Этерификация Фишера-Шпейера - Fischer–Speier esterification

Этерификация
Названный в честь Герман Эмиль Фишер
Артур Шпайер
Тип реакции Реакция сцепления
Идентификаторы
Портал органической химии фишер-этерификация
Идентификатор онтологии RSC RXNO: 0000167
Синтез метилбензоата этерификацией Фишера – Шпейера.

Фишер этерификации или Фишера-Спеир этерификации представляет собой особый тип этерификации путем кипячения с обратным холодильником в карбоновую кислоту и спирт в присутствии кислотного катализатора . Реакция была впервые описана Эмилем Фишером и Артуром Шпейером в 1895 году. Для реакции подходит большинство карбоновых кислот, но спирт обычно должен быть первичным или вторичным. Третичные спирты подвержены элиминации. 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 - спирта ) или в неполярном растворителе (например, толуоле ), чтобы облегчить метод Дина-Старка . Типичное время реакции составляет 1–10 часов при температуре 60–110 ° C.

Прямое ацилирование спиртов карбоновыми кислотами предпочтительнее ацилирования ангидридами (слабая атомная экономия ) или хлорангидридами (чувствительность к влаге). Основным недостатком прямого ацилирования является неблагоприятное химическое равновесие, которое необходимо исправить (например, с помощью большого избытка одного из реагентов) или путем удаления воды (например, с помощью дистилляции Дина-Старка, безводных солей, молекулярных сит или с использованием стехиометрического количества кислотного катализатора).

Обзор

Основная статья: Этерификация

Этерификация Фишера является примером нуклеофильного ацильного замещения, основанного на электрофильности карбонильного углерода и нуклеофильности спирта. Однако карбоновые кислоты, как правило, менее реакционноспособны, чем сложные эфиры, как электрофилы. Кроме того, в разбавленных нейтральных растворах они, как правило, являются депротонированными анионами (и, следовательно, не реагируют как электрофилы). Хотя кинетически очень медленно без каких-либо катализаторов (большинство сложных эфиров метастабильны ), чистые сложные эфиры будут иметь тенденцию к самопроизвольному гидролизу в присутствии воды, поэтому при проведении "без посторонней помощи" высокие выходы для этой реакции весьма неблагоприятны.

Можно предпринять несколько шагов, чтобы превратить эту неблагоприятную реакцию в благоприятную.

Механизм реакции этой реакции состоит из нескольких этапов:

  1. Перенос протона от кислотного катализатора к карбонильному кислороду увеличивает электрофильность карбонильного углерода.
  2. Затем карбонильный углерод подвергается атаке нуклеофильного атома кислорода спирта.
  3. Перенос протона от иона оксония на вторую молекулу спирта дает активированный комплекс
  4. Протонирование одной из гидроксильных групп активированного комплекса дает новый ион оксония.
  5. Потеря воды из этого иона оксония и последующее депротонирование дает сложный эфир .

Типовой механизм кислотной этерификации Фишера показан ниже.

Механизм этерификации Фишера

Преимущества и недостатки

Преимущества

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 - потенциальные парниковые газы или разрушители озона, а также возможные экологические яды. Хлорангидриды выделяют газообразный хлористый водород при контакте с атмосферной влагой, они вызывают коррозию, активно 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 монооксида углерода или диоксида серы (в зависимости от используемого процесса синтеза).

Кислотные ангидриды более реакционноспособны, чем сложные эфиры, потому что уходящей группой является карбоксилат- анион - более удаляемая уходящая группа, чем алкоксид-анион, потому что их отрицательный заряд более делокализован. Однако такие маршруты обычно приводят к плохой атомной экономии . Так , например, во взаимодействии этанола с уксусным ангидридом , этилацетат формами и уксусной кислотой удаляют в качестве уходящей группы, которая является значительно менее реакционноспособна , чем кислотный ангидрид и будет оставлена в качестве побочного продукта (в расточительных соотношении 1: 1 с эфиром продукт), если продукт собирается немедленно. Если условия достаточно кислые, уксусная кислота может далее реагировать по пути этерификации Фишера, но гораздо медленнее. Однако во многих тщательно разработанных синтезах реагенты могут быть разработаны таким образом, чтобы ангидриды кислот генерировались in situ и побочные продукты карбоновых кислот реактивировались, и пути этерификации Фишера не обязательно исключают друг друга с путями уксусного ангидрида. (Примеры этого включают распространенный студенческий эксперимент в органической лаборатории, включающий ацетилирование салициловой кислоты с получением аспирина .)

Этерификация по Фишеру - это прежде всего термодинамически контролируемый процесс : из-за его медленности наиболее стабильный сложный эфир, как правило, 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 кислот или хлорангидридов часто контролируются кинетически .

Недостатки

Основными недостатками способов этерификации Фишера являются их термодинамическая обратимость и относительно низкие скорости реакции - часто 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 отогнан от реагентов и побочных продуктов, но скорость реакции может быть снижена, поскольку общая температура реакции может быть ограничена в этом сценарии. Более неудобный сценарий - если реагенты имеют более низкую температуру 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 за счет образования гидратов , сдвигая равновесие в сторону сложноэфирных продуктов. Эти гидратированные соли затем декантируют перед окончательной обработкой .

Примеры в алкогольных напитках

Естественная этерификация, которая имеет место в винах и других алкогольных напитках во время процесса старения, является примером этерификации, катализируемой кислотой. Со временем кислотность уксусной кислоты и дубильных веществ 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 сложным эфиром в винах. Другие комбинации органических спиртов (например, фенолсодержащих соединений) и органических кислот приводят к образованию множества различных сложных эфиров в винах, что влияет на их вкус, запах и вкус. 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 для накопления сложного эфира требуются годы.

Вариации

Трибромид тетрабутиламмония (TBATB) может служить эффективным, но нетрадиционным катализатором этой реакции. Считается, что бромистоводородная кислота, выделяемая TBATB, протонирует спирт, а не карбоновую кислоту, делая карбоксилат фактическим нуклеофилом. 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.

Смотрите также

использованная литература

  1. ↑ Эмиль Фишер, Артур Шпейер (1895). "Дарстеллунг дер Эстер". Chemische Berichte . 28 (3): 3252–3258. DOI : 10.1002 / cber.189502803176 .
  2. ^ Оффенхауэр, Роберт Д. (1964). «Прямая этерификация фенолов». Журнал химического образования . 41 (1): 39. Bibcode : 1964JChEd..41 ... 39O . DOI : 10.1021 / ed041p39 .
  3. ^ Хокинг, MB (1980). «Препарат фенилацетата из фенола и уксусной кислоты: переоценка распространенного в учебниках заблуждения». Журнал химического образования . 57 (7): 527. Bibcode : 1980JChEd..57..527H . DOI : 10.1021 / ed057p527 .
  4. ^ а б Фернисс, Брайан; Ханнафорд, Энтони; Смит, Питер; Татчелл, Остин (1996). Учебник практической органической химии Фогеля 5-е изд . Лондон: Longman Science & Technical. стр.  695 -697 & 699-704. ISBN 9780582462366.
  5. ^ a b Тингл, Дж. Бишоп (1906). «Отчеты: Этерификация» . Американский химический журнал . 35 : 368–369 . Проверено 19 января +2016 .
  6. ^ Опосредованная тетрабутиламмоний трибромидом конденсация карбоновых кислот со спиртами Сарала Найк, Вирабабурао Кавала, Рангам Гопинатх и Бхисма К. Патель Аркивок 2006 (i) 119-127 Интернет-статья

внешние ссылки