Esterificação

Ésteres

A estrutura de um éster é uma carbonila com um grupo alquil ou arilo (R) de um lado e um oxigênio ligado a outro grupo alquil ou arila (R') do outro lado, representado pela fórmula geral: RCOOR'. Os ésteres podem ser comumente derivados por uma reação de esterificação entre um ácido carboxílico e um álcool. O grupo hidroxila do ácido carboxílico é substituído por um grupo alquila ou arila. Os ésteres simples, que possuem baixo peso molecular e pequenos grupos funcionais R e R', possuem cheiros e sabores de frutas e flores.

O ácido carboxílico mais simples é o ácido fórmico (HCOOH), sendo o álcool mais simples o metanol. Assim, o éster mais simples formado a partir da esterificação dessas duas moléculas é o formato de metila (HCOOCH₃). O formato de metila é considerado um derivado do ácido fórmico porque o grupo OH é substituído pelo grupo OCH₃. As diferenças estruturais entre o formato de metila e o ácido fórmico ditam a diferença em suas propriedades. Isso ocorre porque as propriedades da molécula dependem muito dos grupos R e R'.

Os ésteres encontrados em frutas e flores são conhecidos como ésteres simples devido à baixa complexidade de sua estrutura em comparação com outros ésteres. Os grupos alquil e arila encontrados nesses ésteres influenciam muito a fragrância que emitem; Assim, a adição de um carbono ou de um grupo funcional diferente pode afetar o aroma produzido pelo éster. Por exemplo, o acetato de propila (C₅H₁₀O₂) tem cheiro de peras. No entanto, o acetato de butila (C₆H₁₂O₂), que tem apenas mais um carbono em sua cadeia, cheira a maçãs.

Os ésteres de cadeia longa, ou seja, aqueles com longas cadeias alquílicas, são chamados de ácidos graxos. Os ácidos graxos são compostos biológicos importantes que são essenciais para certos processos biológicos. Os ácidos graxos também são uma forma biológica de armazenamento de energia. Quando três ácidos graxos reagem com o glicerol, eles formam um triglicerídeo - a forma mais comum de ácidos graxos. Os triglicerídeos têm um peso molecular muito alto e podem ser altamente ramificados. Sua função e propriedades dependem do comprimento e dos tipos de cadeias alquílicas incorporadas em sua estrutura. Um dos usos industriais mais comuns dos triglicerídeos é na produção de sabões e detergentes.

Reação de esterificação

Os ésteres são formados a partir de uma reação de esterificação, com ésteres simples sendo formados por esterificação de Fisher. Essa reação converte um ácido carboxílico e álcool em um éster com água como subproduto. A esterificação de Fisher é uma reação reversível que ocorre muito lentamente. Um catalisador ácido, normalmente na forma de ácido sulfúrico, é adicionado para aumentar a taxa da reação e, ao mesmo tempo, atuar como um agente desidratante.

O mecanismo de ação para uma esterificação de Fisher começa pelo oxigênio carbonílico atacando o ácido sulfúrico e desprotonando seu grupo OH. Isso leva a um oxigênio carbonílico carregado positivamente. Para estabilizar melhor a carga positiva, um par de elétrons da ligação dupla carbonila é empurrado para o oxigênio carbonílico enquanto cria simultaneamente um centro de carbono pobre em elétrons. Em seguida, o grupo hidroxi do álcool atua como um nucleófilo e ataca o carbono pobre em elétrons - o eletrófilo - formando um intermediário. Em seguida, o grupo hidroxila carregado positivamente do álcool é desprotonado pelo grupo hidroxila do ácido carboxílico, estabilizando o átomo de oxigênio do álcool. Na última etapa, o oxigênio carbonílico é desprotonado pela base conjugada e o par de elétrons livres é movido em direção ao centro carbonila enquanto o grupo carboxila protonado sai como uma molécula de água.

Como a reação de esterificação é reversível, uma mistura 1:1 do ácido carboxílico e do álcool atingirá o equilíbrio com cerca de 70% de rendimento do éster. No entanto, como em qualquer processo de equilíbrio, a reação pode ser conduzida em uma direção, alterando a concentração, pressão, temperatura ou volume dos reagentes. Essa mudança faz com que a reação se ajuste a um novo equilíbrio para neutralizar a mudança, que é a base do princípio de Le Chatelier.

Quando a concentração de um dos reagentes é aumentada, o equilíbrio muda na direção que diminuirá sua concentração. Assim, ao aumentar a concentração de um reagente, o equilíbrio produz mais do produto, resultando em um maior rendimento do produto éster.

Um método comum utilizado em laboratórios de química orgânica é fornecer um excesso de um dos reagentes, normalmente o álcool. Como mencionado anteriormente, a esterificação de Fisher pode utilizar ácido sulfúrico como catalisador. No entanto, uma das outras funções do ácido sulfúrico é atuar como um agente desidratante, sequestrando as moléculas de água da reação. A aplicação do princípio de Le Chatelier demonstra que, à medida que um dos produtos é removido - neste caso, a água - a reação é empurrada para fazer mais produto. Isso aumenta o rendimento do éster formado.

referência

1. Streitwieser, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). Introdução à Química Orgânica. Rio Saddle Superior, NJ: Prentice Hall.

Os ésteres são uma classe de moléculas orgânicas que podem ter um aroma frutado ou floral. A estrutura de um éster é uma carbonila com um grupo alquila ou arila de um lado e um oxigênio ligado a outro grupo alquila ou arila do outro lado.

Dependendo dos grupos alquil ou arila, o éster pode assumir muitas características diferentes. Por exemplo, a reação de glicerol e três ácidos graxos, que são ácidos carboxílicos com longas cadeias alquílicas, resulta em um triglicerídeo, que possui três grupos éster. As longas cadeias alquílicas dos ácidos graxos conferem aos triglicerídeos um peso molecular muito alto. Em contraste, os ésteres simples têm baixo peso molecular e pequenos grupos funcionais.

Os cheiros e sabores de frutas e flores são atribuídos a ésteres simples. Mesmo pequenas mudanças na estrutura de um éster simples afetam muito sua fragrância. Por exemplo, mudar um grupo hidroxila para uma amina muda o aroma desse éster de gaultéria para uva. Da mesma forma, o acetato de propila cheira a peras, enquanto o acetato de butila, que tem apenas mais um carbono em sua cadeia, cheira a maçãs.

Uma maneira comum de fazer um éster é a esterificação de Fischer, onde um ácido carboxílico e um álcool reagem na presença de um catalisador ácido para formar o éster e a água. O grupo R e a carbonila vêm do ácido carboxílico, e o grupo alcoxi ou ariloxi com o R' vem do álcool. Esta reação de esterificação é reversível. Com uma mistura de 1 para 1 do ácido carboxílico e do álcool, tende a atingir o equilíbrio com cerca de 70% de rendimento do éster, na melhor das hipóteses.

No entanto, o princípio de Le Chatelier nos permite aumentar o rendimento do éster além disso. O princípio de Le Chatelier afirma que qualquer sistema em equilíbrio químico que esteja sujeito a uma mudança na concentração, pressão, temperatura ou volume se ajustará a um novo equilíbrio que neutralize a mudança.

Assim, se aumentarmos a concentração de um dos reagentes em uma reação reversível, o equilíbrio mudará na direção que diminui sua concentração. Isso resulta em um maior rendimento do produto éster em equilíbrio. Assim, podemos melhorar o rendimento da esterificação usando uma proporção molar de 3:1 ou 1:3 de ácido carboxílico para álcool.

Neste experimento, será realizada uma esterificação de Fischer utilizando álcool em excesso e ácido sulfúrico como catalisador. Nesta reação, a reatividade do ácido carboxílico é aumentada pelo ácido sulfúrico, que protona o oxigênio da carbonila. O álcool é um nucleófilo que ataca o carbono da carbonila para formar um intermediário. Em seguida, o hidrogênio do álcool é transferido para uma hidroxila próxima. A carbonila então se reforma, eliminando uma molécula de água. Finalmente, a desprotonação resulta em um éster neutro.

Neste laboratório, você realizará uma reação de esterificação de Fischer com um álcool desconhecido e ácido carboxílico em uma proporção molar de 3:1. Em seguida, você identificará o éster usando seu odor, determinará o rendimento e identificará os dois reagentes desconhecidos com base na estrutura do éster.