Estérification

Esters

La structure d’un ester est un carbonyle avec un groupe alkyle ou aryle (R) d’un côté, et un oxygène lié à un autre groupe alkyle ou aryle (R') de l’autre côté, représenté par la formule générale : RCOOR'. Les esters peuvent être couramment obtenus par une réaction d’estérification entre un acide carboxylique et un alcool. Le groupe hydroxyle de l’acide carboxylique est remplacé par un groupe alkyle ou aryle. Les esters simples, qui ont un faible poids moléculaire et de petits groupes fonctionnels R et R', ont des odeurs et des saveurs de fruits et de fleurs.

L’acide carboxylique le plus simple est l’acide formique (HCOOH), l’alcool le plus simple étant le méthanol. Ainsi, l’ester le plus simple formé à partir de l’estérification de ces deux molécules est le formiate de méthyle (HCOOCH₃). Le formiate de méthyle est considéré comme un dérivé de l’acide formique car le groupe OH est remplacé par le groupe OCH₃. Les différences structurelles entre le formiate de méthyle et l’acide formique dictent la différence de leurs propriétés. En effet, les propriétés de la molécule dépendent fortement des groupes R et R'.

Les esters que l’on trouve dans les fruits et les fleurs sont connus sous le nom d’esters simples en raison de la faible complexité de leur structure par rapport aux autres esters. Les groupes alkyle et aryle présents sur ces esters influencent grandement le parfum qu’ils émettent ; Ainsi, l’ajout d’un carbone ou d’un groupe fonctionnel différent peut impacter l’odeur produite par l’ester. Par exemple, l’acétate de propyle (C₅H₁₀O₂) a l’odeur de la poire. Cependant, l’acétate de butyle (C₆H₁₂O₂), qui n’a qu’un seul carbone de plus dans sa chaîne, sent la pomme.

Les esters à longue chaîne, c’est-à-dire ceux qui ont de longues chaînes alkyles, sont appelés acides gras. Les acides gras sont des composés biologiques importants qui sont essentiels à certains processus biologiques. Les acides gras sont également une forme biologique de stockage d’énergie. Lorsque trois acides gras réagissent avec le glycérol, ils forment un triglycéride - la forme la plus courante d’acides gras. Les triglycérides ont un poids moléculaire très élevé et peuvent être très ramifiés. Leur fonction et leurs propriétés dépendent de la longueur et des types de chaînes alkyles incorporées dans leur structure. L’une des utilisations industrielles les plus courantes des triglycérides est la production de savons et de détergents.

Réaction d’estérification

Les esters sont formés à partir d’une réaction d’estérification, les esters simples étant formés par estérification de Fisher. Cette réaction convertit un acide carboxylique et un alcool en un ester avec de l’eau comme sous-produit. L’estérification de Fisher est une réaction réversible qui se déroule très lentement. Un catalyseur acide, généralement sous forme d’acide sulfurique, est ajouté pour augmenter la vitesse de la réaction tout en agissant comme un agent déshydratant.

Le mécanisme d’action d’une estérification de Fisher commence par l’oxygène carbonyle attaquant l’acide sulfurique et déprotonant son groupe OH. Cela conduit à un oxygène carbonyle chargé positivement. Pour mieux stabiliser la charge positive, une paire d’électrons de la double liaison carbonyle est poussée vers l’oxygène carbonyle tout en créant simultanément un centre de carbone pauvre en électrons. Ensuite, le groupe hydroxyle de l’alcool agit comme un nucléophile et attaque le carbone pauvre en électrons – l’électrophile – formant un intermédiaire. Ensuite, le groupe hydroxyle chargé positivement de l’alcool est déprotoné par le groupe hydroxyle de l’acide carboxylique, stabilisant l’atome d’oxygène de l’alcool. Dans la dernière étape, l’oxygène carbonyle est déprotoné par la base conjuguée, et la paire d’électrons libres est déplacée vers le centre carbonyle tandis que le groupe carboxyle protoné part sous la forme d’une molécule d’eau.

Comme la réaction d’estérification est réversible, un mélange 1:1 d’acide carboxylique et d’alcool atteindra l’équilibre avec un rendement d’environ 70 % de l’ester. Cependant, comme pour tout processus d’équilibre, la réaction peut être entraînée dans une direction en modifiant la concentration, la pression, la température ou le volume des réactifs. Ce changement amène la réaction à s’ajuster à un nouvel équilibre pour contrer le changement, ce qui est la base du principe de Le Chatelier.

Lorsque la concentration de l’un des réactifs est augmentée, l’équilibre se déplace dans la direction qui diminuera sa concentration. Ainsi, en augmentant la concentration d’un réactif, l’équilibre produit une plus grande quantité du produit, ce qui se traduit par un rendement plus élevé du produit ester.

Une méthode couramment utilisée dans les laboratoires de chimie organique consiste à fournir un excès de l’un des réactifs, généralement l’alcool. Comme mentionné précédemment, l’estérification de Fisher peut utiliser l’acide sulfurique comme catalyseur. Cependant, l’une des autres fonctions de l’acide sulfurique est d’agir comme un agent déshydratant, en séquestrant les molécules d’eau loin de la réaction. L’application du principe de Le Chatelier démontre que lorsque l’un des produits est retiré – dans ce cas, l’eau – la réaction est poussée à produire plus de produit. Cela augmente le rendement de l’ester formé.

référence

1. Streitwieser, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). Introduction à la chimie organique. Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall.