مفهوم استری شدن (Esterification)

واکنش یک الکل با اسید کربوکسیلیک (اسید آلی) را که منجر به تولید ترکیبی به نام استر می‌شود، استری شدن می‌نامند. واکنش استری شدن ، واکنشی است تعادلی که در حضور مقادیر کم اسیدهای معدنی انجام می‌شود و با تولید آب همراه است.

نمونه هایی از چند استر

خواص استرها

استرها ترکیبهایی با فرمول کلی R-CO-OH می‌باشند. استر ، بمعنی اتر اسید است که گاهی به جای آن واژه اتوسل بمعنی نمک فرار را بکار می‌برند. استرها غالبا فرار و معطرند وبوی خوشایند بسیاری از گلها و میوه‌ها ، بعلت وجود استر در آنهاست. مثلا استات ایزوپنتیل ، بوی موز و والرات ایزوپنتیل ، بوی سیب دارد. بوی بد کره فاسد (کره ترش شده) بعلت وجود اسیدبوتیریک در آن است. از واکنش این اسید با اتیل الکل ، استر بوتانات اتیل بدست می‌آید که دارای مزه و طعم خوشایند آناناس است.

خیلی از استرها مانند استات اتیل و استات بوتیل بعنوان واکنشگر و یا حلال و نرم کننده رزینها در آزمایشگاهها و صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین چربی و روغن‌ها و مومهایی که در طبیعت یافت می‌شوند، حاوی استرهائی با جرم مولکولی بالا می‌باشند که به لیپید معروفند.

واکنش استری شدن

اولین و قدیمی‌ترین روش سنتز استرها ، واکنش اسیدهای آلی با الکل‌ها در حضور اسید معدنی (معمولا اسید سولفوریک) بعنوان کاتالیزور می‌باشد. با این روش ، می‌توان خیلی از استرها را بطور مستقیم سنتز نمود که این روش را "واکنش فیشر" Fisher می‌نامند. روشهای دیگری نیز برای تولید استر وجود دارد. برای نمونه ، الکلها و آلکانها با کلرواسیدها واکنش می‌دهند و استر مربوطه را تولید می نمایند و یا نمکهای دی آزونیوم ، اسیدهای کربوکسیلی را به استرهای مربوطه تبدیل می کنند.

ولی واکنش فیشر عمومی‌ترین روش تولید استر می‌باشد. واکنش استری شدن را در حالت کلی می‌توان بصورت زیر نشان داد:

R-CO-OH + Ŕ-OH <-----> H₂O + R-CO-OŔ

( R , Ŕ گروههای آلکیل می‌باشند.)
در نگاه نخست ، این واکنش شبیه واکنش اسید و باز است. ولی در واقع ، این دو واکنش بسیار متفاوتند.در واکنشهای اسید و باز ، واکنش یکطرفه و بسیار سریع است. در حالیکه تشکیل استر ، واکنشی کند و برگشت پذیر می‌باشد و بهمین دلیل ، از کاتالیزور اسید سولفوریک غلیظ در تهیه استر استفاده می‌شود. چون سرعت واکنش استری شدن بدون استفاده از کاتالیزور بقدری کم است که حتی در دمای بالا ، برقراری حالت تعادل ممکن است هفته‌ها طول بکشد.

همچنین باید توجه داشت که در واکنش استری شدن ، H از مولکول الکل و OH از مولکول اسید در تشکیل آب شرکت می‌کنند. این موضوع ، با دو روش تحقیقاتی به اثبات رسیده است:

استفاده از اکسیژن نشان دار

اگر در واکنش استری شدن ، اکسیژن الکل ، رادیواکتیو باشد، بررسی محصولات واکنش نشان می‌دهد که آب حاصل ، دارای اکسیژن رادیواکتیو نیست، بلکه ان اکسیژن در ساختمان استر حاصل وارد شده است. اگر در واکنش استری شدن به جای یک الکل ، یک تیول بکار برده شود، بررسی ساختار حاصل نشان می‌دهد که اتم گوگرد ، در ساختمان استر وارد می‌شود و یک تیواستر حاصل می‌شود.

(تیولها ترکیباتی شبیه الکل ها هستند که بجای عامل OH دارای عامل SH می‌باشند.)

عوامل موثر بر واکنشی تعادلی استری شدن

اثر دما

بطور کلی ، افزایش دما ، سیستم های در حال تعادل را در جهت واکنش گرماگیر و کاهش دما ، آن را در جهت واکنش گرمازا جابجا می‌کند(طبق اصل لوشاتلیه). از آنجایی که واکنش استری شدن ، با تغییر دمای محسوسی همراه نیست. از این رو افزایش یا کاهش دما در جابجایی تعادل استری شدن تاثیر قابل توجهی ندارد. ولی با توجه به اینکه افزایش دما ، سرعت واکنش را در هر دو جهت زیاد می‌کند، از این رو ، زمان رسیدن به حالت تعادل را کاهش می‌دهد و به بیان دیگر ، سیستم را زودتر به حالت تعادل می‌رساند.

اثر غلظت

با توجه به اصل لوشاتلیه ، چون افزایش غلظت هر یک از مواد موجود ، در حالت تعادل ، موجب جابجا شدن تعادل در جهت مصرف شدن آن ماده می‌شود، از این رو ، افزایش غلظت اسید یا الکل یا هر دوی آنها در حالت تعادل ، واکنش را در جهت تشکیل استر جابجا می‌کند. در مقابل ، افزایش آب ، تعادل را در جهت مصرف شدن استر پیش می‌برد. با استفاده از رابطه ثابت تعادل K ، می‌توان مقدار هر یک از مواد را در حالت تعادل محاسبه کرد.

اثر کاتالیزور

همانطور که گفته شد، واکنش استری شدن بسیار کند است. با افزایش دما یا افزودن مقدار کمی اسید معدنی (معمولا اسید سولفوریک) که تولید ⁺H زیادی می‌نماید، سرعت استری شدن را می‌توان افزایش داد. از آنجایی که کاتالیزور ، سرعت واکنشهای مستقیم و معکوس را به یک اندازه تغییر می‌دهد، وجود ⁺H در جابجا کردن تعادل تاثیری ندارد، اما زمان رسیدن به تعال را کوتاهتر می‌کند.

هیدرولیز استرها

عکس واکنش استری شدن ، هیدرولیز (آبکافت) نامیده می‌شود. این واکنش هم در محیط اسیدی و هم در محیط قلیایی انجام می‌پذیرد.

• هیدرولیز استر در مجاورت اسیدهای معدنی ، منجر به تشکیل اسید و الکل مربوط می‌شود. (عکس واکنش استری شدن)
  
  
• هیدرولیز استر در محیط قلیایی ، موجب تشکیل یک نمک از اسید کربوکسیلیک و الکل مربوط می‌شود. این واکنش را اغلب صابونی شدن استر می‌نامند، زیرا نمک های فلزی اسیدهای کربوکسیلیک را به نام صابون می‌شناسند و سده ها از این فرایند در صابون سازی استفاده شده است.

مقایسه اسید و استر

• مولکول اسیدها قطبی بوده و بین آنها ، پیوند هیدروژنی وجود دارد. در صورتی که استرها تقریبا غیر قطبی‌اند و بهمین دلیل است که استرها عموما فرار بوده و نقطه جوش آنها از نقطه جوش اسید هم کربن ، پایین‌تر است.
  
  
• اسیدها با فلزات ، گاز هیدروژن آزاد می‌کنند. اما استرها چنین خاصیتی را ندارند.
  
  
• اسیدها با بازها ، نمک و آب می‌دهند، اما استرها با بازها ، نمک و الکل می‌دهند.

ترتیب فعالیت اسیدها و الکلها در واکنش استری شدن

از آنجائیکه فرایندهای استری شدن ، برگشت پذیر تعادلی هستند، در مواقعی که اسید یا الکل بکار رفته ارزان قیمت باشد، می‌توان مقدار یکی از واکنشگرها را چند برابر دومی انتخاب کرد و تعادل را به نفع تشکیل محصول بیشتر جابجا کرد و استر بیشتری بدست آورد. گاهی اوقات برای حصول نتیجه بهتر می‌توان یکی از محصولات را از محیط خارج کرد و در نتیجه واکنش را به سمت تشکیل محصول بیشتر سوق داد.

مثلا در تهیه دی اتیل آدیپیت از اسید آدیپیک و اتانول ، می‌توان از تولوئن استفاده نمود و با استفاده از ستون تقطیر ، آب حاصل از واکنش را بصورت آزئوتروپ همراه تولوئن و در 75 درجه سانتی‌گراد تقطیر کرد و از محیط خارج نمود و استر را با راندمان 97-95% بدست آورد.

بطور کلی در واکنش استری شدن ترتیب فعالیت اسیدها و الکلها بقرار زیر می‌باشد:

الکل نوع سوم > الکل نوع دوم > الکل نوع اول > متانول

مباحث مرتبط با عنوان

• استر
• اسید کربوکسیلیک
• اصل لوشاتلیه
• الکل
• الکل صنعتی
• ثابت تعادل
• صابون
• واکنش برگشت پذیر
• واکنش صابونی شدن
• هیدرولیز