Ester: definiție, proprietăți, sinteză și utilizări

Definiție și structură

Un ester este un carbonil cu o grupare eter pe atomul de carbon. Grupul poate fi scris ca COOR. Aceștia pot fi obținuți prin reacția unui acid carboxilic cu un alcool cu un anumit acid.

Din punct de vedere structural, esterii au formula generală R–C(=O)–OR'. Carbonul carbonilic este electrofil, iar gruparea OR' (gruparea alkoxy) conferă proprietăți specifice, diferite de cele ale acizilor carboxilici sau ale cetonelor.

Proprietăți fizice și spectroscopice

Esterii reprezintă o grupare funcțională foarte importantă. Aceștia pot fi găsiți în multe substanțe. Ei sunt foarte comuni în grăsimi și uleiuri. Uneori au un miros foarte puternic și plăcut. Pot fi folosiți pentru a face parfumuri. Poliesterii se găsesc în materialele plastice.

Ca proprietăți fizice generale: esterii sunt molecule polare, dar de obicei nu pot forma legături de hidrogen ca donori (au doar acceptori), astfel că au puncte de fierbere mai mici decât acizii corespunzători și sunt solubili în solvenți organici; esteri mici (ex. metil, etil) sunt solubili în apă până la un punct.

În spectroscopia în infraroșu, esterii prezintă un semnal intens al C=O tipic în jurul valorii de 1735–1750 cm⁻¹ pentru esteri alifatici neconjugați (conjugația sau substituenții pot coborî această valoare la ~1715–1730 cm⁻¹). Spectroscopia în infraroșu oferă semnale foarte clare, care sunt diferite de cele ale altor carbonili. Spectroscopia RMN a carbonului are caracteristici similare.

În RMN 13C, semnalul carbonilului ester apare de obicei în intervalul ~160–185 ppm (adesea în jur de 165–175 ppm). În RMN 1H, protonii de lângă oxigenul eteric (–OCH2–) apar de obicei în jurul a 3,5–4,5 ppm; multiplicitatea depinde de vecinătăți.

Sinteză

Cea mai cunoscută metodă de formare a esterilor este esterificarea Fischer: reacția reversibilă, catalizată acid, între un acid carboxilic și un alcool. Reacția este reversibilă — îndepărtarea apei sau folosirea excesului de alcool favorizează formarea esterului.

Alte metode comune includ transformarea acidului în clorură de acid (acil clorid) urmată de reacția cu un alcool, sinteza prin transesterificare (schimbul grupării alkoxy între doi esteri sau între un ester și un alcool) și sinteze enzimatice (lipaze) folosite industrial în condiții blânde. Transesterificarea este procedeul folosit la producerea biodieselului (metilizarea trigliceridelor pentru a obține esteri metilici ai acizilor grași).

Reacții importante

Hidróliza (acidă sau bazică): transformă esterii în acid carboxilic și alcool. Hidróliza bazică (saponificare) este ireversibilă și se folosește pentru a obține săpunuri din grăsimi.
Transesterificarea: schimbă gruparea OR' cu altă grupare OR''; importantă industrial (uși, parfumuri, biodiesel, plastifianți).
Reducerea: esterele pot fi reduse la alcooli primari (de exemplu cu LiAlH4) sau, controlat, la aldehide (cu DIBAL-H la temperaturi joase). Obținerea directă a unor cetone din esteri necesită metode speciale (de ex. utilizarea de derivați activi sau reacții cu reagenți organometalici controlați, precum amide Weinreb), deoarece adăugarea directă a unui reactiv organometalic (Grignard) tinde să conducă la alcool terciar prin adăugare dublă.
Aminoliza: reacția ester + amină duce la formarea unei amide (uneori necesită activare sau condiții mai dure).
Adiție nucleofilă acilică: esterii suferă adiție nucleofilă urmată de eliminare (mecanism de substituție nucleofilă acilică) prin intermediul unui intermediar tetraedric.
Reacții carbon–carbon: esterii participă la condensări (Claisen, Dieckmann) pentru a forma beta-chetoesteri sau alte blocuri C–C utile în sinteză.

Nomenclatură și exemple

Conform IUPAC, esterii simplii sunt denumiți ca alkil alcanoat (ex.: ethanoat de etil sau mai frecvent acetat de etil). Exemple comune: acetat de metil (methyl acetate), acetat de etil (ethyl acetate), metil salicilat (miros de iarbă/mentă), și parabenii (esterați folosiți ca conservanți).

În natură, multe fructe conțin esteri responsabili pentru aromele și mirosurile caracteristice. Grăsimile și uleiurile sunt, în esență, triesteri (trigliceride) ai glicerolului cu acizi grași.

Utilizări practice

Industria parfumurilor și aromelor: mulți esteri au mirosuri plăcute, fructate.
Solvenți: acetatul de etil, acetatul de metil sunt solvenți comuni în lacuri și adezivi.
Materiale plastice: poliesterii (de ex. PET) sunt polimeri construiți din unități ester.
Biodiesel: esteri metilici ai acizilor grași obținuți prin transesterificarea trigliceridelor.
Farmaceutice: esteri ca pro-droguri (modifică solubilitate/absorbție) sau ca excipienți.
Plasticizatori, lubrifianți, solvări industriale și intermediari pentru sinteza organică.

Securitate și mediu

Multe esteri sunt inflamabili și pot fi iritanți pentru ochi și piele; manipularea lor necesită ventilație adecvată și echipament de protecție. În mediu, esteri ușor volatili pot contribui la disconfort olfactiv; biodegradabilitatea variază în funcție de structură. Transesterificarea grăsimilor produce biodiesel, o alternativă regenerabilă la combustibilii fosili, dar procesul industrial trebuie gestionat pentru a minimiza deșeurile și consumul de resurse.

Detalii practice pentru laborator

Pentru sinteze obișnuite: esterificarea Fischer se face cu cataliză acidă (H2SO4, HCl p.a.) și încălzire ușoară; pentru a forța reacția se îndepărtează apa (de exemplu cu agent de uscare sau folosind aparat Dean–Stark). Transesterificarea se poate face cu cataliză acidă, bazică sau enzimatică (lipaze) în funcție de sensibilitatea substraturilor.

În concluzie, esterii sunt grupări funcționale extrem de versatile, cu rol major în chimia organică, industria materialelor, parfumuri, alimente și biocombustibili. Proprietățile lor chimice (reactivitate acilică, posibilități de transformare) îi fac componentă-cheie în multe sinteze și aplicații industriale.

Un ester

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este o moleculă de ester?

R: O moleculă de ester este o moleculă care include un atom de carbon legat dublu de un atom de oxigen și legat simplu de un alt atom de oxigen care este legat de un atom de carbon.

Î: Cum pot fi produși esterii?

R: Esterii pot fi obținuți prin reacția unui acid carboxilic cu un alcool cu un anumit acid.

Î: Unde pot fi găsiți esterii?

R: Esterii pot fi găsiți în multe substanțe, în special în grăsimi și uleiuri.

Î: Care este o utilizare obișnuită a esterilor?

R: Esterii pot fi folosiți pentru a face parfumuri, deoarece uneori au un miros foarte puternic și plăcut.

Î: Ce sunt poliesterii?

R: Poliesterii se găsesc în materialele plastice.

Î: Ce reacții pot suferi esterii?

R: Esterii pot schimba cu ușurință partea de eter a moleculei cu o alta similară. De asemenea, este posibilă reducerea esterului la o cetonă sau la un alcool, care poate face multe reacții diferite. Adiția nucleofilică este, de asemenea, o reacție bună, deși este puțin mai dificilă decât în cazul cetonelor.

Î: Cum se poate identifica dacă o moleculă are o grupare ester?

R: Se poate identifica dacă o moleculă are o grupare ester folosind spectroscopia în infraroșu, care dă semnale foarte clare, diferite de cele ale altor carbonili, sau folosind spectroscopia RMN a carbonului, care are caracteristici similare.