Esteriai: kas tai? Struktūra, savybės, sintezė ir panaudojimas

Esteriai: sužinokite jų struktūrą, savybes, sintezės būdus ir panaudojimą — nuo kvepalų ir riebalų iki plastikų. Praktiniai pavyzdžiai ir analizės metodai.

Esteris - tai karbonilas su eterio grupe anglies atome. Grupę galima užrašyti kaip COOR. Juos galima pagaminti reaguojant karboksilo rūgščiai su alkoholiu ir tam tikra rūgštimi. Tolimesnėje teksto dalyje pateikiama išsamesnė esterio sandaros, savybių, sintezės ir praktinio panaudojimo apžvalga.

Struktūra ir formulė

Esterio bendroji formulė yra R–COO–R' (kartais rašoma kaip RCOOR'). Karbonilo (C=O) anglis susijungęs su oksigeno atoma, kuris savo ruožtu prijungtas prie alkilinės ar arilinės R' grupės. Dėl tokios sandaros esteriai pasižymi tam tikra poliarumo suma – jie turi dipolinį C=O jungtį, tačiau neturi hidrogeno, galinčio sudaryti vandenilinę jungtį (nebent molekulėje yra papildomų funkcinės grupės atomų).

Savybės

Esteriai yra labai svarbi funkcinė grupė. Jų galima rasti daugelyje medžiagų. Jie labai paplitę riebaluose ir aliejuose. Kartais jie turi labai stiprų, malonų kvapą. Juos galima naudoti kvepalams gaminti. Poliesteriai randami plastikuose.

• Fizikinės savybės: trumpesnės grandinės esteriai dažnai yra lakiųjų skysčių įprastu temperatūru, ilgų grandinių esteriai – aliejingi. Jie yra poliarūs, bet negali formuoti vandenilinių ryšių kaip karboksilo rūgštys, todėl turi žemesnį virimo tašką nei atitinkamos rūgštys.
• Tirpumas: trumpakaitiniai esteriai (pvz., metilo, etilo esteriai) tam tikru mastu tirpsta vandenyje; ilgesnės grandinės yra tirpios tik organiniuose tirpikliuose.

Sintezė ir transformacijos

Paprastai esteriai gaminami keliais pagrindiniais būdais:

• Fischerio esterifikacija: karboksilo rūgštis + alkoholiu su rūgštiniu katalizatoriumi (pvz., sieros rūgštimi) → esteris + vanduo.
• Acid chloridų ar anhidrido reakcijos su alkoholiais: reaguojant su rūgštiniais chloridais gaunami esteriai efektyviai ir greitai.
• Transesterifikacija: vieno esterio R' grupės pakeitimas kitu alkoholinio reagentu (naudojama biodujų – biodizelio – gamyboje, kai riebalų trigliceridai reaguoja su metanoliu).
• Peptidinės ar atliekamos esterifikacijos naudojant aktyvinimo reagentus (pvz., DCC, EDC) arba Steglich metodo katalizatorius – svarbu organinėje sintezėje ir farmacijoje.

Esteriai taip pat gali atlikti daugybę reakcijų. Labai lengva pakeisti eterinę molekulės dalį kita panašia. Taip pat galima esterį redukuoti į ketoną arba alkoholį, kurie gali atlikti daugybę skirtingų reakcijų. Reikia pažymėti, kad tiesioginis esterio redukcijos į ketoną kelias reikalauja specialių reagentų ar tarpinių junginių: paprastas redukcinis reagentas (pvz., LiAlH4) esterį įprastai redukuoja iki pirminio alkoholio, o dalinį redugavimą iki aldehido galima pasiekti naudojant DIBAL-H kontroliuojamomis sąlygomis. Ketonai dažnai gaunami per tarpinį etapą (pvz., per Weinreb amido ar organokuprato reakcijas).

Nukleofilinis atakos mechanizmas esteriams dažniausiai yra nukleofilinė acilinė substitucija: nukleofilas prijungia prie karbonilo, po to paliekantis grupės –OR – pašalinimas. Dėl rezonanso tarp karbonilo ir alkoksi (–OR) grupės esteriai yra mažiau reaguojantys už ketonus, todėl reaguoja lėčiau arba reikalauja stipresnių sąlygų ar katalizatorių.

Hidrolizė ir pramoninis panaudojimas

Esteriai yra veikiami ir kontroliuojamai skyla:

• Aktyvi rūgštinė hidrolizė: su rūgštimi gaunama atgal karboksilo rūgštis ir alkoholis.
• Bazinė hidrolizė (saponifikacija): ilgainiui vykdoma su šarminiu tirpalu – gaunami karboksilato jonai (tarkime, muilo pavidalu) ir alkoholis; tai svarbu riebalų apdorojime ir muilo gamyboje.

Panaudojimo sritys:

• Pramonė: tirpikliai (pvz., etilo acetatas), plastikai (poliesteriai, pvz., PET), polimerai.
• Maisto ir parfumerija: daug natūralių ir sintetinių kvapiklių bei skonių yra esteriai (pvz., etilo acetatas, benzilo acetatas, metilo salicilatas).
• Energija: biodizelis gaminamas transesterifikuojant trigliceridus į metilo esterus (methyl esters).
• Biologija: riebalai, fosfolipidai ir daugelis biologinių molekulių turi esterines jungtis (pvz., trigliceridai yra glicerolio triesteriai su riebiųjų rūgščių grandinėmis).

Spektroskopija ir identifikacija

Yra daug būdų, kaip sužinoti, ar molekulėje yra esterio grupė. Infraraudonųjų spindulių spektroskopija duoda labai ryškius signalus, kurie skiriasi nuo kitų karbonilų. Tipinė esterio C=O stūksčio vieta yra apie 1735–1750 cm⁻¹ (konjuguoti esteriai gali turėti žemesnį dažnį). Taip pat matomi stiprūs C–O ruožo absorbcijos signalai (~1150–1250 cm⁻¹).

Panašiomis savybėmis pasižymi ir angliavandenilių NMR spektroskopija. 1H NMR dažnai parodo protonus, esančius prie –O– (pvz., CH2–O–) ~3.5–4.5 ppm, o 13C NMR rodo karbonilo C signalą dažnai ~160–185 ppm. Šios charakteristikos padeda atskirti esterį nuo panašių funkcinės grupių (rūgščių, amido, ketonų).

Santrauka

Esteriai — plačiai paplitusi ir pramonėje svarbi funkcinė grupė, pasižyminti aiškia sandara COOR, būdinga spektroskopine „ženklu“ ir gausybe sintezės bei transformacijos metodų. Jie naudojami nuo kvapiklių ir skonių iki plastiko gamybos bei biodyzelio pramonės, o jų cheminės savybės (hidrolizė, transesterifikacija, redukcijos ir kt.) suteikia daug galimybių organinėje sintezėje ir technologijose.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra esterio molekulė?

K: Kaip galima pagaminti esterius?

K: Kur galima rasti esterių?

K: Kaip dažniausiai naudojami esteriai?

K: Kas yra poliesteriai?

K: Kokias reakcijas gali sukelti esteriai?

Klausimas: Kaip galima nustatyti, ar molekulėje yra esterio grupė?

Paieška pagal raidę