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Acide carboxylique
L'acide carboxylique joue un rôle très important en chimie organique. Le groupe carboxyle cumule, sur le même atome de carbone, une fonction carbonyle (-C=O) et une fonction hydroxyle (-OH). On représente souvent l'acide carboxylique la formule R-COOH.
L'acide carboxylique est un acide faible. Sa base conjuguée est l'ion carboxylate R-COO-.
Remarque 1 : la force d'un acide carboxylique dépend du caractère donneur ou accepteur des éventuels groupes rattachés à la racine R- (voir le post sur les effets inductifs).
Remarque 2 : l'ion carboxylate est en fait un hybride de résonance entre deux formes mésomères.
Pour obtenir le nom d'un acide carboxylique, on ajoute le suffixe -oïque au nom de l'hydrocarbure qui constitue l'ossature de sa chaîne carbonée. Exemples :
- HCOOH : acide méthanoïque, aussi appelé acide formique (utilisé dans l'industrie textile, comme insecticide et dans l'industrie alimentaire sous l'appellation E236)
- CH3-COOH : acide éthanoïque, aussi appelé acide acétique (composant principal du vinaigre)
- CH3CH2-COOH : acide propanoïque, aussi appelé acide propionique (utilisé comme solvant après estérification)
- CH2=CH-COOH : acide propénoïque, aussi appelé acide acrylique (les acrylates, esters de l'acide acrylique, servent de base à des matières plastiques et sont utilisés comme composants des peintures)
- C6H5-COOH : acide benzoïque
- HOOC-CH=CH-COOH : aide trans-butènedioïque, aussi appelé acide fumarique
- CH3(CH2)16-COOH : acide octodécanoïque, aussi appelé acide stéarique (bougie, savon, émulsifiant sous l'appellation E570)
- CH3(CH2)18-COOH : acide eicosanoïque, aussi appelé acide arachidique (présent dans l'arachide et dans les huiles de poisson)
- HO-C6H4-COOH : acide hydroxybenzoïque, aussi appelé acide salicylique (composant de l'aspirine)
Un acide porteur de deux groupes carboxyles est un acide dioïque, comme l'acide butanedioïque HOOC-CH2-CH2-COOH (acide succinique) ou l'acide phtalique C6H4(COOH)2 (acide benzène 1,2-dicarboxylique).
Il existe également des acides tricarboxyliques, comme l'acide citrique, un acide faible que l'on trouve à l'état naturel dans le citron. L'acide citrique est un acide pentanedioïque qui porte, en plus de ses deux groupes carboxyles aux extrémités, un troisième groupecarboxyle sur son carbone central ainsi qu'une fonction hydroxyle sur ce même carbone. C'est donc un acide 3-carboxy-3-hydroxypentanoïque dont la formule est HOOC-CH2-C(OH)(COOH)-CH2-COOH.
L'éthylènediaminetétraacétique C10H16N2O8 (EDTA) est quant à lui porteur de quatre groupes carboxyles. C'est un éthylène diamine, c'est à dire une molécule dérivée de l'éthylène CH3-CH3 porteuse d'un groupe amine à chaque extrémité : CH2(NH2)-CH2(NH2). Chaque groupe amine est porteur de deux groupes acétyl -CH2COOH. La formule semi-développée de l'EDTA est N(CH2COOH)2CH2-CH2N(CH2COOH)2. L'EDTA est un produit chimique aux applications multiples dont l'utilisation est réglementée en raison de sa toxicité.
Le nom de l'ion carboxylate correspondant à un acide carboxylique est obtenu en remplaçant le suffixe -oïque par le suffixe -oate. Par exemple, l'ion HCOO- est l'ion méthanoate. Idem pour les sels ou les esters. Le CH3-COO-Na+ est l'acétate de sodium (éthanoate de sodium selon la dénomination officielle).
Le nom de l'ion carboxylate correspondant est obtenu en remplaçant le suffixe -oïque par le suffixe -oate. Par exemple, l'ion HCOO- est l'ion méthanoate. Idem pour les sels ou les esters. Le CH3-COO-Na+ est l'acétate de sodium (éthanoate de sodium selon la dénomination officielle).
Le nom des esters est formé de la même façon. Par exemple, le HCOO-CH3 est le formiate de méthyle, l'ester de méthyle de l'acide formique. Le CH3CH2-COO-CH3
est le propanoate de méthyle, un arome utilisé dans l'industrie agroalimentaire. Le H3COOC-CH=CH-COOCH3 est le fumarate de diméthyle (DMF), un di-ester de méthyle de l'acide fumarique. C'est un produit utilisé contre le psoriasis. Les phtalates C6H4(COOR)2
sont les esters de l'acide phtalique. Ils sont utilisés très largement comme plastifiant ou comme additif dans la fabrication de plastiques. Leurs effets potentiellement
nocifs ont poussé récemment à réduire leur utilisation dans l'industrie chimique.
L'acide carboxylique est en général corrosif. Il est polaire et donc soluble dans l'eau à des degrés divers (en fonction de la longueur de sa chaîne carbonée). Sa double fonction carbonyle et hydroxyle en fait un donneur et un accepteur de liaison hydrogène.
Pour avoir plus de détails sur les propriétés réactives de l'acide carboxylique et de ces dérivés, on se reportera au post sur les propriétés des hydrocarbures et aux posts sur les alcools et les esters.
Production de l'acide carboxylique
Il existe différents procédés de production. L'acide acétique s'obtient traditionnellement par fermentation d'un alcool. De façon industrielle, on le produit par oxydation d'un alcène, la liaison double se transformant en liaison simple, ou d'un aldéhyde (obtenu lui-même par oxydation d'un alcool). On peut également procéder par hydrolyse de ses dérivés (en particulier ester).
Acide hydroxylé
Les acides hydroxylés sont des acides carboxyliques porteurs d'un ou plusieurs groupes hydroxyles. Les acides alpha-hydroxylés (AHA) sont présents dans de nombreux produits naturels :
- l'acide glycolique CH2(OH)-COOH (hydroxyacétique) est présent dans la canne à sucre et le raisin,
- l'acide lactique CH3-CH(OH)-COOH (hydroxypropanoïque) est présent dans le lait,
- l'acide tartrique HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH est présent dans le vin,
- l'acide malique HOOC-CH2-CH(OH)-COOH (hydroxybutanedioïque) est présent dans la pomme,
- l'acide citrique HOOC-CH2-(COOH)C(OH)-CH2-COOH (carboxy hydroxypentanedioique), un acide tricarboxylique, est présent dans le citron.
Cétoacide
Un cétoacide est un acide carboxylique porteur d'un groupe carbonyle. Exemple :
- acide oxoacétique HC(=O)-COOH (aussi appelé acide glyoxylique),
- acide 3-oxopentanoïque H3C-CH2-C(=O)-CH2-COOH.
Peracide
Un peracide, ou acide peroxycarboxylique, est un composé organique acide de formule générique R-C(=O)-O-OH. L'acide peroxyacétique CH3-C(=O)-O-OH est un peracide. Il est obtenu en faisant agir du peroxyde d'hydrogène sur l'acide acétique CH3-C(=O)OH :
L'ester de nitrate de l'acide peroxyacétique est le peroxyacétyl nitrate, de formule CH3-C(=O)-OO-NO2, plus connu sous le nom de PAN, un polluant photochimique responsable de difficultés respiratoires.
Acide aminé
Les acides aminés sont des acides carboxylés porteurs d'un groupe amine.
La glycine (NH2)H2C-COOH (acide aminoéthanoïque) et l'alanine (CH3)(NH2)HC-COOH (acide aminopropanoïque) sont des acides aminés très répandus. L'alanine est produit à partir de l'acide pyruvique H3C-C(=O)-COOH (un cétoacide) par des voies métaboliques.
L'acide 2-amino-pentanedioïque HOOC-CH(NH2)-(CH2)2-COOH est un acide aminé protéinogène plus connu sous le nom d'acide glutamique.
La méthionine H3C-S-(CH2)2-(CHNH2)-COOH est un acide aminé protéinogène essentiel (qui ne peut pas être synthétisé par l'organisme). C'est un acide 2-amino-4-méthylsulfanylbutanoïque : un groupe amine sur le carbone 2 et un groupe méthylsulfanyl -S-CH3 sur le carbone 4 (donc en bout de chaîne).
Les acides aminés protéinogènes sont les molécules constitutives des protéines. Il en existe 22, dont 9 sont essentiels. Les protéines sont des molécules constituées par une chaîne d'acides aminés reliés entre eux par une liaison peptidique (voir plus bas).
Chlorure d'acyle
Les chlorures d'acyle font partie de la famille des halogénures d'acyle. Leur nom est obtenu en remplaçant le suffixe -oïque par le suffixe -oyle. Par exemple l'acide benzoïque donne le chlorure de benzoyle C6H5-COCl. On produit les chlorures d'acyle en faisant réagir un chlorure (SOCl2, PCl3…) sur un acide carboxylique :
On peut également faire réagir du chlorure d'hydrogène avec un anhydride d'acide. Les chlorures d'acyles sont très réactifs. Ils sont utilisés pour la synthèse des esters et des amides mais également dans les réactions d'acylation (voir le post sur les propriétés des hydrocarbures).
Esters
La condensation d'un acide carboxylique et d'un alcool donne un ester (voir le post sur les esters) :
On peut également obtenir un ester en faisant agir un alcool sur un anhydride alcanoïque ou sur un chlorure d'acyle :
Ces deux modes de production sont préférés au précédent du fait de leur efficacité.
Anhydride
On obtient un anhydride carboxylique par déshydratation d'un (ou plusieurs) acides(s) carboxylique(s).
Lorsque les acides considérés sont des acides alcanoïques, on parle d'anhydride alcanoïque. Il existe d'autres types d'anhydrides carboxylique, comme par exemple l'anhydride phtalique C8H4O3.
Nitrile
Le groupe nitrile est en fait constitué par un atome d'azote relié à un atome de carbone d'une molécule organique par une liaison triple.
Amide
Un amide est un dérivé d'un acide carboxylique dont la fonction hydroxyle est remplacée par un groupe amine. Leur formule générique est R1-(C=O)-NR2R3. Le formamide a pour formule HC(=O)NH2 et l'acétamide CH3-C(=O)NH2.
On obtient les amides en faisant agir une amine sur un chlorure d'acyle ou sur un anhydride alcanoïque. Ainsi par exemple :
Les amides jouent un rôle important dans l'industrie ainsi que dans la chimie du vivant. Outre leur propriétés réactives, les amides servent de base à la production du polyamide, un polymère dont la maille de base comporte une fonction amide. Le nylon est un exemple emblématique du polyamide.
Dans la chimie du vivant, les amides permettent la liaison
peptidique par réaction entre la fonction carboxyle -COOH d'un acide carboxylique et la fonction amine -NH2 d'une autre molécule organique :
