Objectifs

• Reconnaître et nommer un ester à partir de sa formule.
• Expliquer ses propriétés physiques : odeur, solubilité, température d'ébullition.
• Écrire et comparer l'hydrolyse et la saponification d'un ester.
• Faire un bilan de matière pour une saponification et citer les usages industriels des esters.

1. Rappel : qu'est-ce qu'un ester ?

Un ester est obtenu par réaction d'un acide carboxylique avec un alcool (estérification). Il possède le groupe ester :

où \(\ce{R}\) vient de l'acide (ou est un atome \(\ce{H}\)) et \(\ce{R'}\) vient de l'alcool (\(\ce{R'}\) ne peut pas être \(\ce{H}\)).

Voici l'éthanoate d'éthyle, le solvant de nombreux dissolvants de vernis à ongles. Place les noms des parties :

Exemple résolu 1 : nommer un ester

Nomme l'ester \(\ce{CH3-COO-CH2-CH3}\) et retrouve l'acide et l'alcool qui l'ont formé.

2. Propriétés physiques

2.1 Une odeur souvent fruitée

Les esters de petite taille ont souvent une odeur agréable, fruitée ou florale :

2.2 Peu solubles dans l'eau

Contrairement aux acides carboxyliques et aux alcools, les esters n'ont pas de groupe \(\ce{-OH}\). Ils ne peuvent pas « s'accrocher » aussi bien aux molécules d'eau : ils sont peu solubles dans l'eau, et souvent moins denses qu'elle. Dans un tube à essai, l'ester forme une couche qui surnage. En revanche, ce sont de bons solvants des corps gras, des vernis et des colles.

2.3 Une température d'ébullition plus basse

Pour la même raison (pas de groupe \(\ce{-OH}\), donc pas de liaisons hydrogène entre molécules d'ester), les esters bouillent à plus basse température que les acides et les alcools de taille voisine : ils sont volatils.

Exemple résolu 2 : comparer deux isomères

L'éthanoate d'éthyle et l'acide butanoïque ont la même formule brute \(\ce{C4H8O2}\). L'un bout vers \(77\,^{\circ}\mathrm{C}\), l'autre vers \(164\,^{\circ}\mathrm{C}\). Lequel bout à \(77\,^{\circ}\mathrm{C}\) ? Cherche d'abord.

3. Propriétés chimiques

3.1 L'hydrolyse : lente et limitée

L'hydrolyse est la réaction d'un ester avec l'eau. C'est la réaction inverse de l'estérification :

Elle est lente, limitée (elle s'arrête à un équilibre) et athermique. Pour un mélange initial de 1 mol d'ester et 1 mol d'eau (ester d'alcool primaire), il ne se forme qu'environ \(\tfrac{1}{3}\) mol d'acide : l'équilibre est le même que celui de l'estérification, où l'on obtient environ \(\tfrac{2}{3}\) mol d'ester.

On l'accélère en chauffant ou avec un catalyseur (ions \(\ce{H+}\)), mais on ne déplace pas l'équilibre ainsi.

3.2 La saponification : totale

La saponification est la réaction d'un ester avec les ions hydroxyde \(\ce{HO-}\) (soude \(\ce{Na+ + HO-}\) ou potasse \(\ce{K+ + HO-}\)) :

Elle donne un ion carboxylate et un alcool. On l'accélère en chauffant (chauffage à reflux) ; surtout, elle est totale : l'ion carboxylate ne réagit pas avec l'alcool, il n'y a pas de retour en arrière.

Les huiles et graisses sont des triglycérides (triesters du glycérol). Leur saponification donne du glycérol et des carboxylates de sodium à longue chaîne : c'est le savon.

flowchart LR
E[Ester] -->|eau lente et limitee| H[Acide et alcool]
E -->|soude totale| S[Carboxylate et alcool]
S -->|chaine longue| V[Savon]

Fais glisser le curseur \(k\) (vitesse de la réaction, en unités arbitraires) et observe la quantité d'ester restante en fonction du temps : la courbe du bas modélise la saponification (tout l'ester disparaît), celle du haut l'hydrolyse (il reste environ \(\tfrac{2}{3}\) mol d'ester).

Exemple résolu 3 : bilan d'une saponification

On saponifie \(8{,}8\) g d'éthanoate d'éthyle par un excès de soude. Quelle masse d'éthanoate de sodium \(\ce{CH3COONa}\) obtient-on ? Données : \(M(\ce{C})=12\), \(M(\ce{H})=1\), \(M(\ce{O})=16\), \(M(\ce{Na})=23\) g/mol.

Exemple résolu 4 : rendement d'une hydrolyse

On mélange 0,60 mol d'éthanoate d'éthyle et 0,60 mol d'eau, avec un catalyseur, et on attend l'équilibre. Combien de moles d'acide éthanoïque obtient-on environ, et quel est le rendement ? Cherche d'abord.

4. Les esters dans l'industrie

• Arômes alimentaires et parfums : esters de synthèse aux odeurs de fruits et de fleurs, moins chers que les extraits naturels.
• Solvants : l'éthanoate d'éthyle dissout vernis, colles et peintures.
• Savonnerie : saponification des huiles (palme, karité, arachide) pour fabriquer savons et glycérol.
• Matières plastiques et textiles : les polyesters, très longues chaînes reliées par des groupes ester, servent à fabriquer des fibres de vêtements et des bouteilles en plastique (PET).
• Médicaments : l'aspirine et le salicylate de méthyle contiennent un groupe ester.

Erreurs fréquentes

• Inverser les deux parties du nom : dans « éthanoate de méthyle », « éthanoate » vient de l'acide et « méthyle » de l'alcool.
• Confondre hydrolyse (eau, lente et limitée) et saponification (ions hydroxyde, totale).
• Oublier que les esters bouillent plus bas que les acides de même formule brute.
• Croire qu'un catalyseur améliore le rendement d'une réaction limitée : il ne fait qu'accélérer.

Récapitulatif

• Groupe ester \(\ce{R-COO-R'}\), nom « alcanoate d'alkyle ».
• Propriétés physiques : odeur fruitée, peu solubles dans l'eau, volatils, bons solvants.
• Hydrolyse : \(\text{ester} + \text{eau} \rightleftharpoons \text{acide} + \text{alcool}\), lente, limitée, athermique (environ \(\tfrac{1}{3}\) de l'ester hydrolysé pour un mélange équimolaire).
• Saponification : \(\text{ester} + \ce{HO-} \longrightarrow \text{ion carboxylate} + \text{alcool}\), totale ; avec les huiles, elle donne savon et glycérol.
• Usages : arômes, parfums, solvants, savons, polyesters, médicaments.