Fiche de révision : Réactivité et synthèse des dérivés carboxyliques

📋 Plan du Cours

1. Réactivité du groupe carboxyle
2. Réactivité des dérivés d’acides
3. Synthèse des esters
4. Synthèse des amides
5. Synthèse des dérivés d’acides
6. Hydrolyse des dérivés d’acides
7. Protection des groupes fonctionnels
8. Peptides et protéines

📖 1. Réactivité du groupe carboxyle

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrolyse : Réaction au cours de laquelle une molécule est coupée en deux fragments sous l’action de l’eau.

★ À maîtriser

• Le groupe carboxyle est un électrophile plutôt faible, car sa charge est formellement délocalisée.

• Le carboxylate RCOO⁻ n’a pas de propriété électrophile et se comporte au contraire comme un nucléophile.

Compléments

📌 Une hydratation est l’addition d’une molécule d’eau sur une molécule organique, tandis qu’une hydrolyse coupe une molécule en deux fragments sous l’action de l’eau.

• La protonation de l’acide carboxylique permet son activation électrophile, et le pKa de son acide conjugué est d’environ −6.

💡 Astuce mémo

La délocalisation de charge affaiblit l’électrophilie → l’activation devient nécessaire.

📖 2. Réactivité des dérivés d’acides

★ À maîtriser

📌 La facilité de l’addition nucléophile décroît dans l’ordre suivant : chlorure d’acyle > anhydride d’acide > acide carboxylique > ester > amide.

• 🔄 La substitution nucléophile comprend trois étapes :
  1. Addition nucléophile
  2. Élimination du groupe partant
  3. Réaction acido-basique

Compléments

• Les pKa des acides conjugués des groupes partants valent environ −7 pour Cl⁻, 4 à 5 pour RCOO⁻, 16 à 18 pour R′O⁻ et 33 pour NH₂⁻.

• Les hydrolyses des dérivés d’acides sont quantitatives et rapides, voire violentes ; les réactions des anhydrides et des chlorures d’acyle peuvent être un peu plus lentes.

💡 Astuce mémo

Chlorure d’acyle → anhydride → ester → amide.

📖 3. Synthèse des esters

★ À maîtriser

📐 Formule - L’estérification de Fischer vérifie $\mathrm{RCOOH + R'OH \rightleftharpoons RCOOR' + H_2O}$.

• Le mécanisme de l’estérification de Fischer comprend l’activation électrophile de l’acide, l’addition nucléophile de l’alcool, une prototropie, l’élimination d’eau et la régénération du catalyseur H⁺.

Compléments

• L’estérification de Fischer est une réaction lente et athermique, avec $\Delta H^\circ = 0$ ; la température augmente sa vitesse sans modifier la position de l’équilibre.

• L’estérification de Fischer est catalysée par un acide, souvent l’acide para-toluènesulfonique (APTS), dont la base conjuguée est peu nucléophile et qui est soluble en solvant organique.

• Le rendement de l’estérification de Fischer dépend de la classe de l’alcool : il est de 67 % avec un alcool primaire et de 60 % avec un alcool secondaire.

• L’activation ex situ d’un acide carboxylique consiste à le transformer en chlorure d’acyle ou en anhydride, puis à faire réagir ce dérivé avec un alcool pour former un ester.

💡 Astuce mémo

In situ : activation de l’acide ; ex situ : conversion préalable en dérivé réactif.

📖 4. Synthèse des amides

★ À maîtriser

• La réaction d’un chlorure d’acyle avec une amine forme un amide et du HCl ; une base présente dans le milieu peut capter le HCl.

Compléments

• La réaction directe d’un acide carboxylique avec une amine commence rapidement par une réaction acido-basique quantitative.

• La réaction directe d’un acide carboxylique avec une amine est utilisée dans l’industrie, mais pas au laboratoire ; à chaud, elle peut servir à synthétiser du nylon.

📌 Lorsque l’amine est bon marché et abondante, deux équivalents peuvent être employés, le second captant le HCl ; lorsque l’amine est chère, une base comme la pyridine ou la triéthylamine est ajoutée.

• 🔄 Le mécanisme comprend trois étapes :
  1. Addition nucléophile
  2. Élimination
  3. Réaction acido-basique

📖 5. Synthèse des dérivés d’acides

★ À maîtriser

• Le chlorure de thionyle transforme un acide carboxylique en chlorure d’acyle avec dégagement de SO₂ et de HCl.

Compléments

📐 Formule - La réaction avec le trichlorure de phosphore vérifie $\mathrm{3\,RCOOH + PCl_3 \rightarrow 3\,RCOCl + H_3PO_3}$.

📐 Formule - La réaction avec le pentachlorure de phosphore vérifie $\mathrm{RCOOH + PCl_5 \rightarrow RCOCl + POCl_3 + HCl}$.

• La déshydratation de deux molécules d’acide carboxylique forme un anhydride d’acide et de l’eau, et P₄O₁₀ sert de desséchant.

• Un chlorure d’acyle réagit avec un acide carboxylique en présence de pyridine pour former un anhydride d’acide et du chlorure de pyridinium.

📖 6. Hydrolyse des dérivés d’acides

🔑 Notions clés & Définitions

• Saponification : Hydrolyse basique d’un ester, qui forme un carboxylate et un alcool.

★ À maîtriser

📌 L’hydrolyse acide d’un ester est la réaction inverse de l’estérification de Fischer et forme un acide carboxylique et un alcool.

📌 L’hydrolyse d’un amide est plus difficile que celle d’un ester, car l’amide est moins réactif, et nécessite une température élevée ainsi qu’un milieu acide ou basique concentré.

Compléments

📌 Pour déplacer l’équilibre de l’hydrolyse acide d’un ester vers les produits, on utilise un large excès d’eau.

• 🔄 Le mécanisme comprend cinq étapes :

  1. Activation
  2. Addition
  3. Prototropie
  4. Élimination
  5. Régénération du catalyseur

• La saponification est quantitative et lente, si bien qu’il faut chauffer ; l’ion HO⁻ est consommé et n’est donc pas un catalyseur.

• En milieu basique, l’hydrolyse d’un ester forme RCOO⁻ plutôt que RCOOH ; une étape acide ultérieure protonne le carboxylate.

• L’hydrolyse acide d’un amide est totale et lente ; l’amine protonée n’est plus nucléophile, H⁺ est consommé en excès et le rendement indiqué est d’environ 70 % malgré les conditions utilisées.

💡 Astuce mémo

En milieu basique, on forme le carboxylate ; en milieu acide, l’acide carboxylique.

📖 7. Protection des groupes fonctionnels

🔑 Notions clés & Définitions

• Protection : La protection consiste à masquer temporairement la réactivité d’un groupe caractéristique, puis à le régénérer par une réaction de déprotection.

📝 Points essentiels

• La protection d’un alcool sous forme d’ester masque son acidité, sa nucléophilie et son caractère réducteur pour les alcools primaires et secondaires.

• La protection d’un acide carboxylique sous forme d’ester masque l’acidité de son groupe OH.

• La protection d’une amine primaire ou secondaire sous forme d’amide masque sa basicité, sa nucléophilie et son caractère réducteur.

• Un alcool peut être protégé en ester par Ac₂O ou AcCl en présence de pyridine, puis régénéré par hydrolyse basique ou par excès d’eau en milieu sulfurique chauffé.

• Un acide carboxylique peut être protégé en ester par excès de méthanol avec APTS et chauffage sous Dean-Stark, ou par SOCl₂ puis méthanol ; l’ester est déprotégé par hydrolyse basique ou acide.

• Une amine primaire ou secondaire peut être protégée en amide par Ac₂O ou AcCl en présence de pyridine, puis régénérée par hydrolyse basique ou acide.

📖 8. Peptides et protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison peptidique : Liaison amide formée entre une fonction acide carboxylique et une fonction amine avec libération d’une molécule d’eau.
• Peptide : Polymère d’acides α-aminés reliés par des liaisons peptidiques et possédant deux extrémités réactives.
• Structure primaire : Définie par la séquence de ses acides aminés.

★ À maîtriser

• Dans l’écriture d’une chaîne peptidique, l’acide aminé N-terminal est placé à gauche et l’acide aminé C-terminal à droite.

Compléments

• Dans une liaison peptidique, les quatre atomes C, N, O et H sont dans un même plan.

📌 L’ordre des acides α-aminés distingue les séquences peptidiques, car des peptides ayant des ordres différents ne possèdent pas les mêmes propriétés.

📌 Les oligopeptides comprennent de 2 à quelques dizaines d’acides aminés, tandis que les polypeptides en comprennent un plus grand nombre, généralement non précisé.

• Les protéines sont des polypeptides généralement constitués d’au moins une cinquantaine d’acides aminés et sont des macromolécules de masse molaire élevée.

💡 Astuce mémo

N-terminal à gauche ; C-terminal à droite.