Contrôle de l'évolution d'un système chimique par changement d'un réactif
 

I. Introduction

La réaction d'estérification étudiée au chapitre précédent est limitée par l'hydrolyse de l'ester formé. L'idée est de remplacer l'acide carboxylique par un anhydride d'acide de façon à ne pas obtenir d'eau en même temps que l'ester pour que l'hydrolyse de cet ester ne puisse pas avoir lieu.

De la même façon, l'hydrolyse d'un ester réalisée avec de l'eau, produit un alcool et un acide carboxylique. L'idée est de remplacer l'eau par un autre réactif (HO-) pour ne pas obtenir un acide carboxylique mais sa base conjuguée (l'ion carboxylate) qui ne réagit pas avec l'alcool formé.
 

II. Anhydride d'acide

1. Groupe anhydride d'acide

 

 

Le groupe anhydride d'acide s'écrit:

2. Formule générale d'un anhydride d'acide

 

 

La formule générale d'un anhydride d'acide est:

Dans cette formule R représente soit une chaîne carbonée soit un atome d'hydrogène.

3. Obtention d'un anhydride d'acide

On obtient un anhydride d'acide en éliminant une molécule d'eau entre deux molécules d'acide carboxylique. C'est une transformation que l'on peut schématiser par l'équation suivante:

4. Nomenclature des anhydrides d'acides

Pour nommer un anhydride d'acide, on fait précéder le nom de l'acide dont il dérive du mot anhydride. Par exemple:
 

dérive de l'acide éthanoïque et est appelé anhydride éthanoïque (ou anhydride acétique).

5. Propriétés des anhydrides d'acides

Les anhydrides d'acides sont plus réactifs que les acides dont ils dérivent. En particulier, ils réagissent rapidement avec l'eau (hydrolyse) pour redonner l' acide correspondant suivant l'équation:


 

III. Estérification en présence d'un anhydride d'acide

1. Equation de la réaction

la réaction est:

2. Application à l'hémisynthèse de l'aspirine

On réalise l'estérification du groupe C—OH de la molécule d'acide salicylique par l'anhydride éthanoïque. L'équation est la suivante:


 

IV. Hydrolyse basique d'un ester

1. Equation de la réaction

 

 

L'équation de la réaction s'écrit:

en remplaçant l'eau par l'ion hydroxyde, on place le milieu réactionnel en milieu basique. C'est alors l'ion carboxylate et non l'acide qui est formé. L'estérification susceptible de limiter l'hydrolyse ne peut plus se produire. La réaction est alors:

2. Application à la préparation d'un savon

1. Acide gras

On appelle acide gras les acides carboxyliques à longues chaînes carbonées R. Cette chaîne carbonée comporte, en général, de 10 à 20 atomes de carbone mais l'acide butyrique qui présente une chaîne carbonée à 4 atomes de carbone est considéré comme un acide gras.

2. Triester d'acide gras

Le glycérol ou propan-1,2,3-triol est une molécule qui présente deux groupes alcool primaire et un groupe alcool secondaire. Sa formule est donnée ci-contre.

Lorsque les trois fonctions alcool du glycérol sont estérifiées par un plusieurs acides gras, on obtient un triester d'acide gras ou triglycéride. Ces triglycérides sont les constituants essentiels des corps gras (huiles et graisses végétales et animales).

3. Saponification d'un triester d'acides gras

La saponification d'un triester d'acides gras est l'hydrolyse basique des trois fonctions ester du triglycéride. Elle conduit au glycérol et à un mélange de carboxylates de sodium (ou de potassium). Ce mélange de carboxylates de sodium (ou de potassium) est appelé savon.

En fait, lors de cette préparation, on obtient une solution de carboxylates de sodium de formule générale: R—COO- +Na+. En plongeant cette préparation dans de l'eau froide salée par du chlorure de sodium, on déplace l'équilibre R—COONa  = R—COO- +Na+ dans le sens de la formation du carboxylate de sodium (savon) R—COONa. Cette opération est appelée relargage.

Un savon est donc soluble dans l'eau pure et très peu soluble dans l'eau salée (comme dans l'eau dure, c'est-à-dire riche en ions calcium Ca2+).

3. Propriétés détergentes d'un savon

Les propriétés détergentes d'un savon sont dues essentiellement aux ions carboxylates.

1. Propriétés de l'ion carboxylate

Un ion carboxylate d'un savon est formé d'une longue chaîne carbonée R quasi non polaire que nous appellerons queue de l'ion, et d'un groupe d'atomes —COO- polarisé que nous appellerons tête de l'ion carboxylate. On le représente comme il est indiqué ci-contre.

La tête polarisée possède une affinité marquée pour l'eau qui est un solvant polaire. Cette partie de l'ion carboxylate est hydrophile. Au contraire cette tête n'a pas d'affinité pour les chaînes carbonées non polaires donc pour les corps gras présents dans les lipides. La tête est lipophobe.

De la même façon la queue est lipophile (affinité pour les chaînes carbonées dont la structure est semblable), et hydrophobe (elle n'est pas polaire comme l'eau).

2. Modes d'action d'un savon

 Ils sont résumés sur les schémas ci-dessous.
 

Lorsque la concentration en savon (ions carboxylate) est relativement faible, le savon se dispose en monocouche à la surface de l'eau, créant ainsi un film à l'interface eau-air. La tête hydrophile étant dans l'eau et la queue hydrophobe dans l'air.

 

 

Une bulle de savon présente deux interfaces air-eau. Les ions carboxylate sont disposés comme le montre le schéma. A l'intérieur, il y a de l'air, car les queues hydrophobes empêchent l'eau de s'y trouver.

 

 

Lorsque la concentration du savon devient plus importante, les ions carboxylate se regroupent en agrégats appelés micelles, de telle façon que les têtes se tournent du côté de l'eau et queues serrées les unes contre les autres s'en protègent.

 

 

Pour enlever une tache de graisse, les ions carboxylate se fixent à celle-ci par leur queue lipophile et leur tête hydrophile est liée à l'eau. L'ensemble ainsi formé est évacué lors du rinçage. Auparavant, les attractions électriques entre les têtes ioniques et les ions Na+ d'une part, et les répulsions électriques entre les ions Na+ ont assuré la dispersion des taches de graisse.

 

 

Pour enlever les taches d'origine minérale, en général de type ionique, les ions carboxylate se fixent sur la salissure en formant une double couche comme le montre le schéma. Après dispersion (voir ci-dessus), les têtes extérieures liées à l'eau de rinçage entraîne l'ensemble.

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