Forestring

Den forestring er en reaksjon av organisk kjemi , hvor en funksjonell gruppe ester R1-COO-R2 er oppnåelig ved kondensasjon av en gruppe karboksylsyre R1-COOH og en gruppe alkohol R2-OH og vanndannelse H 2 O.

Den grunnleggende reaksjonen er kondensering av en alkohol på en karboksylsyre med eliminering av et vannmolekyl, i hvilket tilfelle reaksjonen er reversibel (retro-forestring) og reversibel ( forsæpning , når hydrolysen av esteren finner sted. Realiserer under basisk forhold, H- 2 er O erstattes med hydroksydion HO), men den kan utføres av andre reagenser, særlig i stedet for karboksylsyren en av dens derivater, acyl-klorid eller syreanhydrid , endring av type reaksjon og dens avkastning. Det er en rekke andre syntetiske veier som involverer amider , nitriler , etere , aldehyder , ketoner eller andre estere .

Forestring av karboksylsyrer

Reaksjon

Denne reaksjonen, også kalt Fischer- forestring eller Fischer-Speier-forestring, består av produksjonen av en ester og vann , fra en alkohol og en karboksylsyre . Den generelle ligningen for denne reaksjonen er:

Denne reaksjonen fører til en kjemisk likevekt . Den omvendte reaksjonen, kalt retro-forestring, er hydrolyse av esteren. Reaksjoner i begge retninger er meget langsom i fravær av en katalysator , den "frie" proton (hydrogen-ion-H + , i form av en hydronium-ion H 3 O + i vandig oppløsning) som kommer fra hver '' en sterk syre (molekyl som har en proton som dissosierer i vandig oppløsning), eller vann der karboksylsyren er i oppløsning (forestring er langsommere ettersom pH i denne løsningen er høy siden pH = -log [H + ]).

Mekanisme

Avhengig av alkoholklassen, er det forskjellige mekanismer.

Den første mekanismen som presenteres er gyldig for primære og sekundære alkoholer, den andre for tertiære alkoholer.

Her tar vi den generelle saken og velger H + katalysator .

Primære og sekundære alkoholer

Denne mekanismen er beskrevet i fem trinn (inkludert to raske protonasjons-deprotonerings likevekt).

Første trinn: protonering av karboksylsyren. Det er to muligheter:

• protonering av karbonylgruppen

Her er det dannede ionet stabilisert av mesomerisme:

• protonering av hydroksylgruppen

Her har ikke bare det dannede ionet (acyloxonium ion) en mesomerisk form som stabiliserer det, men i tillegg tillater ikke denne tilstanden reaksjonen å fortsette. I tillegg til at denne reaksjonen er en likevekt, forbrukes de mulige protonerte formene på nivået av hydroksylgruppen for å danne den andre protonerte formen som vil bli fortært av følgende trinn ( forskyvning av likevekten , Le Chateliers prinsipp ).

• Det første trinnet er derfor protoneringen av karbonylgruppen (likevekt raskt nådd):

• Det andre trinnet, kinetisk begrensende, er det nukleofile angrepet av alkoholen på det elektrofile stedet for den protonerte karboksylsyren:

Merknad: for dette trinnet, vi startes direkte fra 2- nd  mesomeric form av protonert syre, for å forenkle den mekanisme.

• Det tredje trinnet er overføring av proton (H + ) av gruppen som er resultatet av alkoholen på en av hydroksylgruppene ( intern syre-base reaksjon eller prototropi)

• Det fjerde trinnet er avgang av et vannmolekyl (H 2 O).

• Det siste trinnet er en enkel deprotonering (restitusjon av katalysatoren)

Merk: Mekanismen ble verifisert ved bruk av vann med en 18 O isotop , etter reaksjonen ved massespektrometri .

Tertiære alkoholer

Også her foregår mekanismen i 4 trinn

• Første trinn: alkohol proto

• Andre trinn: avgang fra H 2 O , dannelse av den tertiære karbokation.

Disse to trinn (spesielt 2- nd ) er umulig med en primær eller sekundær alkohol, den karbokation som dannes ikke er stabile nok.

• Tredje trinn: tilsetning av karboksjonen til karbonylsyrenes karbonylfunksjon.

Mellomproduktet som således er substituert er relativt stabilt fordi det har flere mesomere former:

(vi starter fra den siste mesomere formen for det siste trinnet)

• Siste trinn: det er bare deprotonering av det forrige mellomproduktet (restitusjon av katalysatoren).

Eiendommer

Denne reaksjonen er reversibel ( forsæpning ) og reversibel (retro-forestring eller syrehydrolyse av esteren), langsom og begrenset (nettopp på grunn av dens omvendte reaksjon, hydrolyse).

Den er litt eksoterm.

Reaksjonen er nesten athermal, og en temperaturvariasjon har ingen innflytelse på likevektstilstanden ( eksperimentell lov om van 't Hoff ). Likeledes innebærer en variasjon av trykket ingen forskyvning av likevekten (siden reagensene og produktene i nesten alle tilfeller er væsker, eksperimentell lov fra Le Chatelier ).

På den annen side akselererer en økning i temperaturen reaksjonen og gjør det mulig å nå likevektstilstanden raskere.

Utbytte

Utbyttet avhenger veldig lite av karboksylsyren som brukes. Det avhenger fremfor alt av alkoholklassen som brukes: for reagenser introdusert i ekvimolære mengder er den 67% med en primæralkohol ( metanol for eksempel), 60% med en sekundæralkohol (f.eks: propan-2-ol ) og bare 5 % hvis alkoholen er tertiær (f.eks. tert- butanol eller 2-metylpropan-2-ol).

Historisk notat: disse eksperimentelle resultatene (atermiticitet, avling avhengig av alkoholklassen og lite av karboksylsyren osv.) Skyldes i stor grad arbeidet til Marcellin Berthelot og Léon Péan de Saint-Gilles (Mémoire de Berthelot og Péan de Saint -Gilles, 1861).

For å øke avkastningen er det forskjellige metoder.

• Øk mengden av overflødig reagens (vanligvis den billigste), som vil endre den endelige fremdriftshastigheten , og dermed utbyttet.
• Alle metoder for å forhindre at hydrolyse oppstår, og derfor for å forskyve likevekten i direkte retning (forestring). Du kan velge:
  • Destillere esteren når den dannes, hvis den er den mest flyktige (som ofte er tilfelle).
  • Eliminer vannet (for å unngå ionisering, en kilde til omvendte katalysatorprotoner). For dette er to metoder mulig:
    • Utfør dampstripping, tilsett til reaksjonssystemet et relativt flyktig løsningsmiddel og danner en heteroazeotrop med vann . Generelt velges cykloheksan eller toluen , og apparatet til Dean Stark brukes til denne metoden .
    • Innlem et dehydratiserende stoff i reaksjonsblandingen. Dette gir flere problemer, for på den ene siden kan det hende at alt vannet ikke forbrukes, selv om det blir overskudd. På den annen side er det da nødvendig å skille esteren fra dette produktet, noe som kan forårsake komplikasjoner (og i tillegg redusere utbyttet).

Kinetisk

Den ukatalyserte reaksjonen er ganske treg (når maksimal utbytte tar flere måneder). Hastigheten endres også i henhold til alkoholklassen: den avtar når vi går fra en primær alkohol til en sekundær alkohol, deretter til en tertiær alkohol. I alle fall leter vi derfor etter måter å øke hastigheten på reaksjonen.

• Økning i temperatur: hvis det ikke har noen innflytelse på utbyttet, forbedrer det kinetikken.
• Bruk av katalysator. Det brukes en syre til dette, noe som gjør det mulig å øke karboksylgruppens elektrofile karakter .

De fleste reaksjoner tillater bruk av svovelsyre, men dette er ikke tilfelle for alle (noen forbindelser tåler ikke "sjokkbehandlingen" med varm svovelsyre, en kraftig oksidant, som derfor risikerer å oksidere alkoholen, eller til og med dehydrere den ). Det er også mulig å anvende vannfri HCI , eller en svakere syre, slik som fosforsyre , H 3 PO 4 , eller paratoluensulfonsyre (APTS), eller til og med, hvis det er sterkt nok (eksempel: metansyre , pK A = 3,77) , den reaktive karboksylsyren ( autokatalyse ), satt i overskudd. Dette har en dobbel fordel: det katalyserer dermed reaksjonen, og i tillegg, som vi har sett tidligere, gjør det det mulig å forbedre utbyttet.

Forestring av karboksylsyrederivater

Syntesen av estere fra karboksylsyrer har mange ulemper: et maksimalt utbytte på rundt 2/3 i de gunstigste tilfellene (primære alkoholer) og mer enn middelmådige i de mest ugunstige tilfellene (5% for tertiære alkoholer), langsom kinetikk, til og med katalysert (hvis reaksjonen stoppes for raskt, faller utbyttet enda mer).

En løsning består derfor i stedet for å bruke syrederivater, slik som acylklorider eller syreanhydrider .

Reaksjoner

• Fra acylklorider:

• Fra syreanhydrider:

Eiendommer

• Fordeler :
  • Disse reaksjonene er totale .
  • De er generelt relativt raske, men krever katalyse ganske regelmessig. Katalysatorene tjener bare til å aktivere og gjøre syrerivatet enda mer reaktivt. I tilfelle av bruk av et acylklorid er katalysatorene som er brukt pyridin eller trietylamin (som deretter fungerer som en HCl-felle).
• Ulemper:
  • Acylklorider og syreanhydrider reagerer lett med vann (de hydrolyserer veldig lett). Dette gjør det nødvendig å ta forholdsregler ved håndtering (unngå kontakt med slimhinnene).
  • Selv om reaksjonene i utgangspunktet er fullstendige, er ikke utbyttet 100%. Faktisk, når reaksjonen er ferdig, må esteren ekstraheres fra mediet, og trinnene for å oppnå dette er generelt fysisk-kjemiske likevekt.
• Reaksjonene fra acylklorider er livlige: vi må avkjøle blandingen.

Vi må også fange den dannede HCl:

1. ved bruk av for eksempel en base slik som pyridin eller trietylamin.
2. en felle som består av en kolbe som inneholder brus.

• Reaksjonene fra anhydrider er tregere og mindre raske (anhydrider er mindre reaktive).

I industrien bruker vi derfor heller karboksylsyreveien, som er lettere å implementere. I tilfellet med farmasøytisk eller kosmetisk industri kan imidlertid acylklorider eller anhydrider brukes fordi produktene har høy merverdi.

Mekanismer

• Fra acylklorider:
  • 1 st  trinn: nukleofil addisjon av alkohol til acylklorid.

• • 2 th  trinn: Avgang HCl

• Fra syreanhydrider:
  • 1 st  trinn: nukleofil addisjon av alkohol til anhydrid.

• • 2 th  trinn: fra RCOOH

Syntese fra andre estere (transesterifisering)

Transesterifisering omdanner en ester og en alkohol til en annen ester og en annen alkohol. En syre eller en base blir ofte brukt som katalysator.

Reaksjon

Nytte

Transesterifisering brukes til fremstilling av polyester og biodiesel . Det er også mekanismen som gjør det mulig å spleise introner under modning av mRNA .

Merknader og referanser

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. desember 2000( DOI  10.1002 / 0471238961.0519200501191201.a01 , online presentasjon )
3. i virkeligheten er det meget svakt eksoterm (mellom 1 og 10  kJ mol -1 ).
4. dette kan forklares med forholdene: reaksjon i et surt medium, varmt = forhold som tillater dehydrering av alkoholen

Ekstern lenke

• En mekanisme animasjon