Войти
| Этерификация | |
|---|---|
| Назван в честь | Германа Эмиля Фишера. |
| Тип реакции | Реакция связывания |
| Идентификаторы | |
| Портал органической химии | fischer-esterification |
| RSC ID онтологии | RXNO: 0000167 |
Синтез метилбензоата этерификацией Фишера-Шпейера Этерификация Фишера или Этерификация Фишера-Шпейера - это особый тип этерификации путем кипячения с обратным холодильником карбоновой кислоты и спирт в присутствии кислотного катализатора. Реакция была впервые описана Эмилем Фишером и в 1895 г. Большинство карбоновых кислот подходят для реакции, но спирт обычно должен быть первичным или вторичным. Третичные спирты склонны к отщеплению. Вопреки распространенному заблуждению, встречающемуся в учебниках по органической химии, фенолы также могут быть этерифицированы, что дает хороший или почти количественный выход продуктов. Обычно используемые катализаторы этерификации Фишера включают серную кислоту, п-толуолсульфоновую кислоту и кислоты Льюиса, такие как трифлат скандия (III). Для более ценных или чувствительных субстратов (например, биоматериалов ) используются другие, более мягкие процедуры, такие как этерификация по Стеглиху. Реакцию часто проводят без растворителя (особенно, когда используется большой избыток реагента спирт ) или в неполярном растворителе (например, толуол ). для упрощения использования метода Дина-Старка. Типичное время реакции составляет от 1 до 10 часов при температуре 60-110 ° C.
Прямое ацилирование спиртов карбоновыми кислотами предпочтительнее ацилирования ангидридами (слабая атомная экономия ) или хлорангидридами (чувствительный к влаге). Основным недостатком прямого ацилирования является неблагоприятное химическое равновесие, которое необходимо исправить (например, большим избытком одного из реагентов) или удалением воды (например, с помощью дистилляции Дина-Старка, безводные соли, молекулярные сита или с использованием стехиометрического количества кислотного катализатора).
Этерификация Фишера является примером нуклеофильного ацильного замещения, основанного на электрофильности карбонильного углерода и нуклеофильности алкоголь. Однако карбоновые кислоты, как правило, менее реакционноспособны, чем сложные эфиры, как электрофилы. Кроме того, в разбавленных нейтральных растворах они, как правило, представляют собой депротонированные анионы (и, следовательно, не реагируют как электрофилы). Несмотря на то, что без каких-либо катализаторов кинетически очень медленно (большинство сложных эфиров метастабильно ), чистые сложные эфиры будут иметь тенденцию к самопроизвольному гидролизу в присутствии воды, поэтому при проведении "без посторонней помощи" высокие выходы этой реакции весьма неблагоприятны.
Чтобы превратить эту неблагоприятную реакцию в благоприятную, можно предпринять несколько шагов.
Механизм реакции этой реакции состоит из нескольких этапов:
. Типичный механизм кислотной этерификации Фишера показан ниже.
Основные преимущества этерификации Фишера по сравнению с другими процессами этерификации основаны на ее относительной простоте. Можно использовать простые кислотные условия, если чувствительные к кислоте функциональные группы не являются проблемой; можно использовать серную кислоту; могут использоваться более слабые кислоты, но при этом увеличивается время реакции. Поскольку используемые реагенты являются «прямыми», это снижает воздействие на окружающую среду с точки зрения отходов и вредности реагентов. Алкилгалогениды являются потенциальными парниковыми газами или разрушителями озона и возможными экологическими ядами. Хлорангидриды выделяют хлористый водород при контакте с атмосферной влагой, они вызывают коррозию, бурно реагируют с водой и другими нуклеофилами (иногда опасно); они легко гасятся другими нуклеофилами, помимо желаемого спирта; их наиболее распространенные пути синтеза включают выделение токсичных газов оксида углерода или диоксида серы (в зависимости от используемого процесса синтеза).
Кислотные ангидриды более реакционноспособны, чем сложные эфиры, потому что уходящей группой является карбоксилат анион - уходящая группа лучше, чем алкоксид-анион, поскольку их отрицательный заряд более делокализован. Однако такие маршруты обычно приводят к плохой атомной экономии. Например, при взаимодействии этанола с уксусным ангидридом образуется этилацетат, и уксусная кислота удаляется как уходящая группа, которая значительно менее реакционноспособна, чем ангидрид кислоты. и останется в качестве побочного продукта (в расточительном соотношении 1: 1 с эфирным продуктом), если продукт будет немедленно собран. Если условия достаточно кислые, уксусная кислота может вступать в реакцию дальше по пути этерификации Фишера, но гораздо медленнее. Однако во многих тщательно разработанных синтезах реагенты могут быть сконструированы таким образом, что ангидриды кислот генерируются in situ и побочные продукты карбоновых кислот реактивируются, и пути этерификации Фишера не обязательно исключают друг друга с путями уксусного ангидрида. (Примеры этого включают обычный студенческий лабораторный эксперимент с органическими веществами, включающий ацетилирование салициловой кислоты с получением аспирина.)
Этерификация Фишера - это в первую очередь термодинамически- контролируемый процесс : из-за его медленности наиболее стабильный сложный эфир обычно является основным продуктом. Это может быть желательным признаком, если следует избегать множественных реакционных центров и сложных эфиров побочных продуктов. Напротив, быстрые реакции с участием ангидридов или хлорангидридов часто контролируются кинетикой.
Основными недостатками способов этерификации Фишера являются их термодинамическая обратимость и относительно низкие скорости реакции - часто в масштабах от нескольких часов до лет, в зависимости от условий реакции. Обходные пути к этому могут быть неудобными, если есть другие функциональные группы, чувствительные к сильной кислоте, и в этом случае могут быть выбраны другие каталитические кислоты. Если сложный эфир продукта имеет более низкую температуру кипения, чем вода или реагенты, продукт может быть дистиллированным, а не водой; это обычное дело, поскольку сложные эфиры без протонных функциональных групп имеют тенденцию иметь более низкие температуры кипения, чем их протонные исходные реагенты. Очистка и экстракция упрощаются, если сложноэфирный продукт может быть удален от реагентов и побочных продуктов, но скорость реакции может быть снижена, поскольку в этом сценарии общая температура реакции может быть ограничена. Более неудобный сценарий состоит в том, что реагенты имеют более низкую точку кипения, чем продукт сложного эфира или вода, и в этом случае реакционная смесь должна быть закрыта, кипеть с обратным холодильником и добавлен большой избыток исходного материала. В этом случае безводные соли, такие как сульфат меди (II) или пиросульфат калия, также могут быть добавлены для связывания воды путем образования гидратов, сдвигая равновесие. к сложноэфирным продуктам. Эти гидратированные соли затем декантируют перед заключительной обработкой.
Естественная этерификация, которая имеет место в винах и других спиртовых напитках. напитки в процессе старения являются примером катализируемой кислотой этерификации. Со временем кислотность уксусной кислоты и танинов в выдержанном вине будет каталитически протонировать другие органические кислоты (включая саму уксусную кислоту), стимулируя этанол к реакции как нуклеофил. В результате этилацетат - сложный эфир этанола и уксусной кислоты - является наиболее распространенным сложным эфиром в винах. Другие комбинации органических спиртов (например, фенолсодержащих соединений) и органических кислот приводят к появлению множества различных сложных эфиров в винах, что способствует их разному вкусу, запаху и вкусу. Конечно, по сравнению с условиями серной кислоты, кислотные условия в вине мягкие, поэтому выход низкий (часто в десятых или сотых процентных пункта по объему), и на накопление сложного эфира уходит годы.
Трибромид тетрабутиламмония (TBATB) может служить эффективным, но нетрадиционным катализатором этой реакции. Считается, что бромистоводородная кислота, высвобождаемая TBATB, протонирует спирт, а не карбоновую кислоту, превращая карбоксилат в фактический нуклеофил. Это было бы обращением стандартного механизма этерификации. Примером этого метода является ацилирование 3-фенилпропанола с использованием ледяной уксусной кислоты и TBATB. В результате реакции образуется сложный эфир за 15 минут с выходом 95% без необходимости удаления воды.
