, des hydroxydes, des carbonates et des bicarbonates.
L’acide benzoïque est également plus facile à estérifier que l’acide cyclohexanecarboxylique, en raison de l’effet de résonance. Comme l’acide benzoïque est plus facile à estérifier, il réagira plus rapidement et avec un rendement plus élevé lorsqu’il réagit avec des alcools. Les détails exacts de l’influence de l’effet de résonance sur la vitesse et le rendement de la réaction dépassent le cadre de cette vidéo. Les acides carboxyliques aromatiques s’estérifient généralement plus rapidement avec des rendements plus élevés que les acides carboxyliques aliphatiques. Les groupes carboxyle de l’acide benzoïque et de l’acide cyclohexanecarboxylique peuvent être réduit de la même manière. Mais en présence d’hydrogène moléculaire, le cycle aromatique est hydrogéné. On peut utiliser des catalyseurs spéciaux ou un hydrure de lithium et d’aluminium pour empêcher l’hydrogénation du cycle aromatique.
Avant de résumer ce que nous avons appris sur les réactions des acides carboxyliques, répondons à quelques questions.
Lequel des esters suivants sera-t-il obtenu lors de la réaction de l’acide méthanoïque avec le méthanol ? (A) HCOOC2H5, (B) HCOOCH3, (C) CH3CH2COOCH3, (D) CH3COOCH3, (E) CH3COOC2H5.
Commençons par dessiner les structures de l’acide méthanoïque et du méthanol. Le suffixe -oïque indique que l’acide méthanoïque est un acide carboxylique. Les acides carboxyliques sont composés d’un groupe carbonyle - un atome de carbone lié à un atome d’oxygène - et d’un groupe hydroxy. Le préfixe méth- indique que cet acide carboxylique ne contient qu’un seul atome de carbone. Comme la fonction carboxyle contient déjà un atome de carbone, cela signifie que le groupe R doit être un atome d’hydrogène. Le nom méthanol contient également le préfixe méth-, indiquant que la molécule ne contient qu’un seul atome de carbone. Le suffixe -ol indique que le méthanol est un alcool et contient un groupe hydroxy.
Comme les atomes de carbone ont tendance à former quatre liaisons, complétons la structure du méthanol en ajoutant trois atomes d’hydrogène. La question nous dit que ces deux molécules réagissent pour produire un ester. Ce type de réaction est appelé estérification. Plus spécifiquement, l’estérification d’un acide carboxylique avec un alcool est appelée estérification de Fischer. Cette réaction est généralement effectuée en présence d’un catalyseur acide tel que l’acide sulfurique. Au cours de cette réaction, le groupe hydroxy de l’acide carboxylique est remplacé par le groupe alkoxyde de l’alcool. Un ester et de l’eau sont alors produits Cet ester ne contient que deux atomes de carbone.
En examinant les réponses possibles, on peut éliminer (A), (C), (D) et (E), car toutes ces formules contiennent plus de deux atomes de carbone. Pour vérifier que la réponse (B) est la bonne, écrivons la formule condensée de l’ester qui a été formé. La formule condensée est HCOOCH3. Cette formule correspond à la réponse (B). Ainsi, l’ester obtenu lorsque l’acide méthanoïque réagit avec le méthanol est HCOOCH3, réponse (B).
La réduction d’un acide carboxylique avec de l’hydrogène et un catalyseur CuCr2O4 donne le produit suivant. Quelle était la structure de l’acide carboxylique initial ?
Pour répondre à cette question, il faut comprendre qui se passe lors de la réduction d’un acide carboxylique. Un acide carboxylique contient la fonction carboxyle. Quand un acide carboxylique réagit avec un agent réducteur, représenté ici par la lettre H majuscule entre parenthèses, la fonction carboxyle est réduite en un alcool primaire et de l’eau est formée. C’est l’équation générale pour la réduction d’un acide carboxylique. Dans cette question, l’agent réducteur est l’hydrogène, généralement sous la forme d’hydrogène gazeux. Et on ajoute du chromate de cuivre en tant que catalyseur. La structure de l’alcool formé nous est donnée. Nous devons déterminer, à l’aide de ces informations, la structure de l’acide carboxylique initial.
Pour mieux comprendre, portons un autre regard sur l’équation générale. Le groupe R de l’acide carboxylique n’est pas modifié lors de la formation de l’alcool, de même que l’atome de carbone lié au groupe R. De plus, les deux molécules portent un groupe hydroxy à la même position. Ainsi, cette partie de l’acide carboxylique et de l’alcool, représentée ici en rose, est la même dans les deux molécules. La différence entre les deux structures est que l’atome d’oxygène double-lié de l’acide carboxylique est remplacé par deux atomes d’hydrogène pour former l’alcool. Ce n’est pas exactement ce qui se passe pendant la réaction, mais permet de visualiser comment on passe d’une molécule à l’autre.
Examinons maintenant l’alcool évoqué dans la question. On sait que l’alcool et l’acide carboxylique initial portent tous deux un groupe hydroxy lié à un atome de carbone lié au même groupe R. On a vu dans l’équation générale que l’atome d’oxygène à liaison double de l’acide carboxylique est remplacé par deux atomes d’hydrogène lors de la formation de l’alcool. En remontant la réaction, on comprend que les deux atomes d’hydrogène de l’alcool devaient être un atome d’oxygène à liaison double dans l’acide carboxylique. Cette structure de la molécule d’acide 3-méthylbutanoïque est la structure de l’acide carboxylique initial mis en jeu dans cette réaction de réduction.
Passons en revue ce que nous avons appris sur la réactivité des acides carboxyliques. Les acides carboxyliques sont des acides faibles qui peuvent réagir avec les métaux pour produire un sel et de l’hydrogène gazeux, avec des hydroxydes de métal pour donner un sel et de l’eau, et avec des carbonates et des bicarbonates de métal pour former un sel, de l’eau et du dioxyde de carbone. L’estérification de Fischer est la réaction des acides carboxyliques avec les alcools en présence d’un catalyseur acide pour former un ester et de l’eau. Les acides carboxyliques peuvent être réduits à l’aide d’une variété d’agents réducteurs afin de produire un alcool primaire et de l’eau. Les acides carboxyliques aromatiques sont plus acétiques que les acides carboxyliques aliphatiques. Ils vont donc réagir plus rapidement avec les métaux, les hydroxydes, les carbonates et les bicarbonates. Ils sont également plus faciles à estérifier en raison de l’effet de résonance.
