Estryfikacji

estry

Struktura estru to karbonylek z grupą alkilową lub arylową (R) po jednej stronie i tlenem związanym z inną grupą alkilową lub arylową (R') po drugiej stronie, reprezentowaną przez ogólny wzór: RCOOR'. Estry można powszechnie uzyskać w reakcji estryfikacji między kwasem karboksylowym a alkoholem. Grupa hydroksylowa kwasu karboksylowego jest zastępowana grupą alkilową lub arylową. Proste estry, które mają niską masę cząsteczkową i małe grupy funkcyjne R i R', mają zapachy i smaki owoców i kwiatów.

Najprostszym kwasem karboksylowym jest kwas mrówkowy (HCOOH), a najprostszym alkoholem jest metanol. Tak więc najprostszym estrem powstałym w wyniku estryfikacji tych dwóch cząsteczek jest mrówczan metylu (HCOOCH₃). Mrówczan metylu jest uważany za pochodną kwasu mrówkowego, ponieważ grupa OH jest zastąpiona grupą OCH₃. Różnice strukturalne między mrówczanem metylu a kwasem mrówkowym dyktują różnicę w ich właściwościach. Dzieje się tak, ponieważ właściwości cząsteczki zależą w dużym stopniu od grup R i R'.

Estry, które znajdują się w owocach i kwiatach, są znane jako estry proste ze względu na niską złożoność ich struktury w porównaniu z innymi estrami. Grupy alkilowe i arylowe znajdujące się na tych estrach mają ogromny wpływ na wydzielany przez nie zapach; W związku z tym dodanie węgla lub innej grupy funkcyjnej może mieć wpływ na zapach wytwarzany przez ester. Na przykład octan propylu (C_{, 5}, H_{, 10},_O2) ma zapach gruszek. Jednak octan butylu (C_{, 6}, H,_12O2), który ma w swoim łańcuchu tylko jeden węgiel więcej, pachnie jabłkami.

Estry długołańcuchowe, czyli te o długich łańcuchach alkilowych, nazywane są kwasami tłuszczowymi. Kwasy tłuszczowe są ważnymi związkami biologicznymi, które są niezbędne dla niektórych procesów biologicznych. Kwasy tłuszczowe są również biologiczną formą magazynowania energii. Kiedy trzy kwasy tłuszczowe reagują z glicerolem, tworzą trójgliceryd - najczęstszą formę kwasów tłuszczowych. Trójglicerydy mają bardzo dużą masę cząsteczkową i mogą być silnie rozgałęzione. Ich funkcja i właściwości są zależne od długości i rodzaju łańcuchów alkilowych wbudowanych w ich strukturę. Jednym z najczęstszych przemysłowych zastosowań trójglicerydów jest produkcja mydeł i detergentów.

Reakcja estryfikacji

Estry powstają w wyniku reakcji estryfikacji, przy czym proste estry powstają w wyniku estryfikacji Fishera. Ta reakcja przekształca kwas karboksylowy i alkohol w ester z wodą jako produktem ubocznym. Estryfikacja Fishera jest reakcją odwracalną, która przebiega bardzo powoli. Katalizator kwasowy, zwykle w postaci kwasu siarkowego, jest dodawany w celu zwiększenia szybkości reakcji, działając jednocześnie jako środek odwadniający.

Mechanizm działania estryfikacji Fishera rozpoczyna się od ataku tlenu karbonylowego na kwas siarkowy i deprotonacji jego grupy OH. Prowadzi to do dodatnio naładowanego tlenu karbonylowego. Aby lepiej ustabilizować ładunek dodatni, jedna para elektronów podwójnego wiązania karbonylowego jest popychana do tlenu karbonylowego, jednocześnie tworząc ubogie w elektrony centrum węglowe. Następnie grupa hydroksylowa alkoholu działa jak nukleofil i atakuje węgiel ubogi w elektrony - elektrofil - tworząc produkt pośredni. Następnie dodatnio naładowana grupa hydroksylowa z alkoholu jest deprotonowana przez grupę hydroksylową kwasu karboksylowego, stabilizując atom tlenu alkoholu. W ostatnim etapie tlen karbonylowy jest deprotonowany przez sprzężoną zasadę, a para wolnych elektronów jest przesuwana w kierunku środka karbonylowego, podczas gdy protonowana grupa karboksylowa opuszcza się jako cząsteczka wody.

Ponieważ reakcja estryfikacji jest odwracalna, mieszanina kwasu karboksylowego i alkoholu w stosunku 1:1 osiągnie równowagę z około 70% wydajnością estru. Jednak, podobnie jak w przypadku każdego procesu równowagi, reakcja może być prowadzona w jednym kierunku poprzez zmianę stężenia, ciśnienia, temperatury lub objętości odczynników. Ta zmiana powoduje, że reakcja dostosowuje się do nowej równowagi, aby przeciwdziałać zmianie, która jest podstawą zasady Le Chateliera.

Gdy stężenie jednego z reagentów wzrasta, równowaga przesuwa się w kierunku, który zmniejszy jego stężenie. Tak więc, zwiększając stężenie jednego reagenta, równowaga wytwarza więcej produktu, co skutkuje wyższą wydajnością produktu estrowego.

Jedną z powszechnych metod stosowanych w laboratoriach chemii organicznej jest dostarczanie nadmiaru jednego z odczynników, zwykle alkoholu. Jak wspomniano wcześniej, estryfikacja Fishera może wykorzystywać kwas siarkowy jako katalizator. Jednak jedną z innych funkcji kwasu siarkowego jest działanie jako środek odwadniający, sekwestrujący cząsteczki wody z dala od reakcji. Zastosowanie zasady Le Chateliera pokazuje, że gdy jeden z produktów jest usuwany – w tym przypadku woda – reakcja jest popychana do wytworzenia większej ilości produktu. Zwiększa to wydajność powstałego estru.

odniesienie

1. Streitwieser, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). Wprowadzenie do chemii organicznej. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.