Estérification

Définition de l'estérification

Les esters semblent être à la mode, mais tu te rends compte que tu ne sais pas de quoi tout le monde parle. Eh bien, n'aie pas peur car nous sommes là pour te donner un cours accéléré sur les esters ! Commençons par les principes de base.

D'accord, quoi ? Un groupe alcoxy ? Fonctionnalité carbonyle ? Hein ?? Ne t'inquiète pas, nous avons ce dessin pratique pour simplifier les choses.

Pour commencer, un groupe carbonyle est une liaison C=O. Ce groupe est assez réactif et de nombreux groupes différents peuvent s'y attacher (n'oublie pas de consulter les rubriques Nucléophiles et Electrophiles). Comme le carbone peut avoir deux autres liaisons, il peut en résulter de nombreux types de groupes fonctionnels organiques différents.

Si, par exemple, un groupe O-R lui est attaché, il s'agit d'un ester ! Si tu ne connais pas bien le terme "R", jette un coup d'œil à l'article sur les groupes R. En fait, "R" peut représenter n'importe quel groupe. Il est simplement écrit de cette façon pour servir de repère. "R" peut être un groupe alkyle, un groupe phényle, un azote, un halogène, etc. Il peut s'agir de n'importe quoi !

Cette molécule peut être très souhaitable dans certaines réactions organiques. Il est donc important de comprendre comment créer cette molécule par estérification.

La réaction d'estérification est une réaction assez importante qui présente de nombreux avantages. Nous y reviendrons plus loin dans ce texte. Tout d'abord, peut-être devrions-nous fournir quelques éléments pertinents.

Exemples d'esters

Bon, maintenant que nous savons ce qu'est un ester, nous pouvons comprendre pourquoi cela nous intéresse. Tu sais peut-être que les esters sont partout autour de nous. Ils se trouvent dans notre corps, dans les produits que nous utilisons et sont constamment utilisés par la nature. Par exemple, chaque fois que tu manges des aliments gras, des bananes ou des ananas, tu manges des esters. Ils sont utilisés dans certaines marques de vernis à ongles (acétate d'éthyle), et ils sont également utilisés dans les plastiques (phtalates de dialkyle)!²

L'un des esters les plus intéressants est le triacylglycérol. C'est ce qui constitue les graisses, qui, lorsqu'elles sont consommées, sont décomposées par le corps pour former de l'énergie. Ils sont également le précurseur du savon. La réaction qui permet de fabriquer du savon est une réaction d'hydrolyse d'ester, dont nous parlerons plus tard. Avant de casser les esters, nous devons apprendre à les fabriquer.

Réaction d'estérification

Maintenant que nous comprenons ce qu'est un ester, nous pouvons chercher à savoir comment en fabriquer un. La réaction d'estérification n'est toutefois qu'une généralité. Tu comprendras au fur et à mesure que tu apprendras la chimie organique qu'il y a plus d'une façon de résoudre une énigme. La formation d'un ester peut se faire à l'aide de plusieurs méthodes différentes. Nous n'en examinerons qu'une en particulier, mais voici une liste de quelques réactions d'estérification à titre d'information :

• Estérification de Fischer-Speier
• Estérification de Shiina
• Estérification de Steglich
• Estérification de Yamaguchi

Il existe de nombreuses autres façons de produire des esters, la plupart étant nommées d'après les personnes qui les ont découvertes. Elles ne sont pas très importantes, c'est pourquoi nous nous concentrerons sur la réaction d'estérification la plus courante, l'estérification de Fischer-Speier.

Dans cette réaction, un acide carboxylique réagit avec un alcool primaire. Cette réaction se fait dans des conditions acides, généralement en employant de l'acide sulfurique. Elle peut également se faire avec un autre acide de Brønsted ou de Lewis. La réaction est communément appelée réaction de Fischer, et Speier est souvent omis. Cependant, ils ont tous les deux publié la réaction, il semble donc que Speier ait eu le dessous^.3

Certains réactifs ne fonctionnent pas avec cette réaction, c'est pourquoi d'autres réactions d'estérification sont employées. Ce qu'il faut retenir, c'est ce qui se passe au cours de la réaction. Une fonction carbonyle - typiquement un acide carboxylique ou un chlorure d'acide - est convertie en ester.

Catalyseur d'estérification

Comme c'est le cas pour la plupart des réactions chimiques, elles finissent par fonctionner d'elles-mêmes, mais tout se passe mieux si tu utilises un catalyseur. Il en va de même pour la réaction de Fischer-Speier, qui utilise un catalyseur d'estérification. Dans la réaction illustrée ci-dessus, un acide est utilisé comme catalyseur. Au-dessus de la flèche de réaction, ^H+ est indiqué. C'est typiquement la représentation d'un acide de Brønsted qui est utilisé.

Si tu vois ^H+ dans une réaction, cela signifie qu'il y a des protons (cations d'hydrogène) dans la solution. Le rôle d'un acide de Brønsted est de donner des protons à la solution et aux autres réactifs. Dans cette réaction, les hydrogènes acides ne sont pas consommés par l'un ou l'autre des réactifs, mais ils participent à la réaction pour la rendre plus rapide. À la fin de la réaction, ils sont toujours dans la solution comme avant, prêts à participer à une autre réaction.

Conditions d'estérification

Les conditions d'une réaction d'estérification sont aussi variées que la réaction elle-même. Comme c'est le cas pour la plupart des processus synthétiques, chaque réaction nécessite ses propres conditions spécifiques pour fonctionner de manière optimale. Ce qui fonctionne pour un réactif peut ne pas fonctionner du tout pour un autre réactif très similaire. Les chimistes organiciens travaillent sans relâche pour explorer les conditions optimales pour chaque réaction qu'ils découvrent.

Comme chaque réactif a ses propres petites particularités, il serait trop fastidieux d'énumérer les conditions de réaction pour chacun d'entre eux. Au lieu de cela, certaines réactions qui ont été mentionnées précédemment seront résumées ici pour donner un aperçu des conditions de réaction possibles qui se sont avérées efficaces.

* DMAP = 4-diméthylaminopyridine (base de Brønsted)

Le tableau donne un aperçu très bref de certaines conditions de réaction des réactions nommées précédemment. Il convient de souligner qu'il ne s'agit en aucun cas d'une liste exhaustive. Les chlorures d'acide, par exemple, ne sont pas mentionnés dans le tableau. La conversion d'un chlorure d'acide en ester est une méthode d'estérification très courante et efficace. À la connaissance de l'auteur, cette réaction ne porte le nom de personne et est donc désignée sous le nom d'alcoolyse d'un chlorure d'^acide4.

Formule d'estérification

À ce stade, nous avons établi les estérifications et la façon de les identifier. La dernière chose dont tu pourrais avoir besoin est de savoir à quoi elles ressemblent dans les formules chimiques. À moins que tu ne lises des articles datant de la fin du 19e siècle, il est peu probable que tu voies des estérifications écrites en formule. Mais qui sait, peut-être qu'un jour tu tomberas dans un trou de lapin de Wikipedia et Google Scholar jusqu'à ce que tu finisses par lire de vieux articles de Fischer écrits en allemand.

En reprenant l'exemple précédent de l'estérification de Fischer-Speier, cette réaction peut être représentée par la formule chimique.

$$ H_3C(CO)OH + HOCH_3 \rightarrow H_3C(CO)OCH_3 + H_2O $$

Généralement, cette méthode de représentation des réactions est obsolète dans les revues universitaires. Donc, à moins que tu n'aies besoin de l'apprendre pour un examen, ne t'inquiète pas trop d'apprendre la méthode exacte pour représenter les choses. Tu apprendras le reste en cours de route.

Réactions des esters

Jusqu'à présent, nous avons observé que les acides carboxyliques peuvent être convertis en esters. Cependant, la réaction inverse peut également se produire. En fait, les esters sont convertis en acides carboxyliques dans ton corps tous les jours. Les molécules de graisse sont transformées en acides gras et en glycérol lors d'une réaction d'hydrolyse des esters.

Cette réaction s'effectue en plusieurs étapes, à l'aide de nombreux catalyseurs enzymatiques différents. Formellement, cette réaction est une réaction d'hydrolyse d' ester. Une réaction d'hydrolyse est une réaction dans laquelle l'eau provoque la rupture de liaisons. Dans cette réaction, on peut imaginer que l'eau remplace l'ester, puis perd un proton pour former l'acide carboxylique. En réalité, c'est beaucoup plus compliqué que cela, mais ce n'est pas essentiel pour l'instant.

Les réactions utilisant des esters représentent des réactions très courantes en chimie organique, et peuvent permettre d'obtenir de nombreux types de molécules. Cependant, c'est un peu trop long. Concentrons-nous plutôt sur quelque chose de cool, comme la fabrication de savon !

La saponification

On ne saura jamais pourquoi le savon a été découvert à l'origine. Cependant, il est assez simple de spéculer sur la façon dont cela s'est produit. Lorsque la cendre de bois brûlé est mélangée à des molécules de graisse, provenant par exemple d'un animal, elle produit un agent nettoyant. Les peuples anciens du monde entier l'ont remarqué à un moment donné et ont commencé à utiliser cette réaction.

Du point de vue de la chimie, les cendres de bois contiennent de la lessive, c'est-à-dire du NaOH, une base forte. Lorsqu'il est mélangé à des molécules de graisse, l'hydroxyde, ^-OH, peut attaquer la molécule d'ester lors d'une attaque nucléophile. Il s'agit d'une réaction d'hydrolyse de l'ester, car l'ester est attaqué par un mélange d'eau et d'hydroxyde. La réaction qui forme le savon est très similaire à celle qui se produit dans le corps. Sauf que le NaOH agit pour hydrolyser l'ester au lieu d'une enzyme^.5

Nous avons maintenant jeté un coup d'œil très bref, mais, je l'espère, intéressant, sur les esters. Le monde des esters est beaucoup plus vaste que ce que nous avons vu aujourd'hui. Par exemple, savais-tu que les esters peuvent être utilisés pour fabriquer des plastiques plus respectueux de l'environnement ? Incroyable !

Bien qu'ils ne le savaient pas à l'époque, la découverte du savon par les peuples anciens a marqué l'une des plus grandes découvertes de l'humanité. Non seulement le savon a sauvé d'innombrables vies, mais la découverte des esters a fait des merveilles pour notre société. Maintenant que tu connais les esters et l'estérification, vas-tu essayer quelques réactions avec des esters ? Peut-être pourras-tu essayer de fabriquer ton propre savon !