bài giảng công nghiệp dược Phản ứng ester hóa

MỤC TIÊU  Trình bày được khái niệm về phản ứng ester hóa và các phương pháp điều chế ester  Trình bày được cơ chế của phản ứng ester hóa  Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng đến quá t

Chương 7 ESTE HOÁ

A MỤC TIÊU

 Trình bày được khái niệm về phản ứng ester hóa và các phương pháp điều chế ester

 Trình bày được cơ chế của phản ứng ester hóa

 Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ester và phương pháp chuyển dịch cân bằng cho phản ứng ester hóa

 Nêu được một số ví dụ ứng dụng của phản ứng ester hóa

B NỘI DUNG

1 ĐẠI CƯƠNG

Quá trình tạo hợp chất ester bằng phản ứng giữa acid carboxylic với alcol, xúc tác acid vô cơ

2 RCOOH + R'OH������RCOOR' + H O

Ví dụ:

Có nhiều phương pháp điều chế ester, thường thì các phương pháp đó được chia làm

3 nhóm: acyl hóa, alkyl hóa, và phương pháp oxy hóa khử

1.1 Phương pháp acyl hóa

- Phản ứng ester hóa (esterification):

2 RCOOH + R'OH������RCOOR' + H O

- Phản ứng “ancol phân” (alcoholysis):

- Phản ứng “acid phân” (acidolysis):

CH3 C

O C2H3

O

+ C11H23COOH C11H23 C

O C2H3

O

+ CH3COOH

- Phản ứng “chuyển đổi ester”:

HCOOC(CH3)3 + R-COOCH3 R-COOC(CH3)3 + HCOOCH3

- Phản ứng của anhydrid với alcol hoặc phenol:

(CH2CO)2O + R-OH → CH3COOR + CH3COOH (CH2CO)2O + Ar-OH → CH3COOAr + CH3COOH

- Phản ứng của halogenid acid với alcol hoặc alcolat:

Cl-CO-Cl + C2H5OH → ClCOOC2 H5 + HCl

- Phản ứng giữa amid với alcol:

R-CON H2 + R-OH → R-COOR’ + N H3

1.2 Điều chế ester bằng phương pháp alkyl hóa:

- Phản ứng giữa muối carboxylat với alkyl halogenid hoặc arakyl halogenid:

Cl

CH3COONa +

O C CH3 O + NaCl

CH3COONa + Cl-CH2-C6H5 → CH3COOCH2-C6H5 + NaCl

- Phản ứng cộng hợp vào nối đôi C=C của acid vô cơ và hữu cơ:

CH2=CH2 + H2SO4 → CH3CH2-CH2-OSO2OH

CH2=CH2 + CH3COOH → CH3COOCH2CH3

1.3 Điều chế ester bằng phương pháp oxy hóa- khử

- Phản ứng Canizzaro (benzaldehyd trong môi trường kiềm đặc):

- Phản ứng Tischenko (aldehyd/nhôm-alcolat):

- Phản ứng giữa carbon-monoxyd với alcol trong alcolat kim loại ở nhiệt độ và áp suất lớn: R-OH + CO → HCOOR

Sản phẩm ester hóa được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:

-Trong dược phẩm, dùng làm thuốc (aspirin, novocain, diethylphthalat, artesunat )

- Làm chất trung gian trong tổng hợp hóa hữu cơ và hóa dược

- Trong hóa mỹ phẩm, các ester dùng làm hương liệu

- Làm dung môi (ethylacetat, butylacetat )

2 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG

Phản ứng ester hóa kinh điển là phản ứng tạo ester giữa acid carboxylic và alcol Đây

là phản ứng thuận nghịch, xúc tác là acid vô cơ

Phân tử nước tạo thành trong phản ứng ester hóa có thể theo 2 cách:

Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu chứng minh rằng bậc carbon trong phân tử alcol quyết định phân tử nước loại ra theo kiểu nào Trong thực tế có hai kiểu cơ chế tương ứng với hai trường hợp sau:

2.1 Ester hóa với alcol bậc 1 và bậc 2

Dưới tác dụng của acid vô cơ, quá trình ester hóa có thể xảy ra theo cơ chế đơn phân tử hoặc lưỡng phân tử:

Cả hai trường hợp đều lấy nhóm –OH của acid carboxylic để tạo thành phân tử nước

2.2 Ester hóa với alcol bậc 3

Trường hợp này phân tử nước được tạo thành từ nhóm – OH của alcol Cơ chế phản ứng như sau:

3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH ESTER HÓA

3.1 Xúc tác

Xúc tác có tác dụng đẩy nhanh đến quá trình ester hóa Các xúc tác hay dùng là acid proton mạnh như sulfuric, hydrocloric, sulfonic, percloric, phosphoric Ngoài ra còn sử dụng một số acid Lewis khác như (BF3, ZnCl2, SnCl4, SiF4, FeCl3)

Gần đây người ta dùng các chất trao đổi ion làm xúc tác thay cho acid Với xúc tác loại này quá trình xử lý sau phản ứng sẽ đơn giản và có thể sử dụng lại xúc tác

Xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng của phản ứng

3.2 Dung môi

Dung môi của quá trình ester hóa thường là các alcol thảm gia phản ứng được dùng quá thừa Nếu acid carboxylic không tan trong alcol thì cần một dung môi trợ tan thích hợp (aceton, benzen, toluen, cloroform, dicloromethan )

3.3 Nhiệt độ

Cũng như nhiều phản ứng khác, nhiệt độ có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng ester hóa Việc tăng nhiệt độ của phản ứng chỉ đến độ sôi của alcol, nếu muốn nâng cao nhiệt độ lên cao hơn thì phải dùng thiết bị chịu áp suất

3.4 Điều kiện cân bằng của phản ứng ester hóa

3.4.1 Hằng số cân bằng của phản ứng ester hóa

Ester hóa là phản ứng thuận nghịch Mỗi phản ứng cụ thể có một hằng số cân bằng riêng

+

H 2

cb

2

Ester + H O Acid + Ancol

Acid Ancol

K =

Ester H O

����

����

Giá trị K càng lớn thì khả năng chuyển hóa thành ester càng cao Công thức này cho phép tính được nồng dộ của ester tạo thành trong phản ứng nếu sử dụng quá thừa một trong hai thành phần tham gia phản ứng

3.4.2 Ảnh hưởng của cấu trúc alcol tới vận tốc ester hóa và nồng độ ester tại điểm cân bằng

Alcol càng phân nhánh và mạch nhánh càng gần nhóm –OH thì vận tốc ester hóa càng giảm, nồng độ ester tại điểm cân bằng càng thấp

3.4.3 Ảnh hưởng cấu trúc của acid tới vận tốc ester hóa và nồng độ ester tại điểm cân bằng

Tốc độ ester hóa và giá trị nồng độ ester tại điểm cân bằng không tỷ lệ theo sựu phân nhánh của mạch carbon

4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG CHO PHẢN ỨNG ESTER HÓA

Có hai phương pháp chuyển dịch cân bằng để làm tăng hiệu suất của quá trình ester hóa:

1 Tăng nồng độ một trong hai chất tham gia cân bằng phản ứng (acid hoặc alcol) Vấn đề này thực hiện đơn giản và thường dùng alcol thừa nhiều lần

2 Loại khỏi phản ứng một trong hai chất tạo thành Trường hợp này được thực hiện bởi hai biện pháp sau đây:

*Loại nước ra khỏi phản ứng:

- Nếu cả acid lẫn alcol dùng trong phản ứng ester hóa đều là những chất có độ sôi cao thì loại nước bằng cách cất kéo liên tục, có thể sục khí trơ vào để tăng tốc độ loại nước

- Nếu acid có độ sôi cao, alcol có độ sôi thấp hơn nước thì dùng alcol thừa nhiều lần, cất loại nước và alcol liên tục trong quá trình phản ứng

- Thêm một dung môi được hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử (nước-alcol-dung môi) có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của nước và cất loại chúng ra khỏi hỗn hợp phản ứng Hỗn hợp hơi được ngưng tụ, tách loại pha nước, pha hữu cơ chứa alcol được dẫn trở lại bình phản ứng Các dung môi hay dùng là benzen, toluen, cloroform, dicloromethan, tetraclorocarbon

*Loại esrer ra khỏi phản ứng :

Có hai phương pháp sau:

- Nếu ester tạo thành có độ sôi thấp trong hỗn hợp phản ứng thì liên tục cất thu ester trong quá trình phản ứng

- Nếu ester tạo thành hỗn hợp đẳng phí hai hoặc ba cấu tử với các chất tham gia phản ứng, thì hỗn hợp hơi cất ra được ngưng tụ tách lấy ester Pha nước acid được dẫn trở lại thành khối phản ứng

5 MỘT SỐ VÍ DỤ

5.1 Điều chế diethylphthalat

Hồi lưu anhydrid phthalic và ethanol thừa ( 3-5 lần) với xúc tác là sunfuric đặc trong hai giờ Phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn: giai đoạn ethanol cộng hợp vào anhydrid phthalic tạo thành monoester Sau đó ester hóa monoester này thành diethylphthalat

Kết thúc phản ứng, cất thu hồi alcol thừa Rửa ester bằng nước, sau đó trung hòa với dung dịch natri carbonat để loại acid xúc tác Rửa lại bằng nước đến trung tính, làm khan

và cất phân đoạn để thu ester tinh khiết

Sơ đồ các giai đoạn phản ứng như sau:

5.2 Điều chế methyl salicylat

Hồi lưu hỗn hợp acid salicylat và methanol (thừa gấp 10 lần) trong 10 giờ với xúc tác

là acid sulfuric đặc Phản ứng kết thúc, cất loại methanol và rửa hỗn hợp phản ứng với nước nhiều lần Sau đó trung hòa với dung dịch natri hydrocarbonat đến trung tính Rửa lại bằng nước, làm khan và cất phân đoạn thu methyl salicylat tinh khiết

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Quá trình ester hóa được hiểu như thế nào? Mục đích của nó?

2 Điều chế ester gồm những phương pháp nào ? Viết phương trình phản ứng mỗi loại đó?

3 Trình bày cơ chế phản ứng ester hóa?

4 Nêu các yêu stoos ảnh hưởng đến quá trình ester hóa và các phương pháp chuyển dịch cân bằng để nâng coa hiệu suất của quá trình ester hóa?

5 Trình bày phương pháp sản xuất diethylphthalay và methyl salicylat?