Cours de chimie Organique

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

LES ACIDES

Nomenclature

Définitions
Les acides carboxyliques forment une classe de composés caractérisés par la présence du groupe fonctionnel carboxyle -CO₂H.
Plusieurs composés sont considérés comme des dérivés d'acides. Les groupes caractéristiques de ces fonctionnalités dérivées sont donnés dans le tableau ci-dessous.


Acide	Ion carboxylate	Halogénure d'acyle	Anhydride d'acide

Cétène	Ester	Amide	Nitrile

Leurs propriétés chimiques sont différentes de celles des acides, ce qui justifie une étude séparée.

Acides
On distingue les séries acyclique et cyclique :

Série acyclique
Le nom est formé en ajoutant le suffixe oïque au nom de l'hydrocarbure correspondant à la chaîne principale. L'atome de carbone du groupe carboxyle porte le numéro 1 qui n'est pas mentionné.


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

État naturel

Acides gras
Les acides dont la molécule est constituée d'une longue chaîne d'atomes de carbone sont appelés acide gras. On peut en effet les obtenir par saponification des graisses qui sont des esters de ces acides et du glycérol.

L'acide dodécanoïque 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.

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

Il est représenté ci-dessous dans une conformation repliée de la chaîne.

Acide-alcools
Les fonctionnalités acide et alcool sont présentes dans de nombreux composés d'origine naturelle. Ces composés sont des acide-alcools.

L'acide mévalonique est un acide-alcool qui possède une grande importance biochimique. C'est en effet le précurseur d'une famille très importante de composés naturels : les terpènes. On le trouve à l'état naturel dans les huiles essentielles des plantes.

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.

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 (ou méthanoïque)

Il est préparé par réaction entre la soude et le monoxyde de carbone à chaud, puis traité en milieu acide.

Acide acétique (ou éthanoïque)

Carbonylation du méthanol. Ce procédé utilise du trichlorure de rhodium comme catalyseur.

Il permet la préparation de plus d'un million de tonnes d'acide éthanoïque par an.

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 trivial qui rappelle leur origine naturelle. Voici quelques exemples :

l'acide formique existe à l'état naturel chez les fourmis (du latin : formica) ;

l'acide butyrique (du latin : butyrum) peut être extrait de la butyrine qu'on trouve dans le beurre.

Formule	Nom systématique	Nom trivial	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

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 :

le faible caractère électrophile de l'atome de carbone ;

une basicité beaucoup plus faible que pour un ion alcoolate.

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.
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 carboxylate de calcium qui précipitent.

Spectroscopie

Spectroscopie infrarouge

le groupe -OH se manifeste par une bande intense entre 2600 cm^-1 et 3200 cm^-1 suffisamment large pour englober la bande d'absorption des vibrateurs C-H.

le groupe carbonyle présente une absorption à 1700 cm^-1.

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.

Décarboxylation

Réactions de Piria et de Ruzicka
La décarboxylation des sels de calcium des acides carboxyliques est réalisable à température élevée. 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.

Lors de sa remarquable étude de la structure de la civétone, le chimiste suisse L. Ruzicka 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 grand cycle. Elle est illustrée ci-dessous par la synthèse de la cyclopentadécanone , utilisée dans la chimie des parfums pour remplacer les composés d'origine naturelle.

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 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:

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

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.

L'éthanal libéré est ensuite réduit en éthanol.

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 :

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 antipériplanaire 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 H3O+

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.

K_a = [RCO₂^-].[H₃O⁺]/[RCO₂H].C⁰

(C⁰ = 1 mol.L^-1)
Plus K_a est élevée, plus l'acide est dissocié. Pour éviter d'avoir à manipuler des puissances de dix, on pose généralement :
pK_a = - log K_aA une température donnée, pour une série d'acides, les valeurs des pK_a 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
pK_a	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 stabilisée 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 pK_a des différents acides chloroéthanoïques, on observe une décroissance du pK_a 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
pK_a	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 montrent une diminution du pK_a du couple quand le nombre d'atomes d'halogène augmente. De plus, pour un même nombre d'atomes d'halogène, le pK 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.

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

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 agent alkylant suffisamment réactif comme l'iodométhane.

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.

Déshydratation des acides
La déshydratation des acides en présence d'un déshydratant énergique comme P₄O₁₀ ou P2O5 conduit aux anhydrides.

La méthode par déshydratation à chaud est surtout intéressante pour les diacides lorsque le risque de décarboxylation ne se présente pas.

Passage aux dérivés d'acide
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.
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.

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.

Réduction par LiAlH₄
LiAlH₄ réduit les acides en alcools.

Expérimentalement, la transformation s'effectue en deux parties :

la réaction entre LiAlH₄ et l'acide est conduite dans l'éther anhydre. Il y a formation de dihydrogène par réaction entre les ions hydrure et les protons libérés par l'acide. L'hydrure est suffisamment réactif pour réduire l'ion carboxylate.
l'alcoolate de lithium est ensuite hydrolysé en milieu acide. On obtient l'alcool.

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.

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 :

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.

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. 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 possèdant 5 ou 6 chaînons et les acides-alcools correspondant se cyclisent spontanément.

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.

Mécanisme
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 de l'estérification de Fischer.

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 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'ammonium 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. Voici quelques exemples :

synthèse de l'acide 2-hydroxypropanoïque ou acide lactique ;
synthèse de l'acide cyanoéthanoïque utilisé comme précurseur dans la préparation du malonate de diéthyle utilisé comme réactif dans la synthèse dite malonique ;

synthèse de l'acide amino-2-propanoïque appelé de façon courante alanine.