Příprava esterů pomocí Fischerovy esterifikace

Jedním ze způsobů tvorby esterů je použití Fisherovy esterifikační reakce. Začneme karboxylovou kyselinou, ke které přidáme alkohol a nějaký zdroj protonů. Dojde tím ke vzniku esteru a vody. Je důležité poznamenat, že kyslík ve skupině OR' pochází z alkoholu a ne z karboxylové kyseliny. Detailně se na to podíváme v reakčním mechanismu. Tato reakce je vratná, a proto pokud chceme získat co nejvíce esteru, budeme muset posouvat rovnováhu doprava. Existuje několik způsobů, jak to provést. Prvním je snížení koncentrace vody, což posune rovnováhu doprava, a proto vznikne větší množství esteru. Další možností je zvýšení koncentrace alkoholu, kvůli čemu rovnováha bude také posunuta doprava. Podíváme se na mechanismus vzniku esterů. Začínáme karboxylovou kyselinou. Dojde k protonaci atomu kyslíku, takže volný elektronový pár kyslíku převezme proton, nechá tyto elektrony, a proto zde nakreslíme naprotonovaný kyslík s formálním nábojem plus jedna. Protonace karbonylové skupiny se používá k její aktivaci. Karbonylový uhlík se stává více elektrofilním. Tento uhlík je teď více elektrofilní. Tohle jsem viděli i v předchozích videích. Jelikož je tento uhlík víc elektrofilní, v dalším reakčním kroku pravděpodobně dojde k nukleofilnímu ataku. Přichází molekula alkoholu a volný elektronový pár na kyslíku bude atakovat tento atom uhlíku. Tyto elektrony se přesunou sem na kyslík. Nakreslíme si výsledek tohoto nukleofilního ataku. Zde nahoře máme atom kyslíku. Nakreslíme dva volné elektronové páry a vazbu s vodíkem. Zde vpravo nakreslíme nově vzniklou vazbu mezi uhlíkem a kyslíkem. Tyto elektrony označíme purpurovou barvou. Volný elektronový pár na kyslíku vytváří novou vazbu mezi kyslíkem a uhlíkem. Na tomto atomu kyslíku je pořád navázán atom vodíku. Dále je zde pořád substituent R' a jeden volný elektronový pár, díky čemuž kyslík získává formální náboj plus jedna. Tento atom uhlíku má pořád vazbu s OH skupinou. V dalším kroku se musíme zbavit kladného náboje na kyslíku. Přijde druhá molekula alkoholu, která bude působit jako báze. V předchozím kroku alkohol fungoval jako nukleofil. V tomto kroku alkohol funguje jako báze. Přijme proton a nechá tyto elektrony na atomu kyslíku. Nakreslíme, co nám vznikne po tomuto deprotonačnímu kroku. Máme atom uhlíku, navázaný na tento horní kyslík, dva volné elektronové páry atom vodíku a substituent R zde vlevo. Nakreslíme tento atom kyslíku s volnými elektronovými páry, abychom ukázali průběh dalšího kroku. Tento kyslík zde vpravo má dva volné elektronové páry a pořád má vazbu se substituentem R'. Podíváme se na elektrony. Modré elektrony se teď přesunuly na atom kyslíku. Jedná se o deprotonační krok. V dalším kroku bude docházet k protonaci OH skupiny dole. Tato OH skupina dole se bude protonovat, proto nakreslíme někde vedle zdroj protonů. Takže máme protonovaný alkohol, formální náboj plus jedna a substituent R'. V protonačním kroku si volný elektronový pár na kyslíku může převzít proton a nechat tam elektrony. Důvodem, proč dochází k této protonaci, je to, že ve výsledku získáváme výbornou odstupující skupinu. Když se na důkladně podíváme, zjistíme, že odstupující skupinou je voda. Pojďme to nakreslit. Teď tu máme naprotonovaný atom kyslíku, na kterém je formální náboj plus jedna. Podíváme se na elektrony. Tyto elektrony na tomto kyslíku převezmou tento proton a vytvoří se nová vazba. Nakreslíme zbytek molekuly. Máme tu atom kyslíku se dvěma volnými elektronovými páry a máme tu substituent R'. V dalším kroku jsme vytvořily vodu jako odstupující skupinu, pokud tyto elektrony přejdou na kyslík, uvidíme vodu. Tyto elektrony na tomto horním kyslíku se přemístí sem a znovu vytvoří dvojnou vazbu. V tento okamžik tyto modré elektrony přejdou na tento kyslík a získáme vodu jako výbornou odstupující skupinu. Nakreslíme, co tím získáme. Reakce je vratná, znovu vznikne dvojná vazba, a tento horní kyslík teď má formální náboj plus jedna. Podíváme se na elektrony. Označíme je červenou barvou. Tyto červené elektrony se přemístí sem a znovu vytvoří dvojnou vazbu. Tento uhlík pořád má vazbu se substituentem R, tento uhlík má vazbu s kyslíkem a se substituentem R'. Kyslík má dva volné elektronové páry a dále došlo k odtržení molekuly vody. Nakreslíme molekulu vody. Došlo k odstoupení vody. Téměř jsme získali finální produkt, jediné, co zbývá provést, je deprotonace tohoto atomu, a získáme cílový ester. Nakreslíme druhou molekulu alkoholu. Alkylový substituent, dva volné elektronové páry, které převezmou ten proton a nechají elektrony na atomu kyslíku. Nakreslíme strukturu vzniklého esteru. Máme substituent R, dvojnou vazbu mezi uhlíkem a kyslíkem, na kterém jsou dva volné elektronové páry. Ukážeme, jak tyto elektrony přichází na tento atom kyslíku. Tento uhlík má pořád vazbu s tímto kyslíkem a se substituentem R'. V konečném důsledku jsme získali ester a molekulu vody. Je to trochu dlouhý mechanismus. Podíváme se na nějaké příklady vzniku esterů použitím Fisherovy esterifikace. Začneme touto molekulou vlevo. Je to kyselina salicylová, ke které přidáme methanol a kyselinu sírovou jako zdroj protonů a dojde ke vzniku esteru. Je to jedna z typických reakcí, která se provádí ve studentských laboratořích organické chemie. Musíme si pamatovat, že dojde k adici tohoto kyslíku z molekuly alkoholu spolu s touto methylovou skupinou. Dojde ke ztrátě OH skupiny z molekuly karboxylové kyseliny, na místo kterých se naváže kyslík s methylovou skupinou z molekuly alkoholu. Nakreslíme výsledný produkt. Máme zde benzenové jádro, dále dvojnou vazbu uhlík-kyslík, máme tu kyslík z molekuly alkoholu a methylovou skupinu. Zde máme pořád OH skupinu. Důvodem, proč se tato reakce tak často provádí, je ten, že tato sloučenina je obsažena v esenciálním oleji keře libavky. Má to velmi příjemnou vůni. Je to dobrá reakce, protože ve výsledku získáte sloučeninu s velmi hezkou vůní. Podíváme se na další příklad Fisherovy esterifikace. Tento případ bude trochu jiný. Podíváme se na intramolekulární Fisherovu esterifikaci. Vlevo máme výchozí látku. Tentokrát máme karboxylovou kyselinu a alkohol v rámci jedné molekuly. Máme zde pouze jednoduché vazby, kolem kterých, jak víme, je povolena rotace. Tuto molekulu můžeme překreslit do trochu jiné konformace, abychom měli karboxylovou funkční skupinu zde nahoře a spočítáme, kolik atomů uhlíku máme zde v řetězci. Máme první atom, druhý, třetí, čtvrtý, pátý uhlík. Máme tu celkem pět uhlíků. Nakreslíme je trochu jinak. Máme tu první atom, druhý, třetí, čtvrtý a pátý a dále tu je OH skupina. Očíslujeme tyto atomy. Tohle je první atom, druhý, třetí, čtvrtý a pátý uhlík. V této nové konformaci už můžeme uvidět, jak tento kyslík atakuje karbonylovou funkční skupinu. Víme, že dojde ke ztrátě OH skupiny a ke ztrátě tohoto vodíku, takže můžeme spojit tyto části molekuly a nakreslit výsledný produkt. Dojde ke vzniku esteru, ale bude to trochu jiný ester, než jsme vždy měli předtím. Máme zde karbonylovou skupinu, dále zde máme kyslík. Takže tento kyslík je teď součástí kruhu. Je to tento kyslík z molekuly alkoholu. Máme pět atomů uhlíku: první, druhý, třetí, čtvrtý a pátý. A došlo k odstoupení molekuly vody. Tento produkt se nazývá lakton. Laktony jsou cyklické estery. Zde máme šestičlenný kruh, ve kterém je atom kyslíku součásti kruhu. Je to velmi hezká intramolekulární Fisherova esterifikace, která vede ke vzniku laktonu.