Estry: estryfikacja i hydroliza

Estry są pochodnymi kwasów karboksylowych. W ich cząsteczkach występuje charakterystyczna grupa estrowa $-COO-$, która łączy dwie części: resztę kwasową oraz grupę pochodzącą od alkoholu.

Ogólny zapis prostego estru można przedstawić jako $RCOOR'$. Fragment $RCOO-$ pochodzi od kwasu karboksylowego, natomiast $R'$ jest pozostałością po alkoholu. Na przykład w cząsteczce $CH_3COOCH_2CH_3$ reszta $CH_3COO-$ pochodzi od kwasu etanowego, a grupa $CH_2CH_3$ - od etanolu.

Wiele estrów o małych cząsteczkach jest cieczami o przyjemnych, często owocowych zapachach. Są wykorzystywane w kompozycjach zapachowych i aromatach. Szczególną grupą estrów są tłuszcze, zbudowane z glicerolu i wyższych kwasów karboksylowych.

Nazwa estru składa się z dwóch części. Pierwsza pochodzi od kwasu i określa resztę kwasową, a druga wskazuje grupę alkilową wywodzącą się od alkoholu.

• Kwas etanowy i metanol tworzą octan metylu.
• Kwas etanowy i etanol tworzą octan etylu.
• Kwas propanowy i etanol tworzą propanian etylu.
• Kwas mrówkowy i metanol tworzą mrówczan metylu.

W nazwie należy więc poprawnie rozpoznać oba fragmenty cząsteczki. Dla wzoru $HCOOCH_3$ część $HCOO-$ odpowiada kwasowi mrówkowemu, a $CH_3-$ metanolowi.

Estryfikacja jest reakcją kwasu karboksylowego z alkoholem, w której tworzą się ester i woda. Ma charakter odwracalny, dlatego jej zapis obejmuje strzałkę równowagi:

$$CH_3COOH+CH_3CH_2OH \rightleftharpoons CH_3COOCH_2CH_3+H_2O$$

Powyższe równanie opisuje otrzymywanie octanu etylu z kwasu etanowego i etanolu. Reakcję zwykle prowadzi się podczas ogrzewania, w obecności stężonego kwasu siarkowego(VI).

Kwas siarkowy(VI) działa jako katalizator, czyli przyspiesza reakcję, ale sam się w niej nie zużywa. Ponadto wiąże wodę, co sprzyja tworzeniu większej ilości produktu.

Hydroliza jest reakcją, w której ester reaguje z wodą. Hydroliza kwasowa przebiega w obecności kwasu i stanowi reakcję przeciwną do estryfikacji. Jej produktami są kwas karboksylowy oraz alkohol.

Dla octanu etylu przebieg można zapisać następująco:

$$CH_3COOCH_2CH_3+H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH+CH_3CH_2OH$$

W tej przemianie fragment pochodzący od kwasu odtwarza kwas etanowy, zaś fragment etylowy daje etanol. Ponieważ reakcja jest odwracalna, w odpowiednich warunkach produkty mogą ponownie tworzyć ester.

W zadaniach maturalnych warto najpierw rozdzielić wzór estru przy wiązaniu $C-O$ w grupie $-COO-$ na fragmenty $RCO-$ i $-OR'$, a następnie dopasować: do fragmentu $RCO-$ grupę $-OH$ z wody (powstaje kwas $RCOOH$), a do fragmentu $-OR'$ atom wodoru (powstaje alkohol $R'OH$).

Hydroliza zasadowa zachodzi po ogrzaniu estru z wodnym roztworem zasady, np. $NaOH$. Powstają wtedy alkohol i sól kwasu karboksylowego, a nie wolny kwas.

Dla octanu etylu równanie ma postać:

$$CH_3COOCH_2CH_3+NaOH \rightarrow CH_3COONa+CH_3CH_2OH$$

Ważną konsekwencją obecności zasady jest powstanie soli, tutaj octanu sodu. Dlatego hydroliza zasadowa jest praktycznie nieodwracalna: kwas zostaje związany w postaci soli.

Hydroliza zasadowa tłuszczów nosi nazwę zmydlania. Tłuszcz reaguje z zasadą, dając glicerol oraz sole wyższych kwasów karboksylowych. Sole te są składnikami mydeł.

W zadaniach dotyczących estrów kluczowe jest ustalenie, czy podane warunki oznaczają estryfikację, hydrolizę kwasową czy hydrolizę zasadową.

• Kwas karboksylowy + alkohol, ogrzewanie i stężony $H_2SO_4$ oznaczają estryfikację.
• Ester + woda w środowisku kwasowym oznaczają hydrolizę kwasową: powstają kwas i alkohol.
• Ester + $NaOH$ lub $KOH$ oznaczają hydrolizę zasadową: powstają sól kwasu i alkohol.

Nie należy mylić hydrolizy kwasowej z zasadową. W pierwszej otrzymuje się wolny kwas karboksylowy, np. $CH_3COOH$. W drugiej otrzymuje się jego sól, np. $CH_3COONa$. Różnica ta musi być widoczna zarówno w nazwach produktów, jak i w równaniu reakcji.

Przy zapisywaniu produktów zachowuj liczbę atomów węgla: część kwasowa estru pozostaje częścią kwasu lub jego soli, a grupa alkilowa pozostaje częścią alkoholu.