Этерификация Фишера-Шпейера
| Этерификация | |
|---|---|
| Назван в честь | Эмиль Фишер Артур Шпейер |
| Тип реакции | Реакция сцепления |
| Идентификаторы | |
| Портал органической химии | этерификация по Фишеру |
| RSC Идентификатор онтологии | RXNO: 0000167 |
Этерификация по Фишеру или этерификация по Фишеру-Шпейеру представляет собой особый тип этерификации путем кипячения с обратным холодильником и карбоновой кислоты спирта в присутствии кислотного катализатора . Реакция была впервые описана Эмилем Фишером и Артуром Шпейером в 1895 году. [ 1 ] Для реакции подходит большинство карбоновых кислот, но спирт обычно должен быть первичным или вторичным. Третичные спирты склонны к элиминации . Вопреки распространенному заблуждению, встречающемуся в учебниках по органической химии, фенолы также можно этерифицировать, что дает практически количественный выход продуктов. [ 2 ] [ 3 ] Обычно используемые катализаторы этерификации по Фишеру включают серную кислоту , п -толуолсульфоновую кислоту и кислоты Льюиса, такие как трифлат скандия (III) . Для более ценных или чувствительных субстратов (например, биоматериалов другие, более мягкие процедуры, такие как этерификация Стеглиха ) используются . Реакцию часто проводят без растворителя (особенно когда используется большой избыток спиртового реагента) или в неполярном растворителе (например, толуоле , гексане ), который может облегчить дистилляцию Дина-Старка для удаления побочного продукта воды. [ 4 ] Типичное время реакции варьируется от 1 до 10 часов при температуре 60–110 °C.
Прямое ацилирование спиртов карбоновыми кислотами предпочтительнее ацилирования ангидридами ( плохая атомная экономия реакции) или хлорангидридами (реагенты, чувствительные к влаге). Основным недостатком прямого ацилирования является неблагоприятное химическое равновесие , которое необходимо устранять (например, большим избытком одного из реагентов) или удалением воды (например, с помощью перегонки Дина-Старка или включения осушителя , такого как безводный соли, [ 5 ] молекулярные сита или большое количество определенных кислот в качестве катализатора в реакционной смеси).
Обзор
[ редактировать ]Эстерификация по Фишеру представляет собой реакцию ацильного замещения, основанную на электрофильности карбонильного углерода и нуклеофильности спирта. Карбоновые кислоты имеют тенденцию депротонироваться нуклеофилами, что приводит к образованию нереакционноспособного карбоксилата. Хотя сложные эфиры кинетически очень стабильны в отсутствие катализаторов, они имеют тенденцию со временем гидролизоваться в присутствии воды.
Можно предпринять несколько шагов, чтобы превратить эту неблагоприятную реакцию в благоприятную. [ 4 ]
Механизм реакции этой реакции состоит из нескольких стадий:
- Перенос протона от кислотного катализатора к карбонильному кислороду увеличивает электрофильность карбонильного углерода.
- Затем карбонильный углерод подвергается атаке нуклеофильного атома кислорода спирта.
- Перенос протона от иона оксония ко второй молекуле спирта дает активированный комплекс.
- Протонирование одной из гидроксигрупп активированного комплекса дает новый ион оксония.
- Потеря воды этим ионом оксония и последующее депротонирование дают сложный эфир .
Общий механизм кислотной этерификации по Фишеру показан ниже.
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]Основные преимущества этерификации по Фишеру по сравнению с другими процессами этерификации основаны на ее относительной простоте. Можно использовать простые кислотные условия, если чувствительные к кислоте функциональные группы не представляют проблемы; можно использовать серную кислоту; можно использовать более слабые кислоты, но при этом требуется более длительное время реакции. Поскольку используемые реагенты являются «прямыми», воздействие на окружающую среду с точки зрения отходов и вредности реагентов меньше. Алкилгалогениды являются потенциальными парниковыми газами или истощателями озонового слоя , канцерогенами и возможными экологическими ядами. Хлориды кислот выделяют газообразный хлористый водород при контакте с атмосферной влагой, обладают коррозионным действием, бурно реагируют с водой и другими нуклеофилами (иногда опасно); они легко гасятся другими нуклеофилами, кроме искомого спирта; их наиболее распространенные пути синтеза включают выделение токсичных газов угарного газа или диоксида серы (в зависимости от используемого процесса синтеза).
Ангидриды кислот более реакционноспособны, чем сложные эфиры, поскольку уходящая группа представляет собой карбоксилат- анион - лучшая уходящая группа, чем алкоксид-анион, поскольку их отрицательный заряд более делокализован. Однако такие маршруты обычно приводят к плохой атомной экономике . Например, при взаимодействии этанола с уксусным ангидридом , этилацетат образуется а уксусная кислота удаляется в виде уходящей группы, которая значительно менее реакционноспособна, чем ангидрид кислоты, и остается в качестве побочного продукта (в нерациональном соотношении 1:1 с эфирной группой). продукт), если продукт забран немедленно. Если условия достаточно кислые, уксусная кислота может далее вступать в реакцию по пути этерификации Фишера, но гораздо медленнее. Однако во многих тщательно разработанных синтезах реагенты могут быть разработаны таким образом, чтобы ангидриды кислот образовывались in situ, а побочные продукты карбоновых кислот реактивировались, а пути этерификации Фишера не обязательно являются взаимоисключающими с маршрутами уксусного ангидрида. Примеры этого [ противоречивый ] Включите обычный студенческий органический лабораторный эксперимент, включающий ацетилирование салициловой кислоты с получением аспирина .
Этерификация по Фишеру — это, прежде всего, термодинамически контролируемый процесс : из-за его медленности основным продуктом обычно оказывается наиболее стабильный сложный эфир. Это может быть желательным признаком, если необходимо избегать наличия нескольких мест реакции и побочных эфиров продуктов. Напротив, быстрые реакции с участием ангидридов кислот или хлорангидридов часто являются кинетически контролируемыми .
Недостатки
[ редактировать ]Основными недостатками способов этерификации по Фишеру являются их термодинамическая обратимость и относительно медленные скорости реакции - часто от нескольких часов до лет, в зависимости от условий реакции. Обходные пути могут быть неудобными, если существуют другие функциональные группы, чувствительные к сильной кислоте, и в этом случае можно выбрать другие каталитические кислоты. Если сложный эфир имеет более низкую температуру кипения, чем вода или реагенты, продукт можно перегонять, а не воду; это обычное явление, поскольку сложные эфиры без протонных функциональных групп имеют тенденцию иметь более низкие температуры кипения, чем их исходные протонные реагенты. Очистка и экстракция облегчаются, если сложноэфирный продукт можно отогнать от реагентов и побочных продуктов, но скорость реакции можно замедлить, поскольку в этом сценарии общая температура реакции может быть ограничена. Более неудобный сценарий состоит в том, что реагенты имеют более низкую температуру кипения, чем эфирный продукт или вода, и в этом случае реакционную смесь необходимо закрыть крышкой. [ нужны разъяснения ] и кипятили с обратным холодильником и добавляли большой избыток исходного материала. В этом случае также можно добавить безводные соли, такие как сульфат меди (II) или пиросульфат калия , чтобы изолировать воду путем образования гидратов , смещая равновесие в сторону сложноэфирных продуктов. [ 5 ] Реакционную смесь, содержащую продукт, можно затем декантировать или отфильтровать для удаления осушающего агента перед окончательной обработкой .
При выдержке вина
[ редактировать ]Естественная этерификация, которая происходит в винах и других алкогольных напитках в процессе выдержки, является примером кислотно-катализируемой этерификации. Со временем кислотность уксусной кислоты и танинов в выдержанном вине будет каталитически протонировать другие органические кислоты (включая саму уксусную кислоту), побуждая этанол реагировать как нуклеофил. В результате этилацетат — сложный эфир этанола и уксусной кислоты — является наиболее распространенным эфиром в винах. Другие комбинации органических спиртов (например, фенолсодержащих соединений) и органических кислот приводят к образованию в винах множества различных эфиров, обуславливающих их разные вкусы, запахи и вкусы. Конечно, по сравнению с условиями серной кислоты, кислотные условия в вине мягкие, поэтому выход низкий (часто составляет десятые или сотые доли процентного пункта по объему), и для накопления эфира требуются годы.
Вариации
[ редактировать ]Трибромид тетрабутиламмония (ТБАТБ) может служить эффективным, но нетрадиционным катализатором этой реакции. [ 6 ] Считается, что бромистоводородная кислота, выделяемая TBATB, протонирует спирт, а не карбоновую кислоту, что делает карбоксилат настоящим нуклеофилом. Это было бы изменением 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.
См. также
[ редактировать ]- Гликозидирование по Фишеру - соединение спирта и сахара.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эмиль Фишер, Артур Шпейер (1895). «Представление эфиров». Химические отчеты . 28 (3): 3252–3258. дои : 10.1002/cber.189502803176 .
- ^ Оффенхауэр, Роберт Д. (1964). «Прямая этерификация фенолов». Журнал химического образования . 41 (1): 39. Бибкод : 1964ЖЧЭд..41...39О . дои : 10.1021/ed041p39 .
- ^ Хокинг, МБ (1980). «Приготовление фенилацетата из фенола и уксусной кислоты: переоценка распространенного заблуждения в учебниках». Журнал химического образования . 57 (7): 527. Бибкод : 1980JChEd..57..527H . дои : 10.1021/ed057p527 .
- ^ Перейти обратно: а б Фернисс, Брайан; Ханнафорд, Энтони; Смит, Питер; Тэтчелл, Остин (1996). Учебник практической органической химии Фогеля 5-е изд . Лондон: Longman Science & Technique. стр. 695–697 и 699–704. ISBN 9780582462366 .
- ^ Перейти обратно: а б Тингл, Дж. Бишоп (1906). «Отчеты: Этерификация» . Американский химический журнал . 35 : 368–369 . Проверено 19 января 2016 г.
- ^ Конденсация карбоновых кислот со спиртами, опосредованная трибромидом тетрабутиламмония Сарала Найк, Вирабабурао Кавала, Рангам Гопинатх и Бхишма К. Патель Аркивок 2006 (i) 119-127 Интернет-статья [ постоянная мертвая ссылка ]
