Estryfikacja

II.2.1. Wiadomości ogólne

Estryfikacja to proces jednostkowy, obejmujący całokształt przemysłowych metod syntezy estrów. Estry są rozpowszechnione w przyrodzie jako:

 woski (estry wyższych kwasów tłuszczowych i wyższych alkoholi monowodorotleno-wych),

 tłuszcze (estry gliceryny i wyższych kwasów tłuszczowych),

 fosfolipidy (lecytyny, kefaliny).

Wyróżnia się estry będące pochodnymi alkoholi lub fenoli i kwasów organicznych aromatycznych lub alifatycznych oraz estry będące pochodnymi alkoholi i tlenowych kwa-sów nieorganicznych (siarczany, azotany, fosforany organiczne – stosowane jako pestycy-dy). W przypadku alkoholi pierwszorzędowych estryfikacja zachodzi najłatwiej, trudniej dla drugorzędowych, a najtrudniej, i z małą wydajnością, dla alkoholi trzeciorzędowych.

Synteza estrów ma bardzo duże znaczenie przemysłowe. Reakcje estryfikacji wykorzy-stuje się do produkcji związków wielkocząsteczkowych – poliestrów, które służą jako po-limery włóknotwórcze i materiały powłokotwórcze (np. octanoftalan celulozy do powleka-nia tabletek). Na dużą skalę produkuje się tylko ftalan dioktylowy, octan celulozy i terefta-lan dimetylu. Inne estry otrzymuje się w zależności od potrzeb.

Estry mają zróżnicowaną postać fizyczną: od bardzo lotnych cieczy (mrówczan etylu) do substancji stałych (woski i tłuszcze).

Większość estrów rozpuszcza się bardzo słabo w wodzie, natomiast dobrze w rozpusz-czalnikach organicznych. Estry niższych kwasów karboksylowych mają przyjemny zapach i stosuje się je przy produkcji olejków zapachowych.

II.2.2. Estryfikacja bezpośrednia – przykład O-acylowania

Podstawowa metoda estryfikacji polega na reakcji alkoholi z kwasami:

R¹COOH + R²OH RH ¹COOR² + H₂O

Reakcja ta jest odwracalna i przebiega do ustalenia stanu równowagi, który charakteryzuje stała K:

K = [R¹COOR²] [H₂O]

[R¹COOH] [R²OH]

Czas ustalenia się równowagi zależy od temperatury, stężenia substratów i dodatku ka-talizatora. Szybkość reakcji można zwiększyć poprzez wzrost temperatury i dodatek katali-zatora. Aby uzyskać jak największą wydajność produktu, parametry procesu dobiera się tak, aby równowaga była przesunięta jak najbardziej w prawo. W tym celu można stosować nadmiar substratów (alkoholu lub kwasu) lub usuwać ze środowiska produkt reakcji (ester lub wodę). W zależności od właściwości fizycznych substratów i powstałego estru stosuje się różne metody:

a) gdy estry są bardzo lotne i mają temperaturę wrzenia niższą od substratów (octan i mrówczan metylu, octan etylu), z mieszaniny reakcyjnej oddestylowuje się ester;

b) w przypadku, gdy jeden z substratów jest lotny (najczęściej alkohol) z mieszaniny oddestylowuje się jego azeotrop z wodą, po czym reagent po oddzieleniu od wody zawraca się do procesu;

c) gdy jeden z substratów i ester są lotne, oddestylowuje się układy trójskładnikowe azeotrop: woda – alkohol – ester lub woda – kwas – ester;

d) gdy substraty i ester są nielotne, z mieszaniny reakcyjnej oddestylowuje się wodę w miarę jej powstawania – proces przeprowadza się pod zmniejszonym ciśnie-niem lub przepuszcza się przez mieszaninę reakcyjną gaz obojętny;

e) niektóre procesy estryfikacji przeprowadza się w obecności pomocniczych roz-puszczalników (benzen, toluen), dających z wodą azeotropy o niskich temperatu-rach wrzenia.

Estryfikację alkoholi kwasami prowadzi się w obecności katalizatorów kwasowych.

Działanie ich polega na protonowaniu karbonylowego atomu tlenu grupy C=O, dzięki cze-mu rośnie podatność zawiązanego z nim atocze-mu węgla na atak nukleofilowy.

Reakcja alkoholu z karbokationem, po której następuje odszczepienie wody, prowadzi do powstania estru:

+ R²OH

Najczęściej stosowanymi w estryfikacji katalizatorami są kwasy mineralne (H2SO4, HCl, HBr, H3PO4). Kwas siarkowy nie tylko dostarcza jonów H⁺, ale dodany w ilości więk-szej niż 3% wiąże wodę, co zwiększa wydajność reakcji. Jeśli kwas siarkowy wywołuje reakcje uboczne, można go zastąpić aromatycznymi kwasami sulfonowymi, kationitami lub suchym chlorowodorem. Aby usunąć wodę, stosuje się też odwadniające sole nieorganicz-ne, np. bezwodny Al2(SO4)3, CaCl2, MgCl2.

II.2.3. Estryfikacja alkoholi bezwodnikami, chlorkami kwasowymi lub ketenem (R¹CO)2O + R²OH R¹COOR² + R¹COOH

R¹COCl + R²OH R¹COOR² + HCl + ROH CH3COOR

CH₂ C O

Reakcje te są nieodwracalne, przebiegają z dobrą wydajnością w stosunkowo niskich tem-peraturach.

Za pomocą bezwodników estryfikuje się fenole i III-rzędowe alkohole (trudno estryfi-kują się samym kwasem). Reakcję przyśpieszają katalityczne ilości mocnego kwasu (siar-kowego (VI)) lub bezwodnego chlorku cynku. Najważniejszym przykładem prowadzenia estryfikacji za pomocą bezwodnika kwasowego jest produkcja octanu celulozy.

Acylowanie alkoholi za pomocą chlorku kwasowego prowadzi się na małą skalę – wa-dą takiego procesu jest wydzielanie się HCl. Chlorki kwasów aromatycznych reagują wol-niej niż kwasów alifatycznych, najwolwol-niej reagują chlorki kwasów sulfonowych.

Podczas estryfikacji alkoholi ketenem nie powstają produkty uboczne. Keten reaguje z niższymi alkoholami w temperaturze pokojowej, produktami są octany użytych alkoholi.

II.2.4. Transestryfikacja (wymiana estrowa przebiegająca jako alkoholiza lub acy-doliza)

Alkoholiza to reakcja estru z alkoholem, podczas której – na skutek działania alkoholu – w estrze następuje wymiana grupy alkoksylowej na inną grupę alkoksylową:

RCOOR¹ + R²OH RCOOR² + R¹OH

Jest to reakcja odwracalna, przebiegająca do końca, gdy jeden z produktów jest usunięty z mieszaniny reakcyjnej. Przyspieszają ją katalizatory o charakterze zasadowym (alkohola-ny metali alkalicz(alkohola-nych). Wymagane jest całkowicie bezwodne środowisko reakcji. Nie-wielką ilość metalicznego sodu rozpuszcza się w alkoholu i tak przygotowany roztwór ogrzewa się z estrem. W ten sposób na skalę przemysłową otrzymuje się tereftalan di-β-hydroksyetylenowy z tereftalanu dimetylowego w reakcji z glikolem etylenowym, alkohol poliwinylowy z polioctanu winylu, gliceryny i mieszaniny wyższych kwasów tłuszczowych z tłuszczów poddawanych alkoholizie. Estry te są potem przerabiane w procesie redukcji na wyższe alkohole tłuszczowe.

Acydoliza to reakcja estru z kwasem, podczas której w estrze następuje wymiana reszt kwasowych:

RCOOR¹ + R²COOH RCOOH + R²COOR¹

Reakcja jest odwracalna, lecz można ją przeprowadzić do końca, gdy kwas powstały w reakcji jest lotny i daje się usunąć z mieszaniny reakcyjnej, np. przez destylację. Szyb-kość reakcji wzrasta dzięki ogrzewaniu i obecności katalizatora (BF3, sole Hg – katalizatory kwaśne działają słabo, a zasadowe nie działają w ogóle). Acydoliza ma mniejsze znaczenie przemysłowe. Stosuje się ją w przemyśle spożywczym do poprawy jakości olejów.

II.2.5. Inne przemysłowe metody syntezy estrów

a) Z soli kwasów karboksylowych i halogenków alkilowych uzyskuje się estry kwa-sów, które trudno ulegają bezpośredniej estryfikacji:

Me = Na, K, Ag X = Cl, Br, J

RCOOR¹ + MeX RCOOMe + R¹X

Najlepiej reagują sole srebrowe i jodki alkilowe. Modyfikacją tej metody jest stosowanie siarczanów alkilowych zamiast chlorowcopochodnych alkilowych. Reakcję prowadzi się w benzenie, chloroformie lub toluenie, albo działa się na sole bezpośrednio nadmiarem jodku alkilowego. Metodą tą otrzymuje się octan benzylu (z chlorku benzylu i octanu so-du), octan amylu, benzoesan benzylu i estry wyższych kwasów tłuszczowych i wyższych alkoholi. Katalizatorami są aminy: pirydyna, cholina.

b) Z kwasów karboksylowych i alkenów, używając jako katalizatora kwasu siarkowego:

RCOOH + R¹ CH CH₂ RCOOCH R¹ CH₃

Reakcja jest odwracalna i egzotermiczna. Łatwiej przebiega z wyższymi alkenami niż z etylenem. Przyłączenie może zachodzić w temperaturze pokojowej lub podwyższonej.

Korzystny wpływ ma wzrost ciśnienia. Metoda ta stosowana jest do otrzymywania estrów alkilosiarkowych.

c) Z acetylenu i kwasów karboksylowych:

R COOH

HC CH C O CH CH₂

O + R

Reakcja ta była podstawową metodą otrzymywania octanu winylu (przyłączenie kwasu octowego do acetylenu) i propionianu winylu (przyłączenie kwasu propionowego do acety-lenu).

d) Przyłączenie disiarczku węgla do alkoholanów – w wyniku powstaje ksantogenian, np. sodu:

NaOR + CS

C

SNa

Reakcję tę stosuje się przy otrzymywaniu ksantogenianu celulozy, który jest półproduktem do otrzymywania jedwabiu wiskozowego.

e) Z nitryli przy działaniu alkoholi i kwasu siarkowego:

R CN +H₂O + R¹OH + H₂SO₄ R COOR¹ + NH₄HSO₄ f) Z diazometanu, który z kwasami daje estry metylowe:

N₂ RC +

O OCH₃ H₂C N N

RC + O OH

diazometan

II.2.6. Przykłady z przemysłu farmaceutycznego

1. Produkcja pirydoksyny (składnik witaminy B6) – estryfikacja kwasu chlorooctowego metanolem w pierwszym etapie syntezy:

CH₂COOH

Cl ^{CH3OH, H2SO4} Cl CH2COOCH3

2. Produkcja tyroksyny – estryfikacja N-acetylo-3,5-dinitrotyrozyny etanolem w roz-tworze kwasu p-toluenosulfonowego:

HO O2N

O2N

CH₂CHCOOC ₂ H ₅ NHCOCH 3

HO O₂N

O2N

CH2CHCOOH NHCOCH 3

C2H5OH CH3C6H4SO3H

3. Otrzymywanie salolu z kwasu salicylowego i fenolu:

OH

COOH COO

OH OH , PCl₃

4. Produkcja niacyny – estryfikacja kwasu nikotynowego metanolem w pierwszym etapie syntezy:

CH3OH H2SO4

N

COOCH₃ N

COOH