Basiskennis chemie/Organische chemie/Esters

Esters

Tot nu toe ben je, als het over reacties van organische stoffen ging, alleen reacties met anorganische stoffen (stoffen zonder koolstof) tegengekomen. In dit hoofdstuk gaat het om de stoffen die ontstaan als twee organische stoffen met elkaar reageren: een carbonzuur reageert met een alkanol tot een ester.
    
Reactie 1

Esters

 
Bij deze reactie gelden de volgende opmerkingen:
  • Voor het carbonzuur en het alkanol worden de algemene notaties gebruikt.
  • Elk carbonzuur reageert op deze manier, dus maakt het niet uit hoe het molecuul er verder uitziet, als de carbonzuurgroep maar aanwezig is. De rest van het molecuul wordt aangegeven door de R.
  • Een van de zuurstofatomen in het zuur en de ester staat tussen haakjes om aan te geven dat dit zuurstofatoom alleen aan koolstof gebonden is, en niet een schakel vormt tussen het koolstof-atoom en het andere zuurstof-atoom.
  • Voor het alkanol geldt hetzelfde. Hier is de notatie R' gebruikt: de restgroep van het alkanol hoeft niet hetzelfde te zijn als die van het zuur (al kan dat natuurlijk wel).
Een van de bekendste esters is de ester van azijnzuur en ethanol:
    
Reactie 2

Restgroep

 
Deze verbinding wordt gebruikt als oplosmiddel voor lijm (bandenplak).

Naamgeving van esters

Esters vormen een groep verbindingen die al heel lang bekend zijn. Het gevolg is dat er meerdere systemen voor de naamgeving naast elkaar gebruikt worden:
net als de zouten
Eerst wordt de R' -groep die uit het alkanol afkomstig genoemd. Hiervoor worden dezelfde regels gebruikt als voor de zijgroepen aan een alkaan. Voor het gedeelte van het zuur wordt de triviale naam gebruikt die ook voor de zouten ervan is toegepast. Voor de ester die in reactie 2 gevormd werd, is de naam dan: ethylacetaat.
een beetje systematisch
Voor het deel van het molecuul dat afkomstig is van het zuur wordt de systematisch naam van de zuurrest gebruikt. Deze mengvorm wordt vooral gebruikt voor esters van de minder bekende carbonzuren. In bovenstaand voorbeeld wordt dat: ethylethanoaat.
Complexe esters
De naam van een ester kan altijd, maar vooral van esters die zijn gevormd door de reactie van alkanolen en zuren die zelf al meerdere substituenten bevatten, gevormd worden door: ester van alkanol en zuur. Op de plaats van "alkanol" komt de naam van het alkanol, op de plaats van "zuur" die van het zuur. In bovenstaand voorbeeld wordt dat: ester van ethanol en ethaanzuur.

Naamgeving

 

Voorbeelden van esters

Esters komen veel voor in de natuur. Veel geuren die met bloemen of vruchten geassocieerd worden bestaan uit (mengsels van) esters. In onderstaande tabel zijn er een aantal verzameld, samen met de geursensatie die ze bij veel mensen oproepen. Omdat veel geuren opgebouwd zijn uit verschillende stoffen, komen sommige esters (heel) vaak voor.
Gebruikelijke naam ester[1] Systematische naam ester Molaire massa
(g/mol)
Structuur Geur en voorkomen
Ethylformiaat Ethylmethanoaat 74,08 Ethyl methanoate.svg limoen
Ethylmethanoaat Ethylmethanoaat 74,08 Ethyl methanoate.svg rum
Ethylmethanoaat Ethylmethanoaat 74,08 Ethyl methanoate.svg aardbei
Ethylacetaat Ethylethanoaat 88,12 Ethyl acetate.svg opolosmiddel
Ethylacetaat Ethylethanoaat 88,12 Ethyl acetate.svg verf
Ethylacetaat Ethylethanoaat 88,12 Ethyl acetate.svg lijm
Ethylpropioaat Ethylpropanoaat 102,13 Ethyl propionate.png ananas
Isobutylmethanoaat Ester van 2-methylpropaan-1-ol en methaanzuur 102,13 Isobutyl formate.svg framboos
Ethylbutyraat Ethylbutanoaat 116,16 Ethyl butyrate 200.svg banaan
Ethylbutyraat Ethylbutanoaat 116,16 Ethyl butyrate 200.svg ananas
Ethylbutyraat Ethylbutanoaat 116,16 Ethyl butyrate 200.svg aardbei
Isobutylacetaat Ester van 2-methylpropaan-1-ol en ethaanzuur 116,16 Isobutyl acetate.svg aardbei
Isobutylacetaat Ester van 2-methylpropaan-1-ol en ethaanzuur 116,16 Isobutyl acetate.svg framboos
Isobutylacetaat Ester van 2-methylpropaan-1-ol en ethaanzuur 116,16 Isobutyl acetate.svg kers
Ethylisovaleraat Ester van ethanol en 3-methylbutaanzuur 130,18 Ethyl isovalerate.svg appel
Ethylvaleraat Ethylpentanoaat 130,18 Ethyl pentanoate.svg appel
Pentylacetaat Pentylethanoaat 130,18 Amyl acetate.png Peer
Pentylacetaat pentylethanoaat 130,18 Amyl acetate.png appel
Ethylhexanoaat 144,21 Ethyl hexanoate.svg aardbei
Propeen-3-ylhexanoaat 156,22 Allyl hexanoate.svg Ester van propeen-3-ol en hexaanzuur ananas
Ethylheptanoaat   158,27 Ethyl heptanoate.svg abrikoos
Ethylheptanoaat 158,27 Ethyl heptanoate.svg kers
Ethylheptanoaat 158,27 Ethyl heptanoate.svg druif
Ethylheptanoaat 158,27 Ethyl heptanoate.svg framboos
Ethylcinnamaat ester van ethanol en 3-fenylpropeenzuur 176,21 Ethyl cinnamate.png kaneel
Ethylnonanoaat 186,29 Ethyl nonanoate.svg druif
Bornylacetaat Ester van borneol en ethaanzuur 196,22 Bornyl acetate.svg dennengeur
Geranylacetaat Ester van geraniol en ethaanzuur 196,29 Geranyl acetate.svg pelargonium
Geranylbutyraat Ester van geraniol en butaanzuur 224,34 Geranyl butanoate.svg kers
Geranylisopentanoaat Ester van geraniol en 3-methylbutaanzuur 238,37 appel

Voorbeelden van esters

 

Synthese van esters

In de eerste alinea van het hoofdstuk over esters is al aangegeven dat esters ontstaan uit alknanolen en carbonzuren, waarbij naast de ester ook water ontstaat:
    
Reactie 1

Ester synthese

 
Reactie 1 is een evenwichtsreactie, dat wil zeggen dat de ester ook weer kan ontleden in een carbonzuur en een alkanol. Om te voorkomen dat de gevormde ester weer ontleed wordt de reactie meestal zo uitgevoerd dat het gevormde water uit het reactiemengsel verwijderd wordt. Dit kan bijvoorbeeld met behulp van het hiernaast weergegeven apparaat.

Deze manier van het maken van een ester is vooral handig bij esters van zuren en alkanolen met hoge kookpunten.
In (1) wordt het mengsel van het zuur en de het alkanol verwarmd, samen met een laagkokend organisch oplosmiddel zoals hexaan.
Als de hexaan gaat koken stijgt de damp op via (2), (3) en de schuine buis naar de koeler (5). In de koeler condenseert de hexaan weer tot vloeistof en deze valt in het opvangdeel (8). Als (8) vol is loopt nieuw gecondenseerd hexaan via de schuine buis terug naar (1).
Het water dat tijdens de synthese van de ester gevormd wordt, kookt nog niet bij de kooktemperatuur van hexaan (69 °C) maar vormt wel waterdamp. Deze damp wordt door de stroom hexaan meegevoerd naar de koeler (5), waar het water, samen met de hexaan condenseert.
In de gasfase gingen de moleculen van de hexaan en het water samen, zonder elkaar te hinderen, naar de koeler. Als vloeistoffen zijn water en hexaan echter niet mengbaar. Als apparte druppels vallen water en hexaan in het opvangdeel.
Doordat de dichtheid van water (0,998) groter is dan die van hexaan (0,6603) "vallen" de waterdruppels door de hexaanlaag in het opvangdeel en verzamelen zich boven de kraan (9). Er zal, als het opvangdeel vol is, alleen hexaan naar het reactievat terugstromen.

Als het waterniveau in het opvangdeel zo hoog is gestegen dat het toch terug zou kunnen gaan lopen, kan de kraan (9) geopend worden en het reeds verzamelde water worden afgetapt.

Estersynthese en water
Dean-Stark apparatus.png
Dean-Stark apparaat

 

Reacties van esters

Esters reageren vooral met moleculen waarin atomen voorkomen met vrije elektronenparen. Zuurstof en stikstof zijn belangrijke voorbeelden. Water en alkanolen en het hydroxide-ion zijn vertegenwoordigers van de zuurstofgroep, amines van de stikstofgroep.

Reacties van esters

 

Reactie met water

De reactie van een ester met water is het omgekeerde van de synthese van de ester, waarbij juist water verwijderd wordt. Door de ester met een grote hoeveelheid water te koken wordt de ester ontleed in het vrije zuur en het alkanol.

Ester met water

 

Reactie met een alkanol

De reactie van een ester met een alkanol wordt uitgevoerd door de ester op te lossen in een alkanol. Het alkanol dat eerst aan het zuur gebonden was komt vrij, het als oplosmiddel gebruikte alcohol wordt aan het zuur gekoppeld. Deze reactie is ook een evenwichtsreactie. Daarom is deze methode vooral geschikt om methyl- en ethylesters van grotere zuren om te zetten in esters van hogere alkanolen. In onderstaand voorbeeld wordt de ester van methanol en benzeencarbonzuur (kookpunt 199 °C) met octanol (kookpunt: 195 °C) omgezet in de octylester. Door het reactiemengsel te verwarmen tot ongeveer 100 °C, ruim boven het kookpunt van methanol, kookt de vrijkomende methanol uit het reactiemengsel en kan de nieuwe ester makkelijk geïsoleerd worden:

Ester met alkanol

 

Reactie met hydroxide

De reactie van een ester met (natrium)hydroxide wordt in water uitgevoerd, en de eerste stap van de reactie is dan ook de reactie van de ester met water. Hierbij wordt een zuur gevormd. Uit de titratiereacties weet je dat zuren en hydroxide met elkaar reageren tot water en een zuurrest. De zuurrest kan niet met de alcohol reageren. In plaats van het evenwicht door een grote hoeveelheid water in de richting van zuur en alkanol te duwen, haal je nu het zuur weg, waardoor de vorming van de ester geblokkeerd wordt. Deze reactie wordt uitgevoerd door het reactiemengsel te koken en als de juiste esters gebruikt worden , esters van octadecaanzuur bijvoorbeeld, ontstaat zeep. Een oud woord voor "koken" is "zieden" Het proces van zeep maken wordt daarom zeepzieden genoemd. Onderstaande reactievergelijking beschrijft de ontleding van de triëster van propaan-1,2,3-triol en octadecaanzuur, een veel in dierlijk vet voorkomende verbinding. Het product is dan groene zeep.

Het in reactie A gevormde octadecaanzuur reageert met hydroxide en vormt na afkoelen natriumoctadecanoaat, groene zeep:

Ester met hydroxide

 



  1. De esters zijn gesorteerd op molaire massa. Hierdoor komen de simpelere verbindingen eerst aan bod en complexere als bornylacetaat pas later.
Informatie afkomstig van https://nl.wikibooks.org Wikibooks NL.
Wikibooks NL is onderdeel van de wikimediafoundation.