에스테르화

에스테르

에스테르의 구조는 한쪽 면에 알킬기 또는 아릴기(R)를 갖는 카르보닐기이고, 다른 면에는 다른 알킬기 또는 아릴기(R')에 산소가 결합되어 있으며, RCOOR'라는 일반 화학식으로 표시됩니다. 에스테르는 일반적으로 카르복실산과 알코올 사이의 에스테르화 반응에 의해 유도될 수 있습니다. 카르복실산의 수산기는 알킬기 또는 아릴기로 대체됩니다. 저분자량과 작은 R 및 R '작용기를 갖는 단순 에스테르는 과일과 꽃의 냄새와 풍미를 가지고 있습니다.

가장 간단한 카르복실산은 포름산(HCOOH)이며 가장 간단한 알코올은 메탄올입니다. 따라서이 두 분자의 에스테르 화로 형성된 가장 간단한 에스테르는 포름산 메틸 (HCOOCH₃ )입니다. 포름산메틸은 OH 그룹이 OCH₃ 그룹으로 대체되기 때문에 포름산의 유도체로 간주됩니다. 포름산메틸과 포름산의 구조적 차이는 그 특성의 차이를 결정합니다. 이것은 분자의 특성이 R과 R' 그룹에 크게 의존하기 때문입니다.

과일과 꽃에서 발견되는 에스테르는 다른 에스테르에 비해 구조의 복잡성이 낮기 때문에 단순 에스테르로 알려져 있습니다. 이 에스테르에서 발견되는 알킬 및 아릴 그룹은 그들이 방출하는 향기에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 탄소 또는 다른 작용기의 첨가는 에스테르에서 생성되는 향에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 프로필 아세테이트 (C₅H₁₀O₂ )는 배의 향기가 있습니다. 그러나 사슬에 탄소가 하나만 더 있는 부틸 아세테이트(C₆H₁₂O₂ )는 사과 냄새가 납니다.

긴 알킬 사슬을 가진 것을 의미하는 장쇄 에스테르는 지방산이라고 합니다. 지방산은 특정 생물학적 과정에 필수적인 중요한 생물학적 화합물입니다. 지방산은 또한 에너지 저장의 생물학적 형태입니다. 세 가지 지방산이 글리세롤과 반응하면 가장 일반적인 형태의 지방산인 트리글리세리드를 형성합니다. 트리글리세리드는 분자량이 매우 높으며 분지가 많을 수 있습니다. 그들의 기능과 특성은 구조에 통합된 알킬 사슬의 길이와 유형에 따라 다릅니다. 트리글리세리드의 가장 일반적인 산업 용도 중 하나는 비누 및 세제 생산입니다.

에스테르화 반응

에스테르는 에스테르화 반응으로 형성되며, 단순 에스테르는 피셔 에스테르화를 통해 형성됩니다. 이 반응은 카르복실산과 알코올을 부산물로 물을 함유한 에스테르로 전환합니다. 피셔 에스테르화(Fisher esterification)는 매우 천천히 진행되는 가역적 반응입니다. 일반적으로 황산 형태의 산 촉매를 첨가하여 반응 속도를 높이는 동시에 탈수제 역할도 합니다.

피셔 에스테르화(Fisher esterification)를 위한 작용 메커니즘은 카르보닐 산소가 황산을 공격하고 OH 그룹을 탈양성자화함으로써 시작됩니다. 이것은 양전하를 띤 카르보닐 산소로 이어집니다. 양전하를 더 잘 안정화하기 위해 카르보닐 이중 결합의 한 전자 쌍을 카르보닐 산소로 밀어 넣는 동시에 전자가 부족한 탄소 중심을 생성합니다. 다음으로, 알코올의 하이드록시 그룹은 친핵체로 작용하여 전자가 부족한 탄소(친전자성)를 공격하여 중간체를 형성합니다. 그런 다음, 알코올의 양전하를 띤 수산기는 카르복실산의 수산기에 의해 탈양성자화되어 알코올의 산소 원자를 안정화합니다. 마지막 단계에서 카르보닐 산소는 공액 염기에 의해 탈양성자화되고 자유 전자쌍은 카르보닐 중심을 향해 이동하는 반면 양성자화된 카르복실기는 물 분자로 남습니다.

에스테르 화 반응은 가역적이기 때문에 카르 복실 산과 알코올의 1 : 1 혼합물은 에스테르의 약 70 % 수율로 평형에 도달합니다. 그러나 모든 평형 과정과 마찬가지로 반응은 시약의 농도, 압력, 온도 또는 부피를 변경하여 한 방향으로 구동될 수 있습니다. 이 변화는 반응이 변화에 대응하기 위해 새로운 평형에 적응하도록 하며, 이것이 르 샤틀리에 원칙의 기초입니다.

반응물 중 하나의 농도가 증가하면 평형은 농도를 감소시키는 방향으로 이동합니다. 따라서, 하나의 반응물의 농도를 증가시킴으로써, 평형은 더 많은 생성물을 생성하며, 그로 인해 에스테르 생성물의 수율이 높아집니다.

유기 화학 실험실에서 사용되는 일반적인 방법 중 하나는 시약 중 하나(일반적으로 알코올)를 과도하게 제공하는 것입니다. 앞서 언급했듯이 Fisher 에스테르화는 황산을 촉매로 사용할 수 있습니다. 그러나 황산의 다른 기능 중 하나는 탈수제로 작용하여 물 분자를 반응에서 멀리 격리하는 것입니다. 르 샤틀리에(Le Chatelier)의 법칙을 적용하면 제품 중 하나(이 경우 물)가 제거되면 반응이 더 많은 제품을 만들도록 강요된다는 것을 보여줍니다. 이것은 형성된 에스테르의 수율을 증가시킨다.

참조

1. Streitwieser, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). 유기 화학 소개. 어퍼 새들 리버, 뉴저지 : 프렌티스 홀.