Esterifikace

Esterifikace je reakce z organické chemie , ve kterém je funkční skupina ester R1-COO-R2, je možno získat kondenzací skupině karboxylové kyseliny R 1-COOH a skupinu alkoholu, R 2-OH a vzniku vodní H 2 O.

Základní reakcí je kondenzace alkoholu na karboxylové kyselině s odstraněním molekuly vody, přičemž reakce je reverzibilní (retroesterifikace) a reverzibilní ( zmýdelnění , když probíhá hydrolýza esteru). základní podmínky, H 2 o je nahrazen iontů hO hydroxidu), ale to se může provádět za použití jiných reakčních činidel, zejména místo karboxylové kyseliny, jeden z jeho derivátů, acylchloridem nebo anhydridem kyseliny , změna typu reakce a její výtěžek. Existuje celá řada dalších syntetických cest zahrnujících amidy , nitrily , ethery ,aldehydy , ketony nebo jiné estery .

Esterifikace karboxylových kyselin

Reakce

Tato reakce, nazývaná také Fischerova esterifikace nebo Fischer-Speierova esterifikace, spočívá ve výrobě esteru a vody z alkoholu a karboxylové kyseliny . Obecná rovnice pro tuto reakci je:

Tato reakce vede k chemické rovnováze . Reverzní reakce, nazývaná retroesterifikace, je hydrolýza esteru. Reakce v obou směrech jsou v nepřítomnosti katalyzátoru velmi pomalé , „volný“ proton (vodíkový ion H + ve formě hydroniového iontu H 3 O + ve vodném roztoku) pocházející buď ze silné kyseliny (molekuly který má proton disociující ve vodném roztoku), nebo vodu, ve které je karboxylová kyselina v roztoku (esterifikace je o to pomalejší, protože pH tohoto roztoku je vysoké, protože pH = -log [H + ]).

Mechanismus

V závislosti na třídě alkoholu existují různé mechanismy.

První prezentovaný mechanismus je platný pro primární a sekundární alkoholy, druhý pro terciární alkoholy.

Zde vezmeme obecný případ a vybereme katalyzátor H + .

Primární a sekundární alkoholy

Tento mechanismus je popsán v pěti krocích (včetně dvou rychlých protonačně-deprotonačních rovnováh).

První krok: protonace karboxylové kyseliny. Existují dvě možnosti:

• protonace karbonylové skupiny

Zde je vzniklý ion stabilizován mezomerismem:

• protonace hydroxylové skupiny

Zde nejenže vytvořený iont (acyloxoniový iont) nemá mezomerní formu, která ho stabilizuje, ale navíc tento stav neumožňuje pokračovat v reakci. Protože tato reakce je navíc rovnovážná, možné protonované formy na úrovni hydroxylové skupiny se spotřebovávají, aby se vytvořila druhá protonovaná forma, která se spotřebuje následujícími kroky ( vytěsnění rovnováhy , Le Chatelierův princip ).

• Prvním krokem je proto protonace karbonylové skupiny (rovnováha se rychle dosáhla):

• Druhým krokem, kineticky omezujícím, je nukleofilní útok alkoholu na elektrofilní místo protonované karboxylové kyseliny:

Poznámka: pro tento krok, začali přímo z 2 nd  mesomerního formě protonované kyseliny, za účelem zjednodušení mechanismu.

• Třetím krokem je přenos protonu (H + ) skupiny, která je výsledkem alkoholu, na jednu z hydroxylových skupin ( vnitřní acidobazická reakce nebo prototropie)

• Čtvrtý krok je odchod molekuly vody (H 2 O).

• Posledním krokem je jednoduchá deprotonace (restituce katalyzátoru)

Poznámka: Mechanismus byl ověřen pomocí vody s izotopem 18 O, po reakci hmotnostní spektrometrií .

Terciární alkoholy

I zde mechanismus probíhá ve 4 fázích

• První krok: protonace alkoholem

• Druhý krok: odjezd H 2 O , tvorba terciární karbokationtu.

Tyto dva stupně (zejména 2 nd ), je nemožné s primárním nebo sekundárním alkoholem, v karbokationtový vytvořené není dostatečně stabilní.

• Třetí krok: přidání karbokationtu ke karbonylové funkci karboxylové kyseliny.

Takto substituovaný meziprodukt je relativně stabilní, protože má několik mezomerních forem:

(začneme od poslední mezomerní formy pro poslední krok)

• Poslední krok: je to jen deprotonace předchozího meziproduktu (restituce katalyzátoru).

Vlastnosti

Tato reakce je reverzibilní ( zmýdelnění ) a reverzibilní (retroesterifikace nebo kyselá hydrolýza esteru), pomalá a omezená (právě kvůli jeho reverzní reakci, hydrolýze).

Je mírně exotermní.

Reakce je téměř atermální, změna teploty nemá žádný vliv na stav rovnováhy ( experimentální zákon van 't Hoffa ). Stejně tak změna tlaku nezahrnuje žádné posunutí rovnováhy (protože téměř ve všech případech jsou činidla a produkty kapaliny, experimentální zákon Le Chatelier ).

Na druhé straně zvýšení teploty urychluje reakci a umožňuje rychlejší dosažení rovnovážného stavu.

Výtěžek

Výtěžek závisí velmi málo na povaze použité karboxylové kyseliny. Závisí to především na třídě použitého alkoholu: u reagencií zavedených v ekvimolárních množstvích je to 67% u primárního alkoholu ( například methanolu ), 60% u sekundárního alkoholu (např. Propan-2-ol ) a pouze 5 %, pokud je alkohol terciární (např. terc- butanol nebo 2-methylpropan-2-ol).

Historická poznámka: tyto experimentální výsledky (atermiticita, výtěžek v závislosti na třídě alkoholu a málo karboxylové kyseliny atd.) Jsou do značné míry způsobeny prací Marcellina Berthelota a Léona Péana de Saint-Gillese (Mémoire de Berthelot a Péan de Saint -Gilles, 1861).

Ke zvýšení výnosu existují různé metody.

• Zvyšte množství přebytečného činidla (obecně nejlevnějšího), což změní konečnou rychlost postupu , a tím i výtěžek.
• Všechny metody umožňující zabránit hydrolýze a tím umožnit posun rovnováhy v přímém směru (esterifikace). Můžeš si vybrat:
  • Destilujte ester tak, jak se tvoří, pokud je nejvíce těkavý (což se často stává).
  • Odstraňte vodu (aby se zabránilo její ionizaci, zdroj protonů reverzního katalyzátoru). Pro tyto dvě metody jsou možné:
    • Proveďte stripování parou, přidejte do reakčního systému relativně těkavé rozpouštědlo a vytvořte s vodou heteroazeotrop . Obecně se volí cyklohexan nebo toluen a pro tuto metodu se používá aparát Deana Starka .
    • Do reakční směsi přidejte dehydratační látku. To představuje další problémy, protože na jedné straně nemusí být spotřebována veškerá voda, i když je nadměrná. Na druhou stranu je pak nutné oddělit ester od tohoto produktu, což může způsobit komplikace (a navíc snížit výtěžek).

Kinetický

Nekatalyzovaná reakce je poměrně pomalá (dosažení maximálního výtěžku trvá několik měsíců). Rychlost se také mění podle třídy alkoholu: klesá, když přejdeme z primárního alkoholu na sekundární alkohol, poté na terciární alkohol. V každém případě proto hledáme způsoby, jak reakci urychlit.

• Zvýšení teploty: pokud nemá žádný vliv na výtěžek, výrazně to zlepšuje kinetiku.
• Použití katalyzátoru. K tomu se používá kyselina, která umožňuje zvýšit elektrofilní charakter karboxylové skupiny .

Většina reakcí umožňuje použití kyseliny sírové, ale to neplatí pro všechny (některé sloučeniny „nevydržejí“ „šokové ošetření“ horkou kyselinou sírovou, silným oxidantem, což je tedy riziko oxidace alkoholu, nebo dokonce dehydratace). Je také možné použít bezvodý HCl , nebo slabší kyseliny, jako je například kyselina fosforečná , H 3 PO 4 , nebo p-toluensulfonovou kyselinou (APTS), nebo dokonce, v případě, že je dostatečně silné (příklad: kyselina methanoic , pK = 3,77) , přebytek reaktivní karboxylové kyseliny ( autokatalýza ). To má dvojí výhodu: katalyzuje tak reakci a navíc, jak jsme viděli dříve, umožňuje zlepšit výtěžek.

Esterifikace derivátů karboxylových kyselin

Syntéza esterů z karboxylových kyselin má mnoho nevýhod: maximální výtěžek kolem 2/3 v nejpříznivějších případech (primární alkoholy) a více než průměrný v nejnepříznivějších případech (5% pro terciární alkoholy), pomalá kinetika, dokonce katalyzovaná (je-li reakce zastavena příliš rychle, výtěžek klesá ještě více).

Jedno řešení tedy spočívá v tom, že se místo toho použijí kyselé deriváty, jako jsou acylchloridy nebo anhydridy kyselin .

Reakce

• Z acylchloridů:

• Z anhydridů kyselin:

Vlastnosti

• Výhody:
  • Tyto reakce jsou úplné .
  • Jsou obecně relativně rychlé, ale vyžadují katalýzu docela pravidelně. Katalyzátory slouží pouze k aktivaci a ještě reaktivnějšímu derivátu kyseliny. Typicky v případě použití acylchloridu jsou použitými katalyzátory pyridin nebo triethylamin (které pak působí jako lapač HCl).
• Nevýhody:
  • Acylchloridy a anhydridy kyselin snadno reagují s vodou (velmi snadno hydrolyzují). Proto je nutné dodržovat bezpečnostní opatření (vyvarujte se kontaktu se sliznicemi).
  • I když jsou reakce v zásadě úplné, výtěžek není 100%. Jakmile je reakce provedena, musí být ester extrahován z média a kroky k dosažení tohoto cíle jsou obecně fyzikálně-chemické rovnováhy.
• Reakce acylchloridů jsou živé: musíme směs ochladit.

Musíme také zachytit vzniklou HCl:

1. za použití například báze, jako je pyridin nebo triethylamin.
2. lapač skládající se z baňky obsahující sódu.

• Reakce anhydridů jsou pomalejší a méně rychlé (anhydridy jsou méně reaktivní).

V průmyslu proto spíše používáme cestu karboxylové kyseliny, která je snadněji implementovatelná. V případě farmaceutického nebo kosmetického průmyslu však mohou být použity acylchloridy nebo anhydridy, protože výrobky mají vysokou přidanou hodnotu.

Mechanismy

• Z acylchloridů:
  • 1 st  krok: Nukleofilní adice alkoholu na acylchlorid.

• • 2 th  krok: Cesta HCl

• Z anhydridů kyselin:
  • 1 st  krok: Nukleofilní adice alkoholu na anhydrid.

• • 2 th  krok: od RCOOH

Syntéza z jiných esterů (transesterifikace)

Transesterifikace převádí jeden ester a jeden alkohol na jiný ester a další alkohol. Jako katalyzátor se často používá kyselina nebo báze.

Reakce

Užitečnost

Transesterifikace se používá při výrobě polyesteru a bionafty . Je to také mechanismus, který umožňuje sestřih intronů během zrání mRNA .

Poznámky a odkazy

1. http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/organique/ester.htm
2. (in) Mohammad Aslam, G. Paull Torrence, Edward G. Zey, Esterification , John Wiley & Sons, Inc., et al.  "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology",4. prosince 2000( DOI  10.1002 / 0471238961.0519200501191201.a01 , online prezentace )
3. ve skutečnosti velmi mírně exotermní (mezi 1 a 10  kJ mol −1 ).
4. to lze vysvětlit podmínkami: reakce v kyselém prostředí, horké = podmínky umožňující dehydrataci alkoholu

Externí odkaz

• Animace mechanismu