Этерификации

Эфиры

Структура сложного эфира представляет собой карбонил с алкильной или арильной группой (R) с одной стороны и кислородом, связанным с другой алкильной или арильной группой (R') с другой стороны, представленный общей формулой: RCOOR'. Сложные эфиры обычно могут быть получены в результате реакции этерификации между карбоновой кислотой и спиртом. Гидроксильная группа карбоновой кислоты заменяется алкильной или арильной группой. Простые сложные эфиры, которые имеют низкую молекулярную массу и малые функциональные группы R и R', имеют запахи и вкус фруктов и цветов.

Самой простой карбоновой кислотой является муравьиная кислота (HCOOH), а самым простым спиртом является метанол. Таким образом, простейшим эфиром, образующимся в результате этерификации этих двух молекул, является метилформиат (HCOOCH₃). Метилформиат считается производным муравьиной кислоты, потому что группа OH заменена на группу OCH₃. Структурные различия между метилформиатом и муравьиной кислотой обуславливают разницу в их свойствах. Это связано с тем, что свойства молекулы сильно зависят от R- и R'-групп.

Сложные эфиры, которые содержатся во фруктах и цветах, известны как простые сложные эфиры из-за низкой сложности их структуры по сравнению с другими сложными эфирами. Алкильные и арильные группы, содержащиеся в этих эфирах, сильно влияют на аромат, который они издают; Таким образом, добавление углерода или другой функциональной группы может повлиять на запах, производимый эфиром. Например, пропилацетат (C₅H₁₀O₂) имеет аромат груш. Однако бутилацетат (C₆H₁₂O₂), который имеет в своей цепочке всего на один углерод больше, пахнет яблоками.

Длинноцепочечные эфиры, то есть те, которые имеют длинные алкильные цепи, называются жирными кислотами. Жирные кислоты являются важными биологическими соединениями, которые необходимы для определенных биологических процессов. Жирные кислоты также являются биологической формой хранения энергии. Когда три жирные кислоты вступают в реакцию с глицерином, они образуют триглицерид — наиболее распространенную форму жирных кислот. Триглицериды имеют очень высокую молекулярную массу и могут быть сильно разветвленными. Их функция и свойства зависят от длины и типа алкильных цепей, входящих в их структуру. Одним из наиболее распространенных промышленных применений триглицеридов является производство мыла и моющих средств.

Реакция этерификации

Сложные эфиры образуются в результате реакции этерификации, а простые сложные эфиры образуются в результате этерификации по Фишеру. Эта реакция превращает карбоновую кислоту и спирт в сложный эфир с водой в качестве побочного продукта. Этерификация по Фишеру – это обратимая реакция, протекающая очень медленно. Кислотный катализатор, обычно в форме серной кислоты, добавляется для увеличения скорости реакции, а также действует как дегидратирующий агент.

Механизм действия для этерификации по Фишеру начинается с того, что карбонильный кислород атакует серную кислоту и депротонирует ее группу ОН. Это приводит к положительно заряженному карбонильному кислороду. Чтобы лучше стабилизировать положительный заряд, одна электронная пара карбонильной двойной связи подталкивается к карбонильному кислороду, одновременно создавая бедный электронами углеродный центр. Далее, гидроксигруппа алкоголя действует как нуклеофил и атакует бедный электронами углерод — электрофил — образуя промежуточный продукт. Затем положительно заряженная гидроксильная группа из алкоголя депротонируется гидроксильной группой карбоновой кислоты, стабилизируя атом кислорода алкоголя. На последнем этапе карбонильный кислород депротонируется сопряженным основанием, и пара свободных электронов перемещается к карбонильному центру, в то время как протонированная карбоксильная группа покидает его в виде молекулы воды.

Поскольку реакция этерификации является обратимой, смесь карбоновой кислоты и спирта в соотношении 1:1 достигнет равновесия с выходом эфира около 70%. Однако, как и в любом равновесном процессе, реакция может протекать в одном направлении путем изменения концентрации, давления, температуры или объема реагентов. Это изменение заставляет реакцию приспосабливаться к новому равновесию, чтобы противодействовать изменению, что является основой принципа Ле Шателье.

Когда концентрация одного из реагентов увеличивается, равновесие смещается в сторону, которая приводит к уменьшению его концентрации. Таким образом, при увеличении концентрации одного реагента равновесие производит больше продукта, что приводит к более высокому выходу эфирного продукта.

Одним из распространенных методов, используемых в лабораториях органической химии, является получение избытка одного из реагентов, обычно спирта. Как упоминалось ранее, этерификация по Фишеру может использовать серную кислоту в качестве катализатора. Тем не менее, одна из других функций серной кислоты заключается в том, чтобы действовать как дегидратирующий агент, изолируя молекулы воды от реакции. Применение принципа Ле Шателье показывает, что при удалении одного из продуктов — в данном случае воды — реакция подталкивается к получению большего количества продукта. Это увеличивает выход образующегося эфира.

ссылка

1. Streitwieser, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). Введение в органическую химию. Аппер Сэддл Ривер, Нью-Джерси: Прентис Холл.