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Molécules et matériaux organiques
Partie 1. Addition nucléophile suivie d’élimination (A
N+ E) 1.3. Hydrolyse des dérivés d’acide
Objectifs du chapitre
→ Notions à connaître :
Hydrolyses acide et basique des esters et des amides : conditions opératoires.
Mécanisme limite de la saponification.
→ Capacités exigibles :
Justifier le choix des conditions opératoires d’hydrolyse.
L’idée générale de ce chapitre est d’identifier les conditions permettant de revenir à l’acide carboxylique à partir des groupes dérivés, esters et amides.
Hydrolyse :
Hydratation :
L’hydrolyse d’un dérivé d’acide reforme l’acide carboxylique correspondant.
La chaîne carbonée n’est pas modifiée : même nombre de C, associés de la même façon.
Problématique :
Quelles sont les conditions opératoires à privilégier pour réaliser l’hydrolyse des dérivés d’acides avec un rendement optimal ?
Acide carboxylique
Préparation
Hydrolyse
Dérivé d’acide
-2- Expl d’hydrolyses d’esters et d’amides :
1. Hydrolyse des esters des esters
1.1. Problèmes à dépasser ?
A quelles difficultés est-on confrontés lorsque l’on souhaite faire agir l’eau sur un ester ?
Quelles solutions peut-on envisager ?
Est-ce intéressant ou possible de combiner ces solutions ?
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1.2. Hydrolyse basique des esters
Cette réaction est utilisée depuis l’Antiquité pour la fabrication des savons qui sont des sels de carboxylates d’acides gras. De ce fait, l’hydrolyse basique des esters est souvent appelée saponification.
Expl :Fabrication d’un savon à partir d’un corps gras (triglycéride) et de soude (cendres)
L’ion hydroxyde agit-il en tant que catalyseur ? Rappeler son rôle ici.
Pourquoi n’obtient-on pas l’acide carboxylique mais l’ion carboxylate ?
Comment récupérer l’acide carboxylique ? Equation de la saponification :
-4- Mécanisme de la réaction
Voir sujet le DM n°1 (Centrale 2014) pour retrouver les preuves historiques ayant conduit à choisir ce mécanisme
Addition nucléophile de l’ion hydroxyde HO- sur l’ester (sans activation, car HO- est assez nucléophile)
Elimination d’un alcoolate R’O-pour reformer la double liaison C=O
Réaction acide-base quasi-totale entre l’acide carboxylique et l’alcoolate R’O- (base forte)
Evaluer la constante d’équilibre de la dernière étape. Quelle est son influence sur l’ensemble de la réaction ?
Caractéristiques de la saponification et solutions en cas de problème
Remarque : En remplaçant HO- par un alcoolate R’’O-, on peut modifier sur l’ester R-CO-OR’, la partie provenant de l’alcool R’OH par celle d’un alcool différent R’’OH. Cela s’appelle une transestérification.
O
1 2
O
O
1
O
1 O
1 O
2
+ +
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1.3. Hydrolyse acide des esters
Rappeler le rôle du milieu acide pour cette réaction.
Mécanisme de la réaction
Activation électrophile de l’ester par l’acide,
Addition nucléophile de l’eau,
Prototropie pour avoir l’élimination d’un alcool (pKA ≈ -2) au lieu d’un alcoolate (pKA ≈ 18)
Elimination de l’alcool pour reformer la double liaison C=O,
Régénération du catalyseur.
H3C C O
OCH3
H3C C O
OCH3 H
H3C C OH
OCH3 + H Protonation
H3C C OH
OCH3
AN
H3C C OH
OCH3 O
H
H + H2O
H3C C OH
O O
H
H3C H
H3C C OH
O
O H
H3C H Prototropie
H3C C OH
O OH
H3C H H3C C
OH O H
H3C C O
OH E
- CH3OH - H+
Caractéristiques de l’hydrolyse acide des esters et solutions en cas de problème ? Equation de l’hydrolyse acide des esters :
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2. Hydrolyse des amides
Hydrolyse acide des amides Bilan :
H3C C O
NH2
H3C C O OH
+ H3O + NH4
Caractéristiques :
Réaction limitée ;
Réaction très lente
L’acide H3O+ est un réactif (pas uniquement un catalyseur)
Mécanisme : 5 étapes
o Activation électrophile de l’amide par l’acide, o Addition nucléophile de l’eau,
o Prototropie pour avoir l’élimination d’une amine (pKA ≈ 10) au lieu d’un amidure (pKA ≈ 35) o Elimination de l’amine pour reformer la double liaison C=O,
o Régénération du catalyseur.
H3C C O
NH2
H3C C O
NH2 H
H3C C OH
NH2 + H+ protonation
H3C C OH
NH2
AN
H3C C OH
NH2 O
H
H + H2O
H3C C OH
NH3 O H prototropie
H3C C OH
NH2 O
H
H
H3C C
OH O
H E
H3C C + OH
NH3
O H H N H
H
H3C C
OH O
H
H3C C O
OH +
A/B + NH4
H N H
H
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Hydrolyse basique des amides Bilan :
H3C C O
NH2
H3C C O
O-
+ H0- + NH3
Caractéristiques :
Réaction totale (rendement 95 %) ;
Réaction très lente (nécessité de chauffer à reflux)
HO- est ici un réactif Mécanisme : 3 étapes :
o Addition nucléophile de l’ion hydroxyde HO- sur l’amide (sans activation, car HO- est assez nucléophile)
o Elimination d’un amidure pour reformer la double liaison C=O
o Réaction acide-base quasi-totale entre l’acide carboxylique et l’amidure
H3C C O
NH2
AN
H3C C O
NH2 + HO OH
H3C C O
O E
H3C C O
NH2
OH N
H H
H +
H3C C O
O
H3C C O
O
+ NH3 N
H H
H
A/B
La réaction a/b est totale et déplace les équilibres dans le sens de la formation de du carboxylate le processus est non renversable
La réaction reste néanmoins lente et nécessite un chauffage à reflux important.
L’hydrolyse (acide ou basique) des amides nécessite des conditions plus dures que celle des esters (chauffage prolongé) car les amides sont encore moins réactifs que les esters vis-à-vis des réactifs nucéophiles.
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3. Hydrolyse des autres dérivés d’acide
Ecrire le bilan de la réaction d’hydrolyse d’un chlorure d’acyle et celle d’un anhydride d’acide.
Que peut-on prévoir concernant les conditions expérimentales nécessaires à ces conversions ?
Pourquoi ne trouve-t-on pas de chlorures d’acyle et d’anhydrides d’acide dans la nature ?
4. Séquence « préparation puis hydrolyse » en synthèse organique
Fonction de protection des alcools Fonction de protection des amines
Protection :
C O
OH
H+
H3C C O
OR + H2O + ROH
Réactions…
Déprotection :
C O
O H3C C
O
OR'
+ HO- + R'OH
Protection :
C O
OH
H3C C
O
NHR + H2O + RNH2
Réactions…
Déprotection :
C O
O H3C C
O
NHR'
+ HO- + R'NH2
-9- Pourquoi préfère-t-on réaliser la déprotection en milieu basique ?
Commenter les deux synthèses suivantes.
Synthèse 1 :
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Synthèse 2 :
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Protection des alcools qui peuvent être abordées avec le programme de PCSI :
Pour protéger un groupement hydroxyle, on peut le masquer temporairement sous forme d’éther benzylique ou d’hémi-acétal.
Exemple 1 : Protection d’alcool sous forme d’étheroxyde benzylique
Protection : (SN d’un alcoolate sur un bromure de benzyle)
R OH + NaH
- H2 R O + Na+
R O + CH2 Br CH2 O R + Br
Réactions…
Déprotection : (hydrogénolyse)
CH2 O R' H2
O R'
H CH3
Pd/C
+
Exemple 2 : Protection d’alcool sous forme d’hémi-acétal au moyen du DHP (dihydropyrane)
