Acides carboxyliques et dérivés

Objectifs du chapitre

À la fin de ce chapitre, vous serez capable de:

• expliquer l'acidité des acides carboxyliques par la résonance de l'ion carboxylate et par l'effet inductif, comparer des $\mathrm{p}{K}_a$ et prévoir la forme d'un acide au pH du sang;
• nommer les acides carboxyliques et leurs dérivés — chlorures d'acyle, anhydrides, esters, amides, nitriles — et passer du nom à la structure;
• écrire le mécanisme de la substitution nucléophile acyle, addition puis élimination par un intermédiaire tétraédrique, et classer les dérivés par réactivité en raisonnant sur le groupe partant et sur la résonance;
• calculer la composition d'un équilibre d'estérification, le rendement d'une préparation et le rendement d'une synthèse limitée par un réactif, et expliquer pourquoi la saponification est irréversible;
• relier la chimie de l'acyle à la médecine et à la science forensique: liaison peptidique, β-lactames, aspirine, métabolisme de la cocaïne et de l'héroïne;
• décrire la polymérisation par étapes, établir l'équation de Carothers et expliquer pourquoi un polyester ou un polyamide de masse élevée exige une conversion proche de 1 et une stœchiométrie exacte.

Le groupe carboxyle

Structure, liaisons hydrogène et dimères

Un acide carboxylique porte le groupe $-\mathrm{COOH}$: un carbone trigonal plan, hybridé $s{p}^2$, lié par une double liaison à un oxygène et par une simple liaison à un groupe hydroxyle. Chimie générale (chapitre 6, exemple 6.3) a déterminé ces hybridations sur l'acide acétique et noté que le groupe entier est plan; c'est cette planéité qui permet au doublet de l'oxygène hydroxylé de se délocaliser vers le carbonyle, ce que le chapitre 2 a écrit avec des flèches courbes.

Le groupe carboxyle est à la fois donneur de liaison hydrogène (par $\mathrm{O}-\mathrm{H}$) et accepteur (par l'oxygène du carbonyle): deux molécules s'associent tête-bêche par deux liaisons hydrogène en un dimère cyclique, forme majoritaire de l'acide acétique en phase gazeuse et dans un solvant apolaire. L'acide acétique ($M=60,05\mathrm{g}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$) bout à 117,9 °C, le propan-1-ol ($M=60,10\mathrm{g}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$), alcool de même masse molaire, à 97,2 °C (): à masse égale, deux liaisons hydrogène par paire valent mieux qu'une. Les petits acides sont miscibles à l'eau; la solubilité chute ensuite avec la longueur de la chaîne.

L'infrarouge porte la signature de ces associations: la bande $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ d'un acide est très large, de 2500 à 3300 $\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-1}$, et le carbonyle absorbe vers 1710 $\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-1}$ (chapitre 13). En RMN du proton, le $\mathrm{COOH}$ sort très loin, entre 10 et 13 ppm (chapitre 14).

Acidité: pourquoi un acide carboxylique est acide

La constante d'acidité de l'acide éthanoïque (acide acétique), $\mathrm{p}{K}_a=4,76$, est celle de Chimie générale (chapitre 12). Celle de l'éthanol, sa référence naturelle puisque les deux portent un $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ sur un carbone, est d'environ 16. L'écart, $16-4,76\approx 11$ unités, signifie un facteur d'environ $10^{11}$ sur . Deux causes, que le chapitre 2 a appris à séparer, l'expliquent.

• La résonance de la base conjuguée. Dans l'ion carboxylate $\mathrm{RCO}{\mathrm{O}}^{-}$, la charge négative est répartie sur deux oxygènes équivalents: les deux formes limites sont identiques, et les deux liaisons $\mathrm{C}-\mathrm{O}$ ont la même longueur, intermédiaire entre une simple et une double. L'ion éthanolate $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}^{-}$ garde sa charge sur un seul oxygène. Une base conjuguée stabilisée, c'est un acide plus fort.

Les substituants modulent ensuite l'acidité de façon prévisible. La série chlorée du chapitre 2 — acide éthanoïque 4,76, chloroéthanoïque 2,87, dichloroéthanoïque environ 1,3, trichloroéthanoïque environ 0,7 — montre l'effet $-I$ cumulé des chlores. L'acide méthanoïque (formique, 3,75), privé du groupe méthyle légèrement donneur, est plus acide que l'acide acétique; l'acide benzoïque (4,20) aussi, d'environ un facteur $10^{4,76-4,20}=3,6$ sur $K_a$, parce que le carbone $s{p}^2$ du cycle est plus électroattracteur qu'un carbone .

Au pH du sang, un acide carboxylique est un anion. Pour l'acide acétique à pH 7,4, la relation de Henderson–Hasselbalch (chapitre 2, théorème 2.3) donne une fraction ionisée de $1/(1+10^{4,76-7,4})=99,77\%$. C'est vrai de tous les anti-inflammatoires de la famille des acides carboxyliques — aspirine, ibuprofène, naproxène —, dont la forme neutre ne domine que dans l'estomac; le chapitre 2 a chiffré le cas de l'aspirine: 0,99 % ionisée à pH 1,5, 99,99 % à pH 7,4.

Carboxylates et savons

Un acide carboxylique réagit avec l'hydroxyde de sodium, et même avec l'hydrogénocarbonate (acide carbonique, $\mathrm{p}{K}_a=6,35$), pour donner un sel de carboxylate soluble dans l'eau: c'est le principe de l'extraction acide–base du chapitre 2 (exemple 2.4).

Les savons sont les sels de sodium ou de potassium d'acides gras à longue chaîne (12 à 18 carbones), obtenus par saponification des graisses (plus loin dans ce chapitre, et chapitre 15). Leur ion est amphiphile — une tête carboxylate hydrophile, une queue hydrocarbonée hydrophobe — et s'assemble dans l'eau en micelles qui piègent les graisses en leur cœur. Dans une eau dure, les carboxylates de calcium précipitent et le savon perd son effet; les détergents à tête sulfonate n'ont pas ce défaut.

Nommer les acides et leurs dérivés

Les noms usuels — acide formique, acétique, butyrique, adipique — sont admis après le nom IUPAC. Le tableau donne la série acétyle, que les figures de ce chapitre utilisent.

La substitution nucléophile acyle

Addition, puis élimination

Le chapitre 10 a montré qu'un nucléophile s'additionne au carbonyle d'un aldéhyde ou d'une cétone: l'alcoolate tétraédrique formé est protoné, et le produit garde le nucléophile. Un dérivé d'acide se comporte autrement, pour une raison simple: son carbonyle porte un groupe $\mathrm{Y}$ capable de partir. L'alcoolate tétraédrique ne s'arrête pas: son doublet reforme la double liaison $\mathrm{C}=\mathrm{O}$, et c'est ${\mathrm{Y}}^{-}$ qui est expulsé. Le bilan est une substitution de $\mathrm{Y}$ par $\mathrm{Nu}$ sur le carbone acyle.

Un aldéhyde et une cétone n'ont pas cette seconde voie parce que ${\mathrm{H}}^{-}$ et ${\mathrm{R}}^{-}$ sont des bases extrêmement fortes (le $\mathrm{p}{K}_a$ d'un alcane est d'environ 50) et ne partent jamais. À la différence d'une SN2 (chapitre 6), qui se fait en une étape par l'arrière d'un carbone $s{p}^3$, la substitution acyle passe par un intermédiaire sur un carbone trigonal plan: aucune stéréochimie n'est créée ni perdue au carbone acyle. Cet intermédiaire n'est pas une hypothèse de commodité: dans l'hydrolyse d'un ester marqué à l'oxygène 18 au carbonyle, l'ester qui n'a pas encore réagi perd une partie de son marquage (Bender, 1951), ce qui exige un intermédiaire où les deux oxygènes deviennent équivalents, puis qui revient en arrière.

L'ordre de réactivité des dérivés

Le chlorure d'acétyle fume à l'air humide; l'acétate d'éthyle sert de solvant d'extraction que l'on lave à l'eau; un amide résiste à l'eau bouillante. L'ordre se résume ainsi.

Justification. C'est une règle empirique, mais elle s'explique par deux effets qui vont dans le même sens.

1. Le groupe partant. L'étape d'élimination est d'autant plus facile que ${\mathrm{Y}}^{-}$ est une base faible, donc que l'acide $\mathrm{HY}$ est fort. Les $\mathrm{p}{K}_a$ des acides conjugués, pris dans le tableau du cours, suivent l'échelle: $\mathrm{HCl}$ environ $-7$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}$ 4,76, 14,0, environ 16, environ 38. C'est la même logique qu'en SN2 (chapitre 6): les bons groupes partants sont les bases conjuguées d'acides forts.

L'infrarouge confirme le second effet, indépendamment de toute cinétique (figure 11.2): plus $\mathrm{Y}$ donne d'électrons au carbonyle, plus la liaison $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ prend un caractère de simple liaison et plus sa bande descend, d'environ 1800 $\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-1}$ pour un chlorure d'acyle à 1630–1690 pour un amide.

L'ordre de réactivité est aussi une carte des conversions. On descend l'échelle sans difficulté: un chlorure d'acyle donne un anhydride, un ester, un amide ou l'acide; un anhydride donne un ester ou un amide; un ester donne un amide. On ne la remonte pas directement — un amide ne donne pas d'ester avec un alcool —: il faut changer le groupe partant par un réactif dédié, le chlorure de thionyle $\mathrm{SOC}{\mathrm{l}}_2$ pour passer de l'acide au chlorure d'acyle.

Catalyse acide et catalyse basique

Deux moyens accélèrent une substitution acyle, et ils agissent sur des étapes différentes.

• En milieu acide, le proton se fixe sur l'oxygène du carbonyle; le carbone devient beaucoup plus électrophile, et un nucléophile faible, l'eau ou un alcool, peut l'attaquer. Le groupe partant s'en va protoné (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$), et le proton est rendu à la fin: c'est un catalyseur au sens de Chimie générale (définition 10.7), qui abaisse la barrière sans changer la constante d'équilibre.
• En milieu basique, on remplace le nucléophile faible par un nucléophile fort, $\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$ ou . Pour l'hydrolyse d'un ester, la base est consommée (exemple 11.1); pour une transestérification par un alcoolate, elle est régénérée et joue le rôle de catalyseur.

Un piège en découle: un acide carboxylique ne réagit pas avec un nucléophile basique, car la réaction acide–base, bien plus rapide, le convertit d'abord en carboxylate. Mélanger acide acétique et méthylamine donne un sel d'ammonium, pas un amide (constante $6,9\times 10^5$, chapitre 2, exemple 2.2); il faut chauffer fortement ce sel, ou activer l'acide.

Des acides aux esters, et retour

L'estérification de Fischer

Chauffer un acide carboxylique avec un alcool en présence d'un acide fort (acide sulfurique, acide paratoluènesulfonique) donne un ester et de l'eau: c'est l'estérification de Fischer. Le mécanisme est la substitution nucléophile acyle sous catalyse acide, et chaque étape est réversible:

1. le proton se fixe sur l'oxygène du carbonyle de l'acide;
2. l'alcool attaque le carbone activé par un doublet de son oxygène, qui devient un oxonium: c'est l'intermédiaire tétraédrique;
3. un proton passe de cet oxonium à l'un des deux groupes $\mathrm{OH}$, qui devient $-\mathrm{O}{\mathrm{H}}_2^{+}$;
4. le doublet d'un $\mathrm{OH}$ restant reforme le carbonyle et l'eau est expulsée: on obtient l'ester protoné;
5. l'ester protoné cède son proton, qui est rendu au milieu.

Avec de l'éthanol marqué à l'oxygène 18, l'oxygène marqué se retrouve dans l'ester et non dans l'eau: c'est la liaison $\mathrm{C}-\mathrm{OH}$ de l'acide qui se rompt. L'hydrolyse acide d'un ester est le même mécanisme parcouru en sens inverse (réversibilité microscopique).

L'équilibre. Berthelot et Péan de Saint-Gilles ont établi en 1862 que la réaction de l'acide acétique avec l'éthanol s'arrête toujours à la même composition, quel que soit le sens d'où l'on part. La constante, écrite en quantités de matière (les volumes s'éliminent, le nombre de molécules ne changeant pas),

ne dépend presque pas de la température: l'estérification est presque athermique, et la loi de van 't Hoff (Chimie générale, théorème 11.6) prédit alors un $K$ quasi constant. C'est un équilibre, et le principe de Le Chatelier (Chimie générale, théorème 11.5) dit comment le déplacer: mettre un réactif en excès, en général le moins cher (l'alcool, souvent utilisé comme solvant), ou retirer un produit, l'eau, par distillation azéotropique dans un appareil de Dean–Stark ou par un agent desséchant.

Partez du mélange équimolaire: 66,7 %. Montez l'éthanol à 3 équivalents: 90,3 %, la valeur de l'exemple 11.2. Revenez à 1 équivalent et retirez 90 % de l'eau: 86,3 %. Dans tous les cas, $Q$ calculé sur ce qui reste dans le ballon affiche 4,00. Le modèle est simplifié — une fraction fixe de l'eau formée quitte le mélange —, mais il montre l'essentiel: on améliore le rendement en changeant la composition, jamais la constante.

Saponification et transestérification

La saponification (définition 11.3) est la voie de choix pour hydrolyser un ester, parce qu'elle est totale; on acidifie ensuite pour libérer l'acide. Appliquée aux triglycérides, triesters du propane-1,2,3-triol (glycérol) et de trois acides gras, elle donne le glycérol et trois ions carboxylate: c'est la fabrication du savon, que le chapitre 15 reprend avec la structure des lipides.

La transestérification échange le groupe alkyle d'un ester, $\mathrm{RCOO}{\mathrm{R}}^{\prime }+{\mathrm{R}}^{\prime \prime }\mathrm{OH}\rightleftharpoons \mathrm{RCOO}{\mathrm{R}}^{\prime \prime }+{\mathrm{R}}^{\prime }\mathrm{OH}$, sous catalyse acide ou basique (l'alcoolate ${\mathrm{R}}^{\prime \prime }{\mathrm{O}}^{-}$ attaque, part, la base est régénérée). Les deux alcoolates ayant des basicités voisines, l'équilibre ne penche d'aucun côté: on le déplace par un excès du nouvel alcool. Le en est l'application industrielle: une huile végétale traitée par le méthanol en excès, en présence d'une base, donne du glycérol et trois esters méthyliques d'acides gras, assez fluides pour un moteur Diesel. On retrouvera la transestérification dans le métabolisme de la cocaïne et la fabrication du PET.

Chlorures d'acyle et anhydrides

Les deux dérivés les plus réactifs sont les outils du laboratoire pour remonter l'échelle. Un acide traité par le chlorure de thionyle donne le chlorure d'acyle:

Le mécanisme transforme le $\mathrm{OH}$ en un excellent groupe partant (un chlorosulfite), comme pour les alcools au chapitre 6, puis l'ion chlorure fait une substitution acyle; les deux sous-produits sont des gaz qui quittent le milieu, ce qui rend la réaction totale.

Un chlorure d'acyle réagit avec l'eau (d'où le travail à sec), un alcool, une amine ou un carboxylate. Chaque réaction libère $\mathrm{HCl}$, que l'on neutralise par une base non nucléophile (pyridine, triéthylamine) ou par un second équivalent d'amine. Les anhydrides, un peu moins réactifs, libèrent un acide carboxylique plutôt que $\mathrm{HCl}$: l'anhydride acétique acétyle un phénol (l'aspirine, plus bas) ou une amine (le paracétamol est l'amide acétique du 4-aminophénol).

Amides et nitriles

La liaison amide et la liaison peptidique

L'amide est le dérivé le plus stable, et c'est la résonance qui en est responsable (chapitre 2). Le doublet de l'azote se délocalise vers le carbonyle:

Trois conséquences en découlent. L'azote d'un amide n'est pas basique: son doublet est engagé dans le système $\pi$, et un amide se protone sur l'oxygène (chapitre 2). La liaison $\mathrm{C}-\mathrm{N}$ a un caractère partiel de double liaison: la rotation est assez lente pour que les deux méthyles du DMF donnent deux signaux distincts en RMN à température ambiante. Les six atomes — le carbone $\alpha$, $\mathrm{C}$, $\mathrm{O}$, $\mathrm{N}$, $\mathrm{H}$ et l'atome lié à l'azote — sont coplanaires.

Cette planéité donne forme aux protéines: une chaîne peptidique est une suite de plaques rigides articulées sur les carbones $\alpha$ (chapitre 15). Sa stabilité est l'autre condition de la vie: une protéine est thermodynamiquement instable vis-à-vis de l'hydrolyse, mais l'hydrolyse non catalysée est si lente que la protéine dure. Au laboratoire, l'hydrolyse totale d'une protéine se fait par l'acide chlorhydrique 6 M vers 110 °C pendant une journée; les protéases de la digestion font la même chose à 37 °C. Pour former une liaison peptidique, la cellule active d'abord l'acide aminé en un ester de son ARN de transfert, un dérivé plus haut dans l'échelle de la figure 11.2 — la stratégie du chimiste qui active un acide avant de l'opposer à une amine.

Les nitriles

Un nitrile $\mathrm{R}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ s'obtient par une SN2 de l'ion cyanure sur un halogénoalcane (chapitre 6), ce qui allonge la chaîne d'un carbone; son carbone est au degré d'oxydation d'un acide (chapitre 9). En milieu acide ou basique chaud, il s'hydrate en amide, que l'hydrolyse prolongée convertit en acide: $\mathrm{RBr}$ devient ainsi $\mathrm{RCOOH}$ à un carbone de plus. Réduit par $\mathrm{LiAl}{\mathrm{H}}_4$, il donne l'amine primaire $\mathrm{RC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ (chapitre 9).

Les β-lactames: un amide qui réagit

Les pénicillines et les céphalosporines contiennent un cycle β-lactame, un amide cyclique à quatre chaînons, qui fait exception à la règle. Deux effets le rendent réactif: la tension de cycle, avec des angles d'environ 90° au lieu de 120° (chapitre 3 pour la tension du cyclobutane), et la perte de résonance, car l'azote, pris dans deux cycles fusionnés, ne peut pas devenir plan et délocalise mal son doublet.

Le mode d'action est une substitution acyle dans un site actif. Les bactéries réticulent leur paroi de peptidoglycane grâce à des transpeptidases dont le site actif porte une sérine: son $\mathrm{OH}$ attaque le carbonyle du β-lactame, le cycle s'ouvre, et l'enzyme reste acylée, bloquée par un ester stable. Privée de réticulation, la paroi cède. La résistance suit la même chimie: les β-lactamases ont aussi une sérine, mais elles hydrolysent l'ester formé et détruisent l'antibiotique. L'acide clavulanique, associé à l'amoxicilline, acyle la β-lactamase sans la laisser se régénérer.

L'aspirine, de la synthèse à l'action

La préparation et son rendement

L'aspirine, acide 2-(acétyloxy)benzoïque, est l'ester acétique du phénol de l'acide salicylique. On la prépare en acétylant l'acide salicylique par l'anhydride acétique, avec une goutte d'acide sulfurique ou phosphorique comme catalyseur:

Le phénol attaque un carbonyle de l'anhydride activé par le proton, et l'intermédiaire tétraédrique expulse l'acétate, qui part protoné: on descend l'échelle d'un cran. L'acide acétique ne conviendrait pas: avec un phénol, nucléophile médiocre, l'équilibre de Fischer serait défavorable.

L'aspirine se dégrade, et elle agit en acétylant

Une aspirine conservée dans une salle de bains humide sent le vinaigre: l'ester s'hydrolyse lentement en acide salicylique et en acide acétique. Le test au chlorure de fer(III), violet avec un phénol libre, détecte cette dégradation; l'aspirine intacte, dont le phénol est estérifié, ne le donne pas.

Son action est, elle aussi, une substitution acyle. Les cyclooxygénases (COX) transforment l'acide arachidonique en prostaglandines (inflammation, douleur, fièvre) et, dans les plaquettes, en thromboxane, qui déclenche leur agrégation. L'aspirine transfère son acétyle sur le $\mathrm{OH}$ d'une sérine du site actif (la sérine 530 de la COX-1): le phénol de l'acide salicylique est le groupe partant, et l'ester formé bouche le canal. L'inhibition est irréversible, contrairement à celle de l'ibuprofène, non covalente. Une plaquette, sans noyau, ne peut pas resynthétiser l'enzyme: l'effet dure toute sa vie, ce qui fonde l'usage de l'aspirine contre les thromboses.

Fil forensique: les esters des stupéfiants

Deux stupéfiants majeurs sont des esters, et leur métabolisme est de la chimie de l'acyle catalysée par des estérases. Le toxicologue le lit à l'envers: d'un métabolite trouvé dans le sang ou l'urine, il remonte à la substance consommée, et parfois aux circonstances. Il n'est question ici que de structure, de métabolisme et d'analyse.

La cocaïne et ses trois métabolites

La cocaïne (${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{21}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_4$, $M=303,36\mathrm{g}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$) est un bâti sur un squelette bicyclique azoté, le tropane: un ester () et un ester (). Chacun peut être hydrolysé séparément (figure 11.3).

• Hydrolyse de l'ester méthylique → benzoylecgonine (${\mathrm{C}}_{16}{\mathrm{H}}_{19}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_4$, 289,33). Catalysée par les carboxylestérases du foie, elle se fait aussi sans enzyme au pH du sang. La benzoylecgonine est le principal métabolite urinaire, et sa présence dans l'urine signe une consommation de cocaïne bien après que la cocaïne elle-même a disparu. La différence de masse avec la cocaïne est celle d'un groupe $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ (14,03): on remplace par .

Conséquence pratique: la cocaïne continue de s'hydrolyser dans le tube après le prélèvement, et un dosage tardif sous-estimerait la cocaïne et surestimerait la benzoylecgonine. Les prélèvements sont donc recueillis sur fluorure de sodium, un inhibiteur des estérases, et conservés au froid. L'identification se fait par chromatographie couplée à la spectrométrie de masse (chapitre 13; pic de base de la cocaïne à $m/z$ 82).

L'héroïne, la 6-MAM et la morphine

L'héroïne (diacétylmorphine, ${\mathrm{C}}_{21}{\mathrm{H}}_{23}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_5$, $M=369,42\mathrm{g}\mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$) est le de la morphine: ses deux groupes , en position 3 (un phénol) et en position 6 (un alcool secondaire), sont acétylés. Dans l'organisme, les estérases du sang et du foie retirent ces deux acétyles l'un après l'autre:

Chaque étape fait perdre un groupe ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ (42,04) et regagne un $\mathrm{OH}$. L'ordre se comprend avec le théorème 11.1: l'ester en position 3 est un ester de phénol, dont le groupe partant est un phénolate, base conjuguée d'un acide de $\mathrm{p}{K}_a$ voisin de 10 (phénol: 10,0); celui en position 6 est un ester d'alcool, dont le groupe partant est un alcoolate ($\mathrm{p}{K}_a$ voisin de 16). Le premier est donc le plus réactif, et c'est lui qui part en premier, en ne laissant que l'acétyle en 6: la (6-MAM, ).

La 6-MAM est le marqueur de l'héroïne. La morphine, elle, ne prouve rien de précis: elle peut provenir de l'héroïne, d'un médicament à base de morphine, de la codéine (que le foie déméthyle partiellement en morphine) ou même de graines de pavot alimentaires. Aucune de ces sources ne contient de groupe acétyle à perdre: seule l'héroïne peut produire la 6-MAM. Sa fenêtre de détection est courte, parce que l'hydrolyse de la seconde fonction ester se poursuit, et sa recherche demande, comme pour la cocaïne, des prélèvements conservés sur fluorure.

La polymérisation par étapes

Polyesters, polyamides et leurs cousins

Le chapitre 7 a décrit la polymérisation en chaîne (définition 7.5), où un centre actif ajoute les monomères un à un. Les polyesters et les polyamides naissent autrement.

Chacun des grands matériaux de cette famille repose sur une réaction de ce chapitre.

• Polyesters. Le PET, poly(téréphtalate d'éthylène) des bouteilles et des fibres, unit l'acide téréphtalique et l'éthane-1,2-diol, par estérification ou par transestérification du téréphtalate de diméthyle. Les polyesters des acides lactique et glycolique font des fils de suture résorbables, dont les esters s'hydrolysent lentement dans les tissus.
• Polyamides. Le nylon-6,6 unit l'hexane-1,6-diamine et l'acide hexanedioïque (adipique), six carbones chacun. On cristallise d'abord le sel de nylon, carboxylate d'ammonium 1:1 des deux monomères, ce qui assure une stœchiométrie exacte; le chauffage du sel forme ensuite les amides. Le nylon-6 vient de l'ouverture du caprolactame (chapitre 12). Les aramides (Kevlar), issus du dichlorure de l'acide téréphtalique et de la benzène-1,4-diamine, ont des chaînes rigides liées par des liaisons hydrogène $\mathrm{N}-\mathrm{H}\cdots \mathrm{O}=\mathrm{C}$: des fibres d'une résistance exceptionnelle.
• Polycarbonates. Polyesters de l'acide carbonique, obtenus par transestérification du carbonate de diphényle par le bisphénol A.
• Polyuréthanes. Un diol s'additionne sur un diisocyanate ($\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{N}-\mathrm{R}-\mathrm{N}=\mathrm{C}=\mathrm{O}$) en carbamates $-\mathrm{NH}-\mathrm{CO}-\mathrm{O}-$, sans libérer de petite molécule: une polymérisation par étapes qui n'est pas une condensation.

Pourquoi il faut aller presque jusqu'au bout: Carothers

À 90 % de conversion des groupes, on ne tient que des oligomères d'une dizaine d'unités. Wallace Carothers, inventeur du nylon chez DuPont dans les années 1930, a donné la relation qui chiffre ce constat.

La lettre $p$ désigne ici une conversion, alors qu'elle désignait une pression en Chimie générale; le contexte ne laisse pas de doute.

Démonstration. Introduisons $N_0$ molécules de monomère au total, $N_0/2$ de $\mathrm{A}-\mathrm{A}$ et $N_0/2$ de $\mathrm{B}-\mathrm{B}$: il y a groupes et groupes . Chaque réaction consomme un groupe et un groupe et réunit deux molécules en une seule: elle diminue de un le nombre de molécules. Lorsqu'une fraction des groupes a réagi, il s'est produit réactions, et il reste

molécules, puisque, sans cycle, aucune réaction ne relie deux extrémités d'une même molécule. Le nombre de résidus ne change pas ($N_0$), d'où ${\overline{X}}_n=N_0/N=1/(1-p)$.

La relation (11.2) est impitoyable (figure 11.4): ${\overline{X}}_n=2$ à $p=0,5$, 10 à $p=0,9$, 100 à $p=0,99$, 200 à . Un polymère utile, d'une centaine de résidus au moins, exige plus de 99 % de conversion, donc une réaction sans réaction secondaire, un équilibre déplacé jusqu'au bout (on retire l'eau sous vide en fin de réaction) et une . Pour cette dernière, la généralisation de Carothers à un rapport des groupes, que l'on trouvera démontrée chez Odian, s'écrit

Un excès de 1 % d'un monomère ($r=0,99$) plafonne ${\overline{X}}_n$ à 199, même à conversion totale; un excès de 2 % ($r=0,98$), à 99. Toutes les extrémités finissent par porter le groupe en excès; à l'inverse, un acide monofonctionnel ajouté en quantité dosée sert à fixer la masse molaire voulue. La théorie statistique de Flory ajoute que la dispersité d'un polymère par étapes vaut ${\overline{M}}_w/{\overline{M}}_n=1+p$, qui tend vers 2: les polymères par étapes sont toujours polydisperses (les moyennes et sont celles du chapitre 7, définition 7.7).

Synthèse

• Un acide carboxylique est environ $10^{11}$ fois plus acide qu'un alcool parce que sa base conjuguée répartit sa charge sur deux oxygènes équivalents; les substituants électroattracteurs augmentent l'acidité (acétique 4,76, benzoïque 4,20, chloroéthanoïque 2,87), et au pH du sang un acide carboxylique est un anion (99,77 % pour l'acide acétique). Ses sels d'acides gras sont les savons.
• Les dérivés d'acide réagissent par substitution nucléophile acyle: addition sur le carbonyle, intermédiaire tétraédrique, élimination du groupe partant. Leur réactivité suit l'ordre chlorure d'acyle > anhydride > ester ≈ acide > amide > carboxylate (théorème 11.1), qui s'explique par le $\mathrm{p}{K}_a$ de $\mathrm{HY}$ et par la résonance de $\mathrm{Y}$ avec le carbonyle, et que confirme la bande $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ en infrarouge. On descend l'échelle directement; on la remonte en activant l'acide ().

Exercices

Vous pouvez afficher le corrigé directement sous chaque énoncé après avoir cherché la solution.

Références

• Clayden, J., Greeves, N. & Warren, S., Chimie organique, De Boeck (trad. de Organic Chemistry, 2ᵉ éd., OUP) — substitution nucléophile acyle, réactivité des dérivés, estérification.
• Vollhardt, K. P. C. & Schore, N. E., Traité de chimie organique, De Boeck — acides carboxyliques et dérivés, amides et nitriles.
• McMurry, J., Chimie organique — les grands principes (avec E. Simanek), Dunod — acidité des acides carboxyliques, β-lactames, polyamides et polyesters.
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