Cours de chimie Organique - G. Dupuis - Lycée Faidherbe de Lille



Acides carboxyliques


Nomenclature

Définitions
Les acides carboxyliques forment une classe de composés caractérisés par la présence du groupe fonctionnel carboxyle -CO2H. Le nom de ce groupe caractéristique rappelle qu'il est constitué formellement d'un groupe carbonyle -CO- et d'un groupe hydroxyle -OH. Cependant l'interaction entre ces deux groupes est telle qu'on ne peut pas les considérer individuellement.
Plusieurs composés sont considérés comme des dérivés d'acides. Les groupes caractéristiques de ces fonctions dérivées sont donnés dans le tableau ci-dessous.

Acide

Ion carboxylate

Halogénure d'acyle

Anhydride d'acide

Cétène

Ester

Amide

Nitrile

Même si le lien de parenté avec les acides carboxyliques est patent, leurs propriétés chimiques sont différentes de celles des acides, ce qui justifie une étude séparée.

Acides
On distingue les séries acyclique et cyclique :

Acide butanoïque

Acide 3-méthylpentanoïque

Acide hexanedioïque

Acide 3-méthylpent-2-énoïque

  • Série cyclique
    On fait suivre le mot acide du nom de l'hydrocarbure auquel on ajoute le suffixe carboxylique. L'atome de carbone du carboxyle ne fait pas partie de la chaîne principale.

Acide benzènecarboxylique

Acide cyclopentanecarboxylique

Ions carboxylate
Les noms des ions carboxylate sont formés à partir de ceux des acides parents en remplaçant le suffixe oïque par oate ou le suffixe ique par ate.

Pentanoate d'ammonium

Cyclohexanecarboxylate de sodium

Etat naturel

Acides gras
Les acides dont la molécule est constituée d'une chaîne de 4 à 36 atomes de carbone sont appelés acide gras. On peut les obtenir par
saponification des graisses. Les esters des acides gras et du glycérol sont les triglycérides.

L'acide hexadécanoïque ou palmitique est un acide gras possédant 16 atomes de carbone. Le triester qu'il forme avec le glycérol est la palmitine.

L'acide stéarique constitue un autre exemple d'acide gras qui entre dans la fabrication des bougies. On trouvera un résumé de ses principales propriétés à la référence [29].

Acide arachidonique

L'acide arachidonique est un acide gras insaturé possédant 20 atomes de carbone.

Il est représenté ci-dessous dans une conformation repliée de la chaîne. Cela met en évidence la relation entre sa structure et celle de la prostaglandine PGF2a dont il est un précurseur.

Les prostaglandines sont des acides gras insaturés dont le squelette possède 20 atomes de carbone. Elles ont un rôle d'hormones locales. La synthèse de la
prostaglandine PGF2a représentée ci-dessous a été réalisée par plusieurs équipes. Les grandes étapes de la synthèse de G. Stork ont été vues dans le chapitre consacré aux composés conjugués.

Le degré d'insaturation des corps gras peut être déterminé par addition du réactif de Wijs sur les doubles liaisons suivie d'un dosage.

Hydroxy-acides
Les fonctions acide et alcool sont présentes dans de nombreux composés d'origine naturelle. Ces composés sont des hydroxy-acides.

Acide mévalonique


L'acide mévalonique est un hydroxy-acide qui possède une grande importance biochimique. C'est en effet le précurseur d'une grande famille de composés naturels : les terpènes. Ces composés présents dans les huiles essentielles des plantes ont une structure dans laquelle on retrouve la répétition d'unités isoprène.

L'acide cholique a une structure voisine du cholestérol dont il dérive. Les groupes polaires -OH sont situés du même côté de la molécule ce qui permet de distinguer deux faces aux propriétés physico-chimiques différentes : la face regroupant les groupes polaires est hydrophile, l'autre est lipophile. En milieu biologique, il est combiné à un acide aminé comme le glycocolle dans la bile.

Acide cholique

L'acide lactique est un hydroxyacide qui possède un intérêt industriel croissant. Il permet la synthèse d'un lactide dont la polymérisation conduit à un polymère biodégradable, appelé polylactide (PLA).

Céto-acides
On trouve dans leur molécule un groupe carbonyle et un groupe carboxyle. Le plus important de ces composés sur le plan biochimique est l'acide pyruvique.

Acide pyruvique


L'acide pyruvique est l'acide 2-oxopropanoïque. Au laboratoire, on peut le préparer par déshydratation et décarboxylation de l'acide tartrique.

Acides importants sur le plan industriel

Acide formique

Acide méthanoïque

L'acide méthanoïque (formique) est préparé par réaction entre la soude et le monoxyde de carbone à chaud.

Le traitement par l'acide sulfurique du formiate de sodium fournit l'acide formique.

Acide acétique

Acide acétique

La meilleure préparation industrielle de l'acide éthanoïque est la carbonylation du méthanol. Ce procédé, mis au point par Monsanto en 1971, utilise du trichlorure de rhodium comme catalyseur [23].

Il permet la préparation de plus d'un million de tonnes d'acide éthanoïque par an. Il sert à préparer notamment l'acétate de vinyle.

Acide téréphtalique

Acide téréphtalique

L'acide téréphtalique est produit par oxydation du 1,4-méthylbenzène par l'oxygène de l'air en présence d'un catalyseur au cobalt.
Il utilisé dans la synthèse du polyéthylènetéréphtalate.

Propriétés physiques

Acides carboxyliques
Le nom d'un acide carboxylique s'obtient en remplaçant la terminaison e de l'alcane qui possède le même nombre d'atomes de carbone et en la remplaçant par oïque. Les premiers termes de la série sont surtout nommés par leur nom usuel qui rappelle leur origine naturelle. Ces composés ont été parmi les premiers à être identifiés par les chimistes organiciens. Ils sont en effet abondants à l'état naturel et facilement isolables et purifiables par l'intermédiaire de leurs sels qui sont solubles en solution aqueuse. Voici quelques exemples :

Formule

Nom systématique

Nom usuel

TF (°C)

TE (°C)

HCO2H

méthanoïque

formique

8

100,5

CH3CO2H

éthanoïque

acétique

17

118

CH3CH2CO2H

propanoïque

propionique

-22

141

CH3CH2CH2CO2H

butanoïque

butyrique

-5

163

CH3(CH2)3CO2H

pentanoïque

valérique

-35

187

CH3(CH2)4CO2H

hexanoïque

caproïque

-2

205

Les températures d'ébullition des acides carboxyliques sont supérieures à celles des alcools de masse molaire comparable.

Alcool

TE (°C)

Acide

TE (°C)

CH3CH2OH

78,5

HCO2H

100,5

CH3CH2CH2OH

97,2

CH3CO2H

118

CH3CH2CH2CH2OH

117,7

CH3CH2CO2H

141

Ce résultat s'explique par l'existence de liaisons hydrogène plus fortes que chez les
alcools. La liaison O-H est davantage polarisée et elle peut s'établir à partir du groupe carbonyle plus riche en électrons que l'atome d'oxygène d'un alcool. A l'état solide ou à l'état liquide, les acides sont associés sous forme de dimères dans lesquels il existe deux liaisons hydrogène.

Une telle disposition géométrique, qui place les atomes d'hydrogène et d'oxygène dans le même alignement, rend ces liaisons hydrogène particulièrement solides.

Structure des ions carboxylate
L'expérience montre que les atomes de carbone et d'oxygène d'un ion carboxylate sont dans un même plan. Pour l'acide méthanoïque et l'ion méthanoate, on relève les valeurs suivantes :

acide méthanoïque

d(C=O) = 0,123 nm

d(C-OH) = 0,136 nm

ion méthanoate

d(C-Oa) = 0,127 nm

d(C-Ob) = 0,127 nm

Dans l'ion carboxylate, les longueurs des liaisons C-O sont égales et leur valeur est intermédiaire entre celle de la liaison C=O et de la liaison C-O dans l'acide. Ce résultat peut être interprété en utilisant le modèle de la mésomérie. Les formes suivantes ont le même poids statistique ce qui témoigne d'une résonance importante :

La délocalisation de la charge négative dans l'ion carboxylate explique :

Savons
Les sels de sodium et de potassium des
acides gras à longue chaîne carbonée en C12 et au delà, constituent les savons. On les obtient par la réaction de saponification des graisses qui fournit en même temps le propane-1, 2, 3-triol ou glycérol.
Grâce à leur structure particulière constituée d'une longue chaîne carbonée hydrophobe et d'une tête polaire hydrophile, les savons sont capables d'émulsionner les graisses en formant avec elles des micelles.


L'efficacité des savons est limitée en présence d'ions calcium du fait du caractère peu soluble des carboxylates de calcium qui précipitent. Une méthode de mesure de la dureté d'une eau consiste à mesurer l'épaisseur de la couche de mousse qu'elle forme avec une solution aqueuse de savon de concentration connue.

Pour la même raison, on peut former facilement des précipités colorés en ajoutant des solutions ioniques de cuivre (II), de fer (II) ou de fer (III) à une solution aqueuse de savon.

Spectroscopie

Spectroscopie infrarouge

Spectroscopie de RMN
Du fait de la forte électronégativité du groupe carboxyle, le proton lié à ce groupe est très déblindé. Le
déplacement chimique apparaît souvent au delà de d = 11 ppm. Du fait de la mobilité protonique et du phénomène d'échange avec le solvant, la position du pic correspondant dépend des conditions expérimentales.


Comme dans le cas des alcools, l'addition d'eau lourde fait intervenir l'équilibre :
Le phénomène d'échange qui en résulte, fait disparaître le pic dû au proton du carboxyle car le deutérium ne résonne pas dans le même domaine de fréquence que l'hydrogène.

Les protons portés par l'atome de carbone en a du groupe carboxyle sont déblindés vers d = 3,5 ppm en raison du caractère électronégatif de ce groupe.

Décarboxylation

Réactions de Piria et de Ruzicka
La décarboxylation des sels de calcium des acides carboxyliques est réalisable à température élevée. Cette réaction a été découverte par le chimiste Italien R. Piria. Elle fournit des cétones. Ainsi, la
propanone était préparée autrefois par pyrolyse de l'acétate de calcium ce qui explique son nom courant : l'acétone.

La réaction est surtout intéressante pour la synthèse des cétones cycliques mais la température assez élevée qu'elle nécessite limite son emploi aux molécules peu fragiles.

La réaction est possible avec des diacides. On a alors à la fois déshydratation et décarboxylation. La formation de cycles à 5 ou 6 chainons est favorisée comme l'illustre l'exemple suivant extrait de la synthèse historique du terpinéol (W. H. Perkin 1904).

Lors de sa remarquable étude de la structure de la civétone, le chimiste suisse d'origine croate L. Ruzicka [24] a mis au point une réaction du même type à partir de sels de thorium. Cette méthode, qui n'a plus qu'un intérêt historique, a permis à son auteur la synthèse des premières cétones à grands cycles [36]. Elle est illustrée ci-dessous par la synthèse de la cyclopentadécanone (exaltone), utilisée dans la chimie des parfums pour remplacer les composés d'origine naturelle. Naguère, ceux-ci étaient extraits à partir d'animaux comme la civette ou le daim musqué qui sont désormais protégés.

Les cétones macrocycliques peuvent être préparées par d'autres méthodes dont l'importante réaction de condensation acycloïne des esters.

Réaction de Hunsdiecker
La décarboxylation des carboxylates d'argent en présence de dibrome, constitue une méthode de passage des acides carboxyliques aux dérivés bromés. La découverte de cette réaction est attribuée au chimiste et musicien russe A. Borodine en 1861. Elle est plus connue sous le nom de réaction de Hunsdiecker. Sa force motrice est la formation de composés stables CO2 et AgBr.


La réaction de Hunsdiecker procède vraisemblablement d'un mécanisme radicalaire :





Voici un exemple d'application de la réaction de Hunsdiecker [28] :

Une réaction très comparable consiste à partir de l'acide et à utiliser le dibrome en présence d'oxyde de mercure [30].


Décarboxylation des b-cétoacides
La décarboxylation des b-cétoacides s'opère dans des conditions de température modérées entre 50 °C et 60 °C. La formation d'une liaison hydrogène intramoléculaire permet la création d'un état de transition cyclique.

La réaction fournit un énol. L'équilibre de tautomérie conduit au composé carbonylé plus stable.

Décarboxylation des a-cétoacides
En milieu biologique, la décarboxylation de
l'acide pyruvique en éthanal et CO2 est une étape de la fermentation alcoolique. Elle s'effectue avec le concours d'une enzyme : la pyruvate décarboxylase.

L'éthanal libéré est ensuite réduit en éthanol grâce au système nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) intervenant dans le couple NAD+/NADH.

Réaction de Kolbe
En 1849 alors qu'il étudiait l'électrolyse de solutions aqueuses de sels d'acides carboxyliques, Kolbe mit en évidence la formation d'hydrocarbure à l'anode. Le mécanisme proposé est le suivant :

  • anode ;



  • cathode ;

Le bilan de ces réactions s'écrit :


Un exemple d'application de l'électrolyse de Kolbe est la synthèse de l'hexacosane à partir de l'acide tétradécanoïque (acide myristique)
[6].

Elimination-décarboxylation
Les ions carboxylate des acides b-halogénés sont facilement décarboxylés par chauffage. L'ion carboxylate et l'atome de brome doivent être dans une position anticoplanaire pour que l'élimination se produise.

Cette réaction constitue une méthode de synthèse des alcènes. Son principal attrait est son caractère stéréospécifique. Cette stéréospécificité s'interprète par la position anticoplanaire des liaisons C-C et C-Br dans l'état de transition.

Propriétés acido-basiques

Acidité
Les acides carboxyliques sont des acides au sens de Brönsted. Ils réagissent avec l'eau pour donner des ions carboxylate et des ions oxonium.

La réaction conduit de façon extrêmement rapide à un état équilibre. La position de cet équilibre est fonction de la constante d'acidité K a du couple acide-base qui ne dépend que de la nature du couple et de la température. En solution aqueuse diluée, on peut confondre l'activité des espèces avec leur concentration molaire volumique.

Ka = [RCO2-].[H3O+]/[RCO2H].Co

(Co = 1 mol.L-1)
Plus Ka est élevée, plus l'acide est dissocié. Pour éviter d'avoir à manipuler des puissances de dix, on pose généralement :
pKa = - log Ka
A une température donnée, pour une série d'acides, les valeurs des pKa des couples dépendent des caractéristiques structurales de l'acide carboxylique, de la base conjuguée et de leur interaction avec le solvant eau. Voici quelques valeurs numériques concernant les couples impliquant des acides linéaires de C2 en C4 à 298 K :

Acide

HCO2H

CH3CO2H

C2H5CO2H

C3H7CO2H

pKa

3,75

4,75

4,88

4,82

Ces résultats sont difficiles à rationaliser car plusieurs phénomènes se superposent : les effets électroniques et les effets de solvant.
  • Dans l'ion carboxylate, la charge négative est stabilisé par résonance. Celle-ci se traduit par l'existence de deux formes mésomères de même poids statistique. Un ion carboxylate est une base beaucoup plus faible qu'un ion alcoolate.
  • L'ion formiate est une base plus faible que ses homologues. Cela est interprété généralement par l'effet donneur + I des groupes alkyles liés au carboxylate qui déstabilisent la charge négative de cet ion. Cet effet est sensiblement le même quel que soit le nombre d'atomes de carbone de la chaîne.
  • Le solvant joue un rôle très important du point de vue énergétique mais aussi entropique dans l'organisation des molécules de solvant autour des ions.

Lorsqu'on étudie les pKa des différents acides chloroéthanoïques, on observe une décroissance du pKa du couple avec l'augmentation du nombre d'atomes de chlore. Les résultats expérimentaux sont donnés ci-dessous à 298 K :

Acide

CH3CO2H

ClCH2CO2H

Cl2CHCO2H

Cl3CCO2H

pKa

4,75

2,87

1,20

0,52

Il est naturellement tentant de mettre en relation la force des acides avec la fragilisation de la liaison O-H dûe à l'effet inductif -I exercé par les atomes de chlore. Cela a souvent été écrit dans le passé. Il importe de bien distinguer la situation en phase gazeuse et celle qu'on rencontre dans un solvant comme l'eau où la solvatation des espèces chargées joue un rôle essentiel.

  • Des mesures faites en phase gazeuse en utilisant une technique de résonance cyclotronique ionique montrent une diminution du pKa du couple quand le nombre d'atomes d'halogène augmente. De plus, pour un même nombre d'atomes d'halogène, le pKa diminue quand on passe du fluor à l'iode. On en déduit que l'effet prédominant est la répartition de la charge de l'ion carboxylate sur une structure de plus en plus volumineuse. Cette charge est ainsi de mieux en mieux supportée.
  • En solution aqueuse, on a pu montrer que les effets entropiques liés à l'organisation du solvant autour des ions sont plus importants que les effets électroniques qui interviennent dans les termes enthalpiques [14].

Basicité
L'étude par cryoscopie montre que dans l'acide sulfurique concentré, l'acide éthanoïque est complètement protoné. Compte-tenu du pKa voisin de -6 pour le couple acide base correspondant, la protonation ne peut avoir lieu qu'en présence d'acides concentrés nivelés par l'eau dont les couples ont un pKa < 0.
Remarque : les acides plus forts que l'acide sulfurique concentré sont appelés
superacides.

La protonation s'effectue de façon préférentielle au niveau de l'atome d'oxygène du groupe carbonyle qui est le plus basique. On peut justifier ce résultat dans le cadre de la théorie des orbitales moléculaires : l'atome d'oxygène du carbonyle est celui pour lequel le coefficient dans la plus haute OM occupée est le plus grand.

On peut également rendre compte de la tendance des acides a être protonés sur le carbonyle, en remarquant qu'on obtient ainsi des formes de résonance de même poids statistique.

Chez les acides présentant un encombrement stérique très important comme l'acide mésitoïque, la protonation s'effectue sur le groupe -OH. Ce phénomène joue un rôle important dans l'estérification de ce type d'acide par un mécanisme inhabituel (AAC1).

Propriétés nucléophiles des ions carboxylate

Acylation des ions carboxylate
Les ions carboxylate sont de bien meilleurs nucléophiles que les acides carboxyliques. La réaction d'un ion carboxylate sur un chlorure d'acyle permet de préparer des
anhydrides symétriques ou mixtes.

Alkylation par un dérivé halogéné
On peut aussi alkyler les ions carboxylate en utilisant un halogénure d'alkyle primaire ou secondaire. On prépare ainsi des
esters. Avec un halogénure tertiaire on observe essentiellement une réaction d'élimination.

L'exemple suivant constitue un exemple de réaction utilisant une catalyse par transfert de phase.

Méthylation par le diazométhane
Une méthode particulièrement douce pour méthyler les ions carboxylate consiste à les faire réagir avec le
diazométhane. Le seul sous-produit de la réaction est le diazote qui s'échappe du milieu réactionnel. Cette réaction nécessite des précautions particulières sur le plan expérimental car le diazométhane est un agent méthylant extrêmement toxique.

L'exemple suivant est extrait d'une synthèse de la chaîne latérale du taxol. La réaction s'effectue en deux étapes :
  • le diazométhane est une base forte qui arrache l'atome d'hydrogène de l'acide pour donner l'ion carboxylate ;

  • celui-ci joue le rôle de nucléophile dans la réaction de substitution suivante qui implique un atome de carbone primaire et un excellent nucléofuge : le diazote.

Une réaction du même type permet la méthylation des alcools. En revanche la réaction entre le diazométhane et un chlorure d'acyle fournit une a-diazocétone.

Iodolactonisation
Il s'agit d'une réaction particulière des acides g-insaturés. On obtient une lactone substituée dont le cycle comporte préférentiellement 5 chaînons.

Le mécanisme de cette réaction est détaillé dans le chapitre particulier consacré au composés éthyléniques.

Oxydation des acides gras

L'oxydation des acides gras est l'objet d'un mécanisme radicalaire faisant intervenir des radicaux libres.

Propriétés nucléophiles des acides

Déshydratation des acides
La déshydratation des acides en présence d'un déshydratant énergique comme P4O10 conduit aux anhydrides.

La méthode par déshydratation à chaud est surtout intéressante pour les diacides lorsque le risque de décarboxylation ne se présente pas. On prépare ainsi l'anhydride maléique à partir de l'acide maléique. Dans les même conditions, l'acide fumarique dans lequel les groupes acides sont en trans l'un de l'autre ne fournit pas d'anhydride. L'anhydride maléique est un excellent diénophile dans les réactions de Diels-Alder. Il est préparé à l'échelle industrielle par oxydation du benzène.

On obtient de la même façon l'anhydride phtalique à partir de l'acide phtalique.

Une déshydratation de l'acide éthanoïque dans des conditions très drastiques conduit au cétène le plus simple.

Mais la meilleure méthode de préparation des cétènes est l'élimination de HCl à partir des halogénures d'acyles sous l'action d'une base.

Passage aux dérivés d'acides
La réaction peut être effectuée en utilisant différents agents halogénants. Ces sont les mêmes que ceux qu'on utilise pour transformer les alcools en dérivés halogénés :

  • Le chlorure de thionyle SOCl2 est utilisé en présence de pyridine. Le gros avantage de cette réaction tient au fait que les sous-produits de la réaction étant gazeux, sont faciles à éliminer du mélange réactionnel.

    La réaction est effectuée avec un excès de chlorure de thionyle et le produit est séparé par distillation fractionnée. Si la température du chlorure d'acyle est proche de celle du chlorure de thionyle, ce dernier est décomposé par l'acide formique :

  • le trichlorure de phosphore PCl3 est un agent halogénant utile mais qui présente l'inconvénient de donner H3PO3 comme sous-produit qu'il faut ensuite séparer du milieu ;

  • le pentachlorure de phosphore PCl5 n'est généralement utilisé que pour les acides aromatiques dont la réactivité est moindre. POCl3 est séparé du milieu réactionnel par distillation fractionnée.

  • le chlorure d'oxalyle est un agent halogénant doux.

On trouvera une méthode de préparation du chlorure d'acyle de l'acide oléique à la référence [32].

Réduction des acides

Réduction par H2
La réduction du groupe carboxyle par le dihydrogène n'est réalisable que dans des conditions sévères de température et de pression en présence de catalyseurs tels que Ni, Pt ou Ru. On peut donc effectuer l'hydrogénation catalytique sélective d'une double
liaison éthylénique en présence d'un groupe carboxyle en choisissant convenablement les conditions expérimentales.

Réduction par LiAlH4
LiAlH4 réduit les acides en alcools.

Expérimentalement, la transformation s'effectue en deux parties :

Le bilan de ces réaction est écrit ci dessous :

Cette réaction présente plusieurs inconvénients :
  • elle s'effectue avec dégagement de dihydrogène qui est un gaz dangereusement inflammable ;
  • LiAlH4 est un hydrure qui ne présente aucune sélectivité.
Il est souvent préférable d'estérifier la fonction acide et réduire ensuite l'ester obtenu.

Réduction par le couple BH3, Me2S
Les acides peuvent être réduits en alcools par le couple
diborane-diméthylsulfure BH3, Me2S et BF3/Et2. L'un des avantages de cette réaction réside dans la chimiosélectivité du réactif. Une condition importante pour le succès de la réaction est l'absence de double liaison ou de triple liaison carbone-carbone. Celles-ci réagissent en effet avec BH3 pour donner des organoboranes.
Dans l'exemple suivant la fonction acide est réduite en alcool. La fonction ester est inaltérée.

Lorsqu'on réalise ce type de réaction, on doit prendre des précautions sur le plan expérimental car le complexe BH3, Me2S s'enflamme spontanément à l'air.

Une application intéressante est la préparation de b-aminoalcools. Cela est illustré par la réduction de la S-phénylalanine en S-phénylalanol.

La réaction du S-phénylalanol avec l'anhydride acétique permet la synthèse de la (S)-4-phénylméthyl-2-oxazolidinone. L'alkylation des oxazolidinones permet la préparation de composés énantiopurs par la méthode d'alkylation énantiosélective d'Evans.

Additions nucléophiles sur le carbonyle

Composés organolithiens
L'une des réactions les plus importantes des acides carboxyliques avec les composés organométalliques, est celle avec les
organolithiens qui conduit aux cétones. Dans un premier temps, le lithien réagit comme une base en arrachant l'atome d'hydrogène du groupe carboxyle. On obtient un carboxylate de lithium.


L'organométallique, s'il est présent en excès, est suffisamment nucléophile pour réagir sur l'ion carboxylate.

A la température de la réaction, qui est celle de reflux de l'éther, l'intermédiaire tétraédrique est assez stable pour ne pas se décomposer avant l'hydrolyse, le groupe -OLi étant un très mauvais nucléofuge. L'hydrolyse fournit un diol géminé instable qui se transforme en cétone.

Voici un exemple d'application de cette réaction [27] :

Réactions avec les alcools primaires et secondaires
La réaction entre un acide carboxylique et un alcool est appelée
estérification de Fischer. Il s'agit d'une réaction lente et limitée nécessitant l'utilisation d'un catalyseur. L'équilibre peut être déplacé en utilisant un appareil de Dean-Stark. Le mécanisme AAC2 de cette réaction a été vu dans le chapitre consacré aux alcools.

Les esters d'alcools tertiaires ne sont généralement pas préparés à partir des acides carboxyliques. Dans ce milieu acide, l'élimination prédomine et le rendement est généralement de l'ordre de 4 %. Les esters d'alcools tertiaires peuvent être préparés avec de bons rendement en mettant à profit la nucléophilie des ions alcoolate vis à vis des chlorures d'acyles.
On peut aussi les préparer en utilisant des anhydrides d'acides en présence d'un catalyseur par un mécanisme de type AAL1. Les esters de tertiobutyle sont utilisés comme groupe protecteur du groupe carboxyle. Ils sont raisonnablement stables en milieu basique mais se clivent spontanément en milieu acide.

Formation de lactones
Avec un composé bifonctionnel comportant une fonction acide et une fonction alcool, l'estérification peut avoir lieu de façon intramoléculaire. L'ester cyclique obtenu est appelé
lactone. L'équilibre de lactonisation est favorable pour les cycles possédant 5 ou 6 chaînons et les hydroxy-acides correspondants se cyclisent spontanément.

La synthèse de composés bicycliques est possible dans les cas favorables comme dans cette étape de la synthèse du terpinéol.

La réaction peut impliquer la forme énolique d'un céto-acide comme dans le cas de l'angelica lactone qui peut être obtenue par cyclisation de l'acide 4-oxopentanoïque (acide lévulique).

La synthèse des lactones à grand cycle constitue un enjeu important car, comme on le verra dans le chapitre consacré aux esters, de nombreux composés intéressants commes les antibiotiques de type macrolide présentent de telles structures. Cette synthèse soulève plusieurs problèmes :
  • la fonction acide n'est pas suffisamment réactive pour réagir de façon intramoléculaire sans activation préalable ;
  • la réaction intramoléculaire est en concurrence avec la réaction intermoléculaire.
Ainsi l'équilibre suivant est en défaveur de la lactone.

Les réactions de macrolactonisation peuvent s'effectuer avec de bons rendements en activant la fonction acide sous forme d'anhydride et en utilisant de grandes dilutions de façon à minimiser les réactions intermoléculaires.

Davantage d'informations sur la synthèse des grands cycles par lactonisation : [33]

La réduction des lactones fournit des hémiacétals

Formation de lactide
Dans l'
acide lactique les fonctions acide et alcool sont trop proches pour qu'une cyclisation en lactone puisse avoir lieu. En revanche, deux molécules d'acide lactique peuvent réagir entre-elles. On obtient un composé cyclique appelé lactide.

La polymérisation de ce composé conduit à un polymère biodégradable appelé PLA, [31].

Mécanisme AAC1
L'estérification des acides qui présentent un encombrement stérique important au niveau du groupe carboxyle comme l'acide mésitoïque, ne suit pas le mécanisme classique AAC2 de l'estérification de Fischer.

Acide mésitoïque

L'étude par cryoscopie de solutions d'acide 2, 4, 6-triméthylbenzoïque (mésitoïque) dans l'acide sulfurique concentré, montre un abaissement du point de congélation double de celui qu'on obtient avec l'acide acétique. On en déduit qu'il s'est formé 4 particules dans la solution.
Les ions RCO+, sont appelés ions acylium. Ce sont des espèces très électrophiles. On les rencontre dans un autre contexte comme intermédiaires réactifs dans l'acylation des composés aromatiques.

Le mécanisme est le suivant :






Ammoniac et amines non tertiaires
La réaction entre un acide carboxylique et une amine ou l'ammoniac conduit à la formation d'un carboxylate d'ammonium ou d'aminium au terme d'une réaction acido-basique.

En série acyclique, la déshydratation des sels d'ammonium n'est utilisée que pour la formation des amides les plus simples comme l'éthanamide.

La formation d'un sel d'aminium bloque le pouvoir nucléophile de l'amine qui n'existe qu'en petite quantité à l'état libre. Le rendement de la réaction est donc faible.
Les plupart des amides acycliques sont préparés par
acylation des amines ou de l'ammoniac en utilisant des dérivés d'acides.

L'alkylation du phtalimide est à la base de la méthode de Gabriel de synthèse des amines primaires.

Réactions au voisinage du carbonyle

Réaction de Hell-Vohlardt-Zelinsky
Les acides peuvent être bromés en présence de dibrome et de phosphore rouge.

La réaction s'effectue en plusieurs étapes :

  • la réaction entre le phosphore et le dibrome transforme une partie de l'acide en bromure d'acyle ;
  • l'énol du bromure d'acyle est bromé dans une deuxième étape ;
  • le bromure d'acyle a-bromé réagit avec l'acide pour former un acide a-bromé et régénérer le bromure d'acyle. Ce dernier a donc un rôle catalytique.

Les acides a-halogénés comme substrats
Les acides a-halogénés sont largement utilisés en tant que composés intermédiaire en synthèse organique. Ils constituent en effet des substrats de choix pour réaliser des substitutions nucléophiles, du fait de la grande mobilité de l'halogène en a du groupe carboxyle. Voici quelques exemples :

Bibliographie

Ouvrages expérimentaux

[1] Manuel d'expériences de chimie - UNESCO Société chimique de France - Université de Montpellier.
[2] P. Rendle, M. V. Vokins, P. Davis, Experimental Chemistry (Edward Arnold).
[3] L. F. Fieser, K. L. Williamson - Organic Experiments (D. C. Heath and Company).
[4] R. Adams, J. R. Johnson, C. F. Wilcox - Laboratory Experiments in Organic Chemistry (The Macmillan Company, Collier-Macmillan Limited).
[5] G. K. Helmkamp, H. W. Johnson Jr, Selected Experiments in Organic Chemistry (W. H. Freeman and Co).
[6] Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (Longman).
[7] J. R. Mohrig, D. C Neckers, Laboratory Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[8] R. Q. Brewster, C. A. Van der Werf, W. E. Mc Ewen, Unitized Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[9] F. G. Mann, B. C. Saunders, Practical Organic Chemistry (Longman).
[10] M. T. Yip, D. R. Dalton, Organic Chemistry in the Laboratory (D. Van Nostrand Company).
[11] Miller, Neuzil, Modern Experimental Organic Chemistry (DC Heath, 1982)

Ouvrages théoriques

[13] A. Streitwieser Jr, C. H. Heathcock - Introduction to Organic Chemistry, Macmillan Publishing Co.
[14] J. March - Advanced organic chemistry, Wiley Interscience.
[15] F. A. Carey, R. S. Sunberg - Advanced Organic Chemistry, Plenum Press 1990.
[17] N. T. Ahn - Introduction à la chimie moléculaire, Ellipses 1994.
[18] R. Brückner - Mécanismes réactionnels en chimie organique, De Boeck Université 1999.
[20] P. Laszlo - Logique de la synthèse organique. Cours de l'Ecole Polytechnique, Ellipses, 1993.
[21]Peroxyl Radicals, Z B Alfassi, ed., John Wiley & Sons, New York, 1997.

Liens

[23] The Monsanto Acetic Acid Process
[24] L. Ruzicka the Nobel Prize in Chemistry 1939
[25] Nomenclature des acides carboxyliques
[26] S-4-(phenylmethyl)-2-oxazolidinone by J. R. Gage and D. A. Evans
[27] cyclohexylméthylcétone by T. M. Bare and H. O. House
[28] Hunsdiecker reaction by C. F. H. Allen and C. V. Wilson
[29] Stearic acid and sodium stearate by H. Rzepa
[30] Bromocyclopropan by John S. Meek and David T. Osuga
[31] Synthèse du PLA
[32] Oleoyl Chloride by C. F. H. Allen, J. R. Byers, Jr., and W. J. Humphlett
[33] Macrolactonization by Thomas Boddaert.
[34] Physiopathologie du stress oxydant par J. Cillard, Faculté de Pharmacie, Université de Rennes.

Articles

[36] Ruzicka, Stoll and Schinz. Helv. Chim Acta, 9, 249 (1926) ; 11, 670 (1928).



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Texte, dessins, photographies : Gérard Dupuis - Lycée Faidherbe de LILLE
novembre 2013