E S T R Y K W A S Ó W K A R B O K S Y L O W Y C H
Aleksander Kołodziejczyk 2006.10.
Estrami nazywają się pochodne kwasów, w których atom wodoru grupy hydroksylowej jest
zastąpiony resztą organiczną  grupą alkilową lub arylową. Mo\
na je uwa\
ać za produkty
reakcji kwasów z alkoholami, podczas której wydziela się cząsteczka wody.
RCOOH + HOR �ł RCO-OR + HOH
Znane są estry kwasów karboksylowych  R CO-OR, kwasów sulfonowych  R SO2-OR,
kwasów fosfonowych  R PO(OR)2, a tak\
e nieorganicznych, np. RO-SO2-OR (siarczany) czy
RO-CO-OR (węglany).
O
O
O
C
C
C
OCH2CH3 H CH2
O
OCH3
H3C
octan metylu benzoesan etylu mrówczan benzylu
H3COSO2OCH3
O
siarczan dietylu
H3C S
OCH3
CH3CH2PO(OCH2CH3)2
O
p-toluenosulfonian metylu etylofosforan dietylu
(4-metylobenzenosulfonian metylu)
Występowanie
Estry nale\
ą do jednych z najbardziej rozpowszechnionych związków naturalnych. Do estrów
nale\
ą przede wszystkim tłuszcze, woski i wiele innych lipidów. Tłuszczami nazywane są estry
kwasów tłuszczowych z glicerolem (tzw. triacyloglicerole), a woskami  estry
długołańcuchowych kwasów karboksylowych z długołańcuchowymi alkoholami.
CH2-O-COR H3C(CH2)24COOCH2(CH2)28CH3
R'CO-O-CH
cerotynian trikontylu (wosk)
CH2-O-COR''
triacetyloglicerol (tłuszcz)
Estry są podstawowymi składnikami zapachów kwiatów, owoców i ziół. Około 6000 ró\
nych
estrów znaleziono w tych produktach. Mrówczan etylu wchodzi w skład aromatu jabłek,
brzoskwiń i rumu; octan butylu  jabłek, gruszek, moreli i tymianku; octan heksylu znaleziono w
aromacie jabłek, moreli, bananów, whisky i wina; octan benzylu w zapachu jaśminu; propionian
etylu  w aromacie jabłek, pomidorów, owoców guajawy; maślan etylu  w jabłkach, bananach,
ananasach, gruszkach, truskawkach i w sokach cytrusów. Takie przykłady mo\
na mno\
yć, ale ju\

z tych podanych widać, \
e aromaty naturalne są zło\
onymi, wieloskładnikowymi mieszaninami,
a estry odgrywają w nich wa\
ną rolę. Oprócz typowych estrów znajdują się w nich równie\

laktony, alkohole, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe, heterocykliczne związki,
węglowodory, terpenoidy i inne. W niektórych zapachach przewa\
a jeden składnik i on nadaje
zapach dominujący, niekiedy tak\
e przypomina aromat naturalny. Uznano, np. \
e octan etylu ma
1
zapach rumu, chocia\
w rzeczywistości daleko mu aromatu prawdziwego rumu. Ester metylowy
kwasu antranilowego ma zapach winogron, a octan 3-metylobutylu bananów.
Stwierdzono, \
e często głównymi składnikami zapachowymi lotnych produktów fermentacji są
estry. W aromacie piwa znaleziono 94 estry.
Wiele estrów produkuje się przemysłowo. Niektóre słu\
ą jako składniki syntetycznych
aromatów. Octan etylu jest powszechnie stosowanym rozpuszczalnikiem. Ftalany alkilowe, np.
ftalan dibutylu, znalazły zastosowanie jako plastyfikatory (zmiękczacze) w przemyśle tworzyw
syntetycznych. Ostatnio ftalany zostały uznane za substancje powodujące uczulenia i pojawiły
się głosy nawołujące do wycofania ich z codziennego u\
ytku.
O
CO(CH2)3CH3
ftalan dibutylu
CO(CH2)3CH3
O
Nomenklatura
1. Systematyczna
Nazwy estrów są zło\
one i przypominają nazwy soli. Składają się z części pochodzącej od
kwasu, która jest identyczna z nazwą odpowiedniego anionu (mrówczan, octan, benzoesan, itp.)
oraz części pochodzącej od alkoholu, enolu lub fenolu, która odpowiada nazwie alkilu lub arylu
(metylu, etylu, fenylu, itp.); w przypadku kilku grup, wymienia się je alfabetycznie i przedziela
myślnikiem.
CH3CO-OCH2CH3 octan etylu (etanian etylu)
CO OBu
CO CH3
CH2 malonian etylu-metylu
CO OCH2CH3
cykloheksanokarboksylan
butylu
CO OEt
wodoroftalan etylu
COOH
adypinian etylu-izopropylu
EtO-OC(CH2)4CO-O-iPr
(
heksadian etylu-izopropylu)
2. Nazewnictwo opisowe
Nazewnictwo opisowe stosuje się dla ułatwienia. Polega ono na podaniu następującego zestawu
słów: ester alkilowy (arylowy) kwasu + nazwa kwasu, np.:
CO OMe
ester metylowy kwasu salicylowego
OH
ester monoetylowy kwasu bursztynowego
HOOCCH2CH2CO-OEt
2
3. Sposób podstawnikowy
Grupa estrowa jako podstawnik przyjmuje nazwę odpowiednio do budowy: alkoksykarbonylo-,
aryloksykarbonylo lub acyloksy- (aroiloksy-). Nazwę tego podstawnika wraz z lokantem dodaje
się zgodnie z regułą do rdzenia.
3 2 1
3-etoksykarbonylopropanal
EtO-OCCH2CH2CHO
2 1
3
kwas 3-(benzoiloksy)propanowy
CO OCH2CH2COOH
Otrzymywanie
1. Alkoholiza chlorków kwasowych
Alkoholizę chlorków kwasowych prowadzi się w środowisku zasadowym, w celu pochłaniania
wydzielającego się chlorowodoru. Role zasady pełni pirydyna, aminy 3o lub NaOH [Ca(OH)2].
Alkoholizę chlorków kwasowych (ich amonolizę te\
) w wodzie w obecności NaOH nazywa się
reakcją Schottena-Baumanna. Wymaga ona silnego mieszania lub wstrząsania, poniewa\

chlorki kwasowe (bezwodniki te\
) są nierozpuszczalne w wodzie.
O
NaOH/HOH
HO
COCl C
O
+
- NaCl
chlorek benzoilu fenol benzoesan fenylu (76%)
2. Alkoholiza bezwodników
Alkoholizę bezwodników stosuje się jako metodę otrzymywania estrów najczęściej wówczas,
kiedy bezwodnik jest łatwo dostępny i tani. Te warunki spełniają bezwodnik octowy i
benzoesowy. Podczas acylowania bezwodnikiem jego połowa jest tracona, co zmniejsza
wydajność atomowa reakcji. Bezwodnik octowy wykorzystywany jest do otrzymywania
aspiryny, czyli kwasu acetylosalicylowego.
O-COCH3
H2SO4
OH
+ CH3COOCOCH3
- AcOH COOH
COOH
kwas salicylowy bezwodnik octowy aspiryna (100%)
O
CH3
ZnCl2 CH3
C
Ac2O
H3C OH +
O CH3
H3C
tw., - AcOH
CH3
CH3
t-butanol bezwodnik octowy octan t-butylu (57%)
Bezwodniki przyrządzane in situ z N-acylowanych aminokwasów są często wykorzystywane w
syntezie peptydów.
3. Alkilowanie soli kwasów karboksylowych
Na sole kwasów karboksylowych działa się odczynnikami alkilującymi (halogenkami
alkilowymi lub estrami kwasów sulfonowych). Metoda ta jest ograniczona do 1o reszt
alkilowych.
3
..
-
+
- NaI
OMe
:
O
Na + CH3 I
..
O
O
pentanian sodu jodek metylu pentanian metylu
(walerian sodu) (walerian metylu)
Alkilowaniu poddaje się często sole z 3o aminami.
4. Addycja kwasów karboksylowych do alkenów
W wyniku przyłączenia kwasów karboksylowych do podwójnego wiązania alkenów tworzą się
estry. W ten sposób otrzymuje się, np. estry t-butylowe znacznie łatwiej ni\
innymi metodami.
O
O
H2SO4, kat.
CH3
C
+
C O CH3
H3C
OH
H3C
CH3
kwas octowy izobuten octan t-butylu (95%)
5. Reakcja estryfikacji
Reakcją estryfikacji nazywa się syntezę estrów w wyniku działania kwasu karboksylowego na
alkohol. Wymaga ona obecności silnego kwasu jako katalizatora. Została odkryta w 1895 r.
przez Emila Fischera (razem ze Spierem) i powszechnie jest znana jako estrykacja Fischera.
Emil Fischer (1852-1919), ur. w Euskirchen (Niemcy); doktorat w Strasburgu u Bayera; profesor uniwersytetów w
Erlangen, W�rzburgu i Berlinie; nagroda Nobla w 1902 r.; pierwsza nagroda Nobla przyznana z dziedziny chemii.
H+
RCO-OR' + HOH
RCOOH + HOR'
kwas karboksylowy alkohol ester woda
Reakcja estryfikacji jest reakcją odwracalną, wobec czego do osiągnięcia wysokiej wydajności
potrzebne jest stosowanie nadmiaru jednego z reagentów, oczywiście tego tańszego. Najczęściej
są to ni\
sze alkohole, tj. metylowy, etylowy czy propylowe. Nadmiar alkoholu pełni
równocześnie rolę rozpuszczalnika.
HO O
HO O
HCl CHC OEt
CHC OH + EtOH (nadmiar)
- HOH
kwas migdałowy etanol migdalan etylu (95%)
O O O O
HCl
HOC(CH2)4COH EtOH (nadmiar) EtOC(CH2)4COEt
+
- HOH
kwas heksanodiowy etanol heksanodian dietylu (95%)
(kwas adypinowy) (adypinian dietylu)
Równowagę reakcji estryfikacji mo\
na te\
przesunąć na prawo usuwając jeden z produktów,
najczęściej wodę. W reakcji wy\
szych kwasów z wy\
szymi alkoholami wodę najprościej usuwa
się przez odparowanie, poniewa\
stanowi ona najbardziej lotny składnik mieszaniny. W
przypadku stosowania lotnych alkoholi, np. etylowego tworzącą wodę usuwa się azeotropowo
poprzez dodanie do środowiska reakcji benzenu. Wówczas trójskładnikowy azeotrop
4
etanol/benzen/woda ma najni\
szą temperaturę wrzenia. W tego typu procedurze stosuje się
nasadkę azeotropową, którą umieszcza się pomiędzy chłodnicą zwrotną, a reaktorem. Spływający
z chłodnicy kondensat azeotropu rozdziela się w nasadce na dwie warstwy  dolna zawierająca
głównie wodę pozostaje w nasadce, a górna składająca się w przewa\
ającej części z benzenu i
etanolu zawraca do reakcji.
O O
O O
HCl/benzen
HOC(CH2)4COH + 2 EtOH EtOC(CH2)4COEt
- HOH
kwas heksanodiowy etanol heksanodian dietylu (96%)
(kwas adypinowy) (adypinian dietylu)
Tworzącą się w reakcji wodę mo\
na te\
usuwać na drodze chemicznej dodając do środowiska
reakcji środka odwadniającego lub odwadniając kondensat spływający z chłodnicy zwrotnej.
Odczynnikiem stosowanym w reakcjach estryfikacji metanolem jest 2,2-dimetoksypropan (acetal
metylowy acetonu), który w obecności wody hydrolizuje do acetonu i metanolu.
O
OCH3
CH3O H+
+ 2 CH3OH
+ HOH CH3CCH3
CH3CCH3
2,2-dimetoksypropan aceton metanol
2,2-dimetoksypropan zastał wykorzystany w reakcji otrzymywania heksanodianu dimetylu.
O O
O O
TosOH
HOC(CH2)4COH + 2 MeOH MeOC(CH2)4COMe
CH3C(OCH3)2CH3
kwas heksanodiowy metanol heksanodian dimetylu (79%)
Pytanie: dlaczego 2,2-dimetoksypropanal u\
ywany jest tylko w syntezie estrów metylowych?
Mechanizm reakcji estryfikacji
Mechanizm reakcji estryfikacji jest zale\
ny od rzędowości reagującego alkoholu. Pierwszym
etapem reakcji z udziałem alkoholi 1o i 2o jest protonowanie acylowego atomu węgla, przez co
zwiększone zostają jego właściwości elektrofilowe. Następnie dochodzi do ataku cząsteczki
alkoholu (nukleofila) na uaktywniony karbonylowy atom węgla. Utworzony czterowiązalny
addukt stabilizuje się poprzez protonowanie atomu tlenu grupy -OH i eliminację cząsteczki
wody.
..
..
..
:
O H
O: :
O H
+ H+ +
C R'
C
C+ R .
O.
..
R'
OH
R OH H
R
: :
O
O
..
H
H
..
:
O H
- H+
O
C R'
+ HOH
R. : ..
.
O
C
O
OR'
R H
+
H
5
Atom tlenu łączący resztę alkilową R z karbonylowym atomem węgla w estrze otrzymanym w
reakcji estryfikacji z udziałem 1o lub 2o alkoholu pochodzi z cząsteczki alkoholu. Fakt ten został
udowodniony za pomocą reakcji kwasu z alkoholem znaczonym izotopem tlenu 18O. Izotop 18O
został wbudowany w cząsteczkę estru.
O
O
C
H+
C
18
+ HOH
OH OCH3
+ CH318OH
Właściwości fizyczne i fizjologiczne
Estry są hydrofobowe, a przez to trudno rozpuszczają się w wodzie. Estry kwasów nisko- i
średniocząsteczkowych i podobnej masie cząsteczkowej alkoholi są cieczami. Temperatura
wrzenia mrówczanu metylu  najlotniejszego estru  wynosi 31,5oC, a więc wrze w temperaturze
ni\
szej ni\
eter etylowy; octan etylu wrze w 77oC, a benzoesan metylu w 199 oC. Stałymi estrami
są, np. benzoesan fenylu (tt. = 70oC), p-nitrobenzoesan etylu (57 oC) czy stearynian etylu (tt. 30
o
C).
Większość estrów, nawet tych mało lotnych posiada charakterystyczny, zwykle przyjemny
zapach.
Związki zapachowe
Podobnie jak estry przyjemny zapach mają niektóre etery i nale\
ące do terpenów  olejki
eteryczne. Nadają one kwiatom, owocom i ziołom przyjemny aromat. Ten naturalny aromat jest
wynikiem oddziaływania na zmysł powonienia mieszaniny wielu składników. Zapach
pojedynczego związku jest imitacją, przypomina on jedynie mniej lub bardziej naturalną
kompozycję zapachową, nawet je\
eli wchodzi w skład naturalnego aromatu.
Charakterystyka zapachowa niektórych estrów i eterów Tabela
Ester Imitacja zapachu Ester lub eter Imitacja zapachu
mrówczan etylu rumowo-jabłkowy maślan metylu jabłkowy
octan etylu rumowy maślan etylu cytrusowo-gruszkowy
octan n-propylu gruszkowy maślan izopentylu gruszkowy
octan izopentylu bananowy izowalerian etylu jabłkowo-truskawkowy
octan oktylu pomarańczowy kapronian allilu ananasowy
octan benzylu brzoskwiniowy antranilan metylu winogronowy
propionian etylu winno-rumowy kwiatu pomarańczy i
eter metylowo-�-naftylowy
jaśminu
propionian benzylu jaśminowy kwiatu pomarańczy i
eter etylowo-�-naftylowy
jaśminu
W aromacie bananów naliczono 350 składników, w malinach  250, a w soku wiśniowym
jedynie 7: benzaldehyd(dominujący), linalol  3,7-dimetylookta-1,6-dien-3-ol, heksan, heksanal,
(E)-heks-2-enal, fenyloacetaldehyd, (E,Z)-nona-2,6-dienal i eugenol.
Skład naturalnych aromatów, pomimo tego, \
e charakterystyczny dla danego owocu, kwiatu czy
zioła ulega zmianie w zale\
ności od pory dnia, stopnia dojrzałości, a dramatycznie zmienia się po
zerwaniu. W ciągu kilku godzin po zerwaniu owocu brzoskwini, stę\
enie niektóre składników
jego mieszanki zapachowej spadają do zera, innych zmieniają się kilkukrotnie, a są i takie, które
6
pojawiają się jako nowe. Pomimo tak znacznych ró\
nic w składzie aromatu nasz zmysł węchu
bezbłędnie identyfikuje zapach ten zapach jako naturalny aromat brzoskwiń.
Zmiana stę\
eń składników aromatu owocu brzoskwini po jego zerwaniu z drzewa Tabela
Zawartość składników aromatu owoców brzoskwini [%]
Główne składniki przed zerwaniem 5 godz. po
zerwaniu
oktanian etylu 43 11
octan (Z)-heks-3-enylu 10 0
octan etylu 6 0
lakton kwasu-4-hydroksydekanowego 2,5 39
lakton kwasu-4-hydroksynonanowego 0 10
Pośród wielu składników wchodzących w skład naturalnych aromatów znadują się aldehydy i
laktony. Te drugie zwane są alkanolidami (laktonami kwasów hydroksyalkanowych) wchodzą
w skład tak\
e aromatu owoców brzoskwini. Spotyka się zarówno ł-laktony (głównie w
ł
ł
ł
owocach) i �-laktony (np. w maśle i w orzechach kokosowych). W naturalnych alkanolidach
�
�
�
przewa\
a konfiguracja (R)-; (S)- spotykana jest znacznie rzadziej. Nie stwierdzono większych
ró\
nic pomiędzy ich zapachem enancjomerów alkanolidów. Laktony ł- zawierające od ośmiu do
ł
ł
ł
12 atomów węgla mają bardzo niski prów wykrywania zapachu, np. dla laktonu C9 w wodzie
wynosi on 7-60 ppm. Są wykorzystywane w perfumerii.
R O O
O
R
O
4-alkanolidy (ł �-laktony)
ł-laktony) 5-alkanolidy (�
ł �
ł �
Do laktonów zalicza się te\
kumarynę  lakton kwasu (E)-o-hydroksycynamonowego, nadającą
intensywny, ale przyjemny zapach wysuszonej trawie, czyli sianu. Występuje w wielu roślinach,
w tym w trawach i koniczynach, zwykle w postaci glikozydów kwasu kumarynowego i dopiero
po ścięciu ulegają rozkładowi pod wpływem enzymów stresu, do wolnej kumaryny. Trawa
rosnąca i świe\
o skoszona, nie ma typowego zapachu siana, gdy\
nie ma w niej wolnej
kumaryny. Kumaryna ma właściwości toksyczne; LD50 dla szczurów wynosi 293 mg/ kg ciała.
Spanie na świe\
ym sianie wywoduje ból głowy.
R = H: kwas kumarynowy
COOH
R = reszta �-D-glukopiranozy:
O O OR
kumaryna
glukozyd kwasu
(2H-1-benzopiran-2-on) kumarynowego
Do innych związków występujących często w naturalnych aromatach nale\
ą alkohole, ketony,
kwasy karboksylowe, związki heterocykliczne oraz terpeny i terpenoidy. Te ostatnie są głównymi
składnikami olejków eterycznych  lotnych, wonnych produktów wydzielanych przez rośliny, w
tym drzewa iglaste, zioła i kwiaty. Do znanych olejków eterycznych nale\
ą: ró\
any, lawendowy,
miętowy, rumiankowy, tymiankowy, imbirowy, any\
owy, eukaliptusowy, kminkowy, jodłowy,
świerkowy, skórki pomarańczy, skórki cytryny, drzewa sandałowego i wielu innych, o nazwach
wywodzących się od z
ródła pochodzenia.
7
Wybrane składniki olejku ró\
anego:
O
CH2OCR
CH2OH
CH2OH
CH2OH
geraniol estry geraniolu nerol citronellol
Przykłady innuch terpenoidów występujących w olejkach eterycznych:
O
OCR
OH
O
(+)-ą-pinen (-)-mentol estry mentolu (+)-kamfora
ą
ą
ą
Przemysł perfumeryjny nale\
y do jednych z najszybciej rozwijających się gałęzi gospodarki
opartej na chemii. Potrzebuje on ciągle nowych produktów dla zaspokojenia dyktatu mody i
zmieniających się gustów nabywców. Producenci poszukując nowych związków o niezwykłych
właściwościach zapachowych zsyntezowali wiele nieznanych przedtem cząsteczek, często
wzorując się na produktach naturalnych. Jednym z nich jest dimetol, składnik perfum o nazwie
Poison, związek o delikatnym zapachu frezji. Podobny w budowie do terpenów, jest jednak od
nich trwalszy, gdy\
nie posiada podwójnych wiązań. Interesującą budowę ma składnik perfum
Fahrenheit 1988  Iso E Super, którego szkielet przypomina seskwiterpeny bicykliczne.
O
OH
Iso E Super
dimetol
(2,6-dimetylo-2-heptanol)
Perfumy oprócz składników nadających zapach zawierają wiele innych dodatków, pośród nich 
utrwalacze. Przez wiele lat do tego celu słu\
yły naturalne produkty, np. muskon (główny
składnik zapachowy pi\
ma pozyskiwanego z pi\
mowca  samca antylopy  Moschus
moschiferus  \
yjącej wysoko w górach Nepalu i Mongolii), oraz cyweton (dominujący
zapachowy składnik cywetu  substancji zapachowej kota  Civetticitis civetta  występującego
w Etiopii i w krajach południowej Azji). Substancje te wydobywano z zabitych samców, obecnie
te zwierzęta są pod ścisłą ochroną. Mogą być pozyskiwane jedynie ze zwierząt hodowlanych. Z
powodu trudności w ich hodowli zarówno pi\
mo jak i cywet są bardzo drogie. W naturze
substancje te wydzielane przez gruczoły znajdujące się w okolicach odbytu słu\
ą samcom do
znaczenia terytorium oraz jako atraktanty do wabienia samic. Zapach zarówno pi\
ma, jak i
cywetu jest dla ludzi odra\
ający (amoniakalno-zwierzęcy), jednak w niewielkim stę\
eniu
znacznie polepszają one jakość wyrobów perfumeryjnych.
O
O
CH3
muskon (3-metylocyklopentadekanon) cyweton [(Z)-9-cykloheptadekanon]
8
Z uwagi na wysoka cenę pi\
ma i cywetu otrzymano wiele syntetycznych substancji imitujących
te naturalne surowce. Mo\
na oczywiście otrzymywać syntetyczny muskon i cyweton, ale ich
synteza jest skomplikowana, a przez to nieopłacalna. Znacznie prostsze w syntezie, a przez to
tańsze są aromatyczne nitrozwiązki, które maja zbli\
ony zapach, np. pi\
mo ksylenowe czy
ketonowe. Jednak związki nitrowe nie nale\
ą do substancji fizjologicznie obojętnych i nawet w
małych ilościach mogą działać szkodliwie, np. uczulająco.
NO2
H3C CH3 H3C CH3 H3C CH3
HNO3
AlCl3
O2N NO2
C(CH3)3
C(CH3)3
m-ksylen
3,5-dimetylokumen pi\
mo ksylenowe
O
O
CCH3
CCH3
H3C CH3 H3C CH3 HNO3
H3C CH3
CH3COCl
O2N NO2
AlCl3
C(CH3)3
C(CH3)3
C(CH3)3
3,5-dimetylokumen 2,6-dimetylo-4-izo- pi\
mo ketonowe
propyloacetofenon
Właściwości chemiczne estrów
Estry podobnie jak uprzednio omówione chlorki kwasowe i bezwodniki hydrolizują, ulegają
alkoholizie oraz aminolizie. Są jednak znacznie mniej aktywne w tych reakcjach, tak \
e trzeba
prowadzić je w podwy\
szonej temperaturze, \
eby przemiany były zauwa\
alne w stosunkowo
krótkim czasie. Estry mo\
na równie\
zredukować do aldehydów lub alkoholi. Reagują one
tak\
e z reaktywnymi związkami metaloorganicznymi, a te które zawierają atom wodoru przy Cą
ą
ą
ą
kondensują pod wpływem zasad.
1. Hydroliza
Hydrolizę estrów katalizują zarówno kwasy, jak i zasady. W środowisku obojętnym estry reagują
z wodą bardzo wolno. W wielu wypadkach potrzeba dni, \
eby zauwa\
yć ich wyraz
ny rozkład.
Wydzielający się jednak w reakcji kwas karboksylowy zwiększa szybkość hydrolizy. To
zjawisko autokatalizy polega na katalitycznym działania powstającego kwasu. Hydroliza estrów
w środowisku kwaśnym jest reakcją odwracalną i stanowi odwrócenie procesu syntezy estrów w
reakcji Fischera.
RCOOR' + HOH RCOOH + HOR'
H+, kat.
Hydroliza estrów ma praktyczne znaczenie, słu\
y bowiem do otrzymywania specyficznych
kwasów i alkoholi z estrów naturalnych, np. z wosków. Zastosowanie nadmiaru wody przesuwa
równowagę prawie całkowicie w kierunku wolnego kwasu i alkoholu.
9
CH3(CH2)24COOH
kwas cerotynowy
H+/HOH
CH3(CH2)24COOCH2(CH2)28CH3 +
CH3(CH2)28CH2OH
cerotynian trikontylu (wosk)
trikontanol
Zasadowa hydroliza estrów jest reakcją nieodwracalną i wymaga stechiometrycznej ilości
zasady. Jest ona bowiem zu\
ywana w miarę postępu reakcji, poniewa\
z powstającym kwasem
tworzy sole, zwane mydłami. Z tego powodu zasadowa hydroliza estrów nazywana jest
zmydlaniem lub z łaciny saponofikacją. Określenie to wywodzi się od produkcji mydła, czyli
zasadowej hydrolizy tłuszczów.
RCOONa
+
CH2-O-COR
woda/alkohol R'COONa
R'CO-O-CH + NaOH
+
R''COONa
CH2-O-COR''
+
glicerol
Pytanie: w jakim celu dodaje się etanolu w reakcji zmydlania tłuszczów?
Mechanizm kwasowo katalizowanej hydrolizy estrów zale\
y od rzędowości reszty alkilowej
pochodzącej od alkoholu. W przypadku 1o i 2o reszt alkilowych reakcja zaczyna się od
protonowania atomu tlenu grupy karbonylowej, a tym samym uaktywnienia acylowego atomu
węgla na addycję nukleofilową. Do tak uaktywnionego atomu C przyłącza się cząsteczka wody.
Powstaje nietrwały addukt, który stabilizuje się poprzez odszczepienie protonu i cząsteczki
alkoholu.
Mechanizm hydrolizy estrów zawierających 1o lub 2o grupę alkilową
..
:
O
C
O R'
R
H+/HOH
..
..
O:
H
.. O:
H
: ..
H O H
C
+
C H
+
O
R
+
..
: O. H
: R
O
C
O+
..
O R' O: H . R'
R
..
H R'
H
- H+/HOH
O
+
R'OH
C
O H
R
18
Stosując do hydrolizy estru wodę znaczoną izotopem tlenu O stwierdzono, \
e w wyniku
reakcji izotop tlenu znalazł się w cząsteczce kwasu, co jest dowodem na to, i\
cząsteczka wody
przyłączyła się do acylowego atomu węgla, a odszczepiła się z niego reszta -OR , stanowiąca
fragment alkoholu.
10
O
O
H+/H18OH
+ EtOH
C
C
O
H3C Et
18
H3C
OH
Natomiast podczas hydrolizy estru zawierającego 3o resztę alkilową izotop tlenu pozostaje w
cząsteczce kwasu, poniewa\
po protonowaniu karbonylowego atomu tlenu estru odszczepia się
stosunkowo trwały kation 3o i dopiero on stabilizuje się przez częściowe przyłączenie cząsteczki
wody (do 3o alkoholu) lub poprzez odszczepienie protonu  do alkenu).
Mechanizm kwasowej hydrolizy estrów zawierających 3o resztę alkilową
..
..
+
O:
O H
CH3 H+/HOH
CH3
C
C
18
H3C
H3C 18
O C CH3
C
O CH3
CH3
CH3
znakowany
octan t-butylu
..
CH3
O: +
znakowany
+
C
C
kwas octowy CH3
H3C
18
H3C
OH
- H+
HOH
- H+
CH3
izobuten
C
CH2 (CH3)3COH
H3C
t-butanol
t-Butanol znakowany tlenem 18O powstanie podczas hydrolizy octanu t-butylu wodą zawierającej
ten izotop.
H+/H18OH
CH3COOH + (CH3)3C18OH
CH3COOC(CH3)3
octan t-butylu kwas octowy znakowany t-butanol
Zadanie: przedstaw mechanizm hydrolizy octanu t-butylu prowadzącej do powstania znakowanego t-butanolu.
Mechanizm zasadowej hydrolizy estrów
Podczas hydrolizy zasadowej estru jon hydroksylowy -OH przyłącza się do acylowego atomu
węgla i tworzy się czterowiązalny addukt. Jest on niestabilny, poniewa\
na jednym atomie węgla
znajdują się trzy silnie elektroujemne grupy. Stabilizacja poprzez odszczepienie anionu
-
alkoksylanowego OR prowadzi do kwasu karboksylowego. Powstający równocześnie anion
alkoksylanowy jest znacznie silniejszą zasadą ni\
karboksylanowy, wobec czego w reakcji
(prawie) nieodwracalnej następuje przeniesienie protonu. W rezultacie produktami zasadowej
hydrolizy estru jest alkohol i sól kwasu karboksylowego (jon karboksylanowy).
11
..
.. -
:
: - O:
O ..
+ :
O H
..
..
C
C
R
O R'
O R'
R ..
:
O
..
H
ester
..
..
- ..
:
: O
O
+
..
:
O R'
..
..
H
..- + O R'
C
..
C
anion
O H
R
O: alkohol
R ..
.. alkoksylanowy
anion karboksylanowy kwas karboksylowy
2. Alkoholiza estrów
Estry pod wpływem alkoholu ulegają alkoholizie. Jest to reakcja odwracalna, katalizowana
zarówno przez kwasy, jak i zasady.
H+
RCOOR' + HOR'' RCOOR'' + HOR'
lub :B-
Przekształcenie jednego estru w drugi wymaga stosowania du\
ego nadmiaru alkoholu. Tego
typu reakcja nazywa się transestryfikacją. Ma zastosowanie w produkcji tzw. biodiesela, czyli
przekształcenia tłuszczów (triacylogliceroli) w estry metylowe kwasów tłuszczowych, które mają
lepsze właściwości jako paliwo do silników wysokoprę\
nych ni\
tłuszcze ciekłe czyli oleje.
glicerol
+
CH2-O-COR
RCOOMe
KOH
+
+ MeOH (nadmiar)
R'CO-O-CH
R'COOMe
CH2-O-COR''
+
R''COOMe
tłuszcz (triacyloglicerol)
estry metylowe
kwasów tłuszczowych
Reakcję transetryfikacji prowadzi się te\
w celu modyfikacji tłuszczów, tj. pozyskania
triacylogliceroli o bardziej przydatnych właściwościach.
Transestrykacja jest dogodną metodą otrzymywania estrów t-butylowych aminokwasów; są one
bardzo przydatne w syntezie peptydów.
AcO-t-Bu
CH2CHCOO-t-Bu
CH2CHCOOH
HClO4
NH2 . HClO4
NH2
(95,5%)
fenyloalanina sól kwasu chlorowego (VII) z
esterem t-butylowym fenyloalaniny
Estry t-butylowe aminokwasów powstają w reakcji aminokwasu z nadmiarem octanu t-butylu,
który równocześnie pełni rolę rozpuszczalnika. Natomiast kwas chlorowy (VII) katalizuje
transestryfikację i dodatkowo ułatwia reakcję, poniewa\
jego sole z tymi estrami są często
trudno rozpuszczalne w warunkach reakcji i krystalizując przesuwają równowagę na prawo.
12
O zjawisku transestryfikacji nale\
y pamiętać prowadząc reakcje z estrami w rozpuszczalnikach
alkoholowych. W takim przypadku nale\
y stosować alkohol identyczny z tym, jaki stanowi
fragment estru, tzn., dla estrów metylowych stosować metanol, a dla etylowych etanol itp.
3. Amonoliza (aminoliza)
Estry w reakcji z amoniakiem (amonoliza) lub aminami 1o i 2o (aminoliza) ulegają
przekształceniu w amidy. Z amoniakiem powstają amidy niepodstawione  RCONH2, a z
aminami 1o lub 2o odpowiednio amidy mono- lub dipodstawione  RCONHR  lub RCONR  2.
O O
+ R'OH
+ :NHR''2
C C
OR' NR''2
R R
ester amid
R : alkil lub aryl; R  : H, alkil lub aryl
Szybkość reakcji zarówno amonolizy, jak i aminolizy zale\
y głównie od właściwości
alkoholowej reszty R , znajdującej się w grupie odchodzącej; im silniej jest ona
elektroakceptorowa, tym reakcja biegnie szybciej. Dla reszt alkilowych amonolizy jest wolna,
dla arylowych znacznie szybsza, a dodatkowe grupy EGW wpływają na jej zwiększenie. Poni\
ej
zestawione są grupy R w szeregu zwiększającego wpływu na szybkość reakcji amonolizy
(aminolizy).
-C(CH3)3<<W grupie reszt arylowych podstawniki wywierają du\
y wpływ na szybkość reakcji aminolizy.
Me
OMe
NO2 NO2 F F
< <
< <
~
F F
NO2 F
Estry zawierające resztę R uaktywniającą reakcje amonolizy lub aminolizy nazywają się
estrami aktywnymi. Są one często wykorzystywane do otrzymywania amidów, w tym peptydów.
Estry 2,4-dinitrofenylowe i pentafluorofenylowe reagują z amoniakiem lub aminami z taką
szybkością jak bezwodnikami. Do tego celu słu\
ą komercyjnie dostępne estry p-nitrofenylowe.
Do estrów aktywnych zaliczane są te\
pochodne kwasów, które nie są estrami, poniewa\
w
reszcie -OR atom tlenu nie jest powiązany bezpośrednio z atomem węgla lecz najczęściej z
atomem azotu. Są to produkty reakcji kwasów, np. z N-hydroksysukcynoimidem czy N-
hydroksybenztriazolem.
N
O NO2 O O
O N
C
C
N
O
R N
O
R C
O
R
O
p-nitrofenylowe
estry: N-hydroksysukcyno- N-hydroksy-
imidylowe benzotriazylowe
13
Ró\
nice w szybkości reakcji amonolizy estru etylowego i p-nitrofenylowego mo\
na
zademonstrować na przykładzie otrzymywania acetamidu. Do przeprowadzenia aminolizy
octanu etylu potrzeba nadmiaru amoniaku i czas liczony w dniach, podczas gdy aminolizy
octanu p-nitrofenylowego jest zakończona w ciągu 2 godzin i to bez potrzeby u\
ycia nadmiaru
amoniaku.
2 dni
CH3COOEt + NH3 (nadmiar)
CH3CONH2 + EtOH
octan etylu acetamid (81%) etanol
NO2
O
2 h
CH3C O NO2 + NH3 CH3CONH2 +
acetamid (92%)
octan p-nitrofenylowy
OH
p-nitrofenol
Mechanizm amonolizy
- ..
..
H
O
:O:
:NH3 :
O
:B
+
H
C
C
OMe
R
R
NH2 R C NH2
..
+
MeO
MeO
ester
O
..
- +
C
MeO: H3C NH2
..
amid
4. Redukcja
Przez wiele lat estry były redukowane sodem w bezwodnym alkoholu (redukcja Bouveaulta 
Blanca), w przemyśle stosuje się do tego celu uwodornienie gazowym wodorem wobec
katalizatorów zawierających związki miedzi. Obecnie w laboratorium najczęściej u\
ywa się
tetrahydroglinianu litu  LiAlH4.
Na/EtOH
CH3(CH2)3CH2OH + EtOH
CH3(CH2)3COOEt
pentanian etylu 1-pentanol (71%) etanol
Redukcję estrów wodorkiem mo\
na przeprowadzić selektywnie.
O
1. LiAlH4
CH3CH2CH=CHC-OEt
CH3CH2CH=CHCH2OH + EtOH
2. H+
pent-2-enian etylu pent-2-en-1-ol etanol
W przemyśle redukuje się tłuszcze, czyli estry glicerolu do tzw. alkoholi tłuszczowych, słu\
ących
głównie do otrzymywania surfaktantów oraz środków alkilujących.
14
CH2OCOR
H2 RCH2OH + R'CH2OH +
R'COOCH
kat. Cu/Cr
glicerol
+ R''CH2OH +
CH2OCOR"
Redukcja tłuszczów prowadzi do mieszaniny alkoholi; \
eby otrzymać jednorodny produkt
najlepiej redukować rozdzielone estry kwasów tłuszczowych.
oleinian metylu
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOMe
H2 kat. Cu-Cr
oktaheksa-9-en-1-ol
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2OH
Dobierając katalizatory i warunki reakcji mo\
na selektywnie uwodornić tłuszcze, tzn. tak jak
powy\
ej redukując je do alkoholi z zachowaniem wiązań podwójnych lub wysycać wodorem
wiązania nienasycone bez naruszenia struktury glicerolowej. Ten drugi proces nazywany jest
utwardzaniem tłuszczów, poniewa\
zmniejszanie stopnia nienasycenia podwy\
sza temperaturę
topnienia tłuszczów przekształcając oleje w tłuszcze stałe. Jest on wykorzystany do produkcji
margaryn twardych. Proces uwodorniania tłuszczów mo\
na prowadzić stopniowo. Katalizatorem,
który zapewnia stopniową selektywną redukcję polienów jest nikiel. W pierwszej kolejności
trieny są przeprowadzane w dieny, następnie dieny w monoeny i je\
eli jest taka potrzeba
monoeny w nasycone. Tłuszcze spo\
ywcze nie powinny być całkowicie uwodornione.
H2/Ni
H2/Ni H2/Ni
kwas linolenowy
kwas linolowy kwas oleinowy kwas stearynowy
k1
k3 k2
(18:3) (18:0)
(18:1)
(18:2)
k3 > k2 >k1
Wodorowanie tłuszczów (utwardzanie) mo\
na przeprowadzić etapami, stopniowo zmniejszając
stopień nienasycenia, poniewa\
stałe szybkości reakcji dla poszczególnych etapów zmniejszają
się wraz ze spadkiem stopnia nienasycenia.
Redukcję estrów mo\
na te\
tak poprowadzić, \
e zatrzymała się na etapie aldehydów. Wymagane
są przy tym łagodne warunki i specjalny reduktor  przestrzennie rozbudowany wodorek 
diizobutylohydroglin (DIBAH, ang.  diizobutylaluminium hydride).
DIBAH
CH3(CH2)10CHO + EtOH
CH3(CH2)10COOEt
dodekanian etylu (laurynian etylu) dodekanal etanol
H Al
DIBAH
5. Reakcje ze związkami metaloorganicznymi
Estry reagują ze związkami Grignarda, a tak\
e z litoorganicznymi. Reakcja estrów ze związkami
Grignarda nie zatrzymuje się na etapie przyłączenia jednego mola związku metaloorganicznego
lecz biegnie dalej i po przyłączeniu drugiego mola oraz hydrolizie powstaje alkohol 3o.
15
OH
O
MgX
H+/HOH
O
2 R''MgX
C
C
R R''
C
lub 2 R''Li
R R''
OR' R''
R
+ R'OMgX
R''
ester alkoholan alkohol 3o
W ten sposób z benzoesanu etylu i bromku fenylomagnezowego otrzymuje się trifenylometanol.
O
OH
1. 2 PhMgBr
C
C (80%)
OEt
2. H+/HOH
trifenylometanol
benzoesan etylu
Z laktonów powstają diole.
O
1. 2 CH3MgBr
OH
O
2. H+/HOH
HO
walerolakton 5-metyloheksano-1,5-diol
Mechanizm
..
MgX
O
O :
O
- MeOMgX
+
R'-MgX
C
C C
R R'
R
OMe R'
R
MeO
R'MgX
ester
..
..
-
..
MgX
:
O
: - +MgX
O:
alkohol
:
OH
3o
C
C
C
R
R R'
R'
R
R'
R'
R'
R'
8. Kondensacja Claisena
Estry zawierające atomy wodoru w poło\
eniu ą w stosunku do grupy alkoksykarbonylowej
ulegają w środowisku zasadowym kondensacji podobnej do aldolowej, nazwanej od nazwiska
odkrywcy kondensacją Claisena. W reakcji powstają �
�-oksoestry.
�
�
Ludwig Claisen (1951-1930); ur. w Kolonii; doktorat w Bonn (u Kekul�go), prof. Universytetu w Bonn, Owens
College (Manchester), Aachen, Kilonii i Berlinie; zało\
ył prywatne laboratorium w Godesbergu.
O O
O NaOEt
2
EtOH
+
C C
C
8 h
OEt
H3C
OEt
H3C
H H
octan etylu acetylooctan etylu (3-oksybutanian etylu) (75%)
Z estrami wy\
szych kwasów reakcja biegnie wolniej, wymaga wobec tego dłu\
szego czasu.
O
O O
NaOMe
2 CH3CH2CHC-OMe CH3CH2CCHC-OMe + MeOH
16 h
(45%)
butanian metylu CH3 3-okso-2-metylopentanian
metylu
16
Reakcje kondensacji estrów zawierających rozgałęziony łańcuch węglowy nie są katalizowane
alkoholanami, potrzebne są do tego silniejsze zasady. Często czynnikiem kondensującym jest
trifenylometylosód.
O
NaOEt
brak reakcji
2 (CH3)2CHCOEt
2-metylopro-
O O
Ph3CNa
pionian etylu
(CH3)2CHCCC-OEt
2,2,4-trimetylo-
60 h
CH3 pentanian etylu
(60%) H3C
Mo\
na równie\
stosować wodorek sodu.
Pytanie: dlaczego podczas stosowania alkoholanów jako katalizatorów nale\
y stosować alkoholan i alkohol
identyczny z tym, którego reszta występuje w grupie estrowej? Takiego ograniczenia nie było dla kondensacji
aldolowej.
Mechanizm
Reakcja podobnie jak w kondensacji aldolowej zaczyna się od oderwania protonu z pozycji ą do
ą
ą
ą
grupy alkoksykarbonylowej i utworzenia karboanionu. Następnie karbokation jako donor
elektronów przyłącza się do karbonylowego atomu węgla drugiej cząsteczki estru i powstaje
addukt, który stabilizuje się poprzez odszczepienie reszty alkoksylowej -OEt.
Reakcja jest odwracalna, ale poniewa\
alkohole są słabszymi kwasami (pKa = 16) ni\
C-kwasy
typu 3-oksyestrów, (pKa = 9-13) równowagowa przesuwa się w kierunku anionu ugrupowania
oksyestrowego. Zakwaszenie środowiska przesuwa równowagę całkowicie na korzyść 3-
oksoestru.
donor
O
O
nukleofilowy
- H+
- C
C
.. OEt
OEt H2C
H2C
..
:OEt
.. karboanion
-
H
..
O: akceptor
octan etylu
C
elektrofilowy
octan etylu
OEt
H3C
- ..
O
O
:
O: O
C
C
C
H3C OEt C
C
OEt
H3C CH2
- -OEt
H
H
pKa = 11
EtO
addukt
-
EtOH
OEt
pKa = 16
O
O
O
O
H+/HOH
.. C C
C
C
CH2
H3C OEt
C
H3C OEt
-
acetylooctan etylu
H
Podobnie jak w przypadku mieszanej (krzy\
owej) kondensacji aldolowej mo\
liwa jest
mieszana kondensacja Claisena; korzystnie jest stosować w takiej reakcji jeden ester nie
zawierający Hą.
ą
ą
ą
17
O
O
O
1. NaH/THF, 6 h C
C
O
CH2C-OEt
OEt
2. H+/HOH
+ CH3C-OEt (70%)
benzoesan etylu octan etylu benzoilooctan etylu
Mieszane kondensacje Claisena zachodzą tak\
e pomiędzy estrami i ketonami, przy czym
powstają związki 1,3-dikarbonylowe (diketony lub oksoaldehydy). Najlepiej reakcje biegną, gdy
ester nie zawiera atomów Hą, np. dobre wydajności otrzymuje się z udziałem mrówczanu etylu.
ą
ą
ą
O
O O O
H3C
NaOEt
H3C
+ HC-OEt
H
H3C
H3C
mrówczan etylu (akceptor)
2,2-dimetylocykloheksanon 6-formylo-2,2-dimetylo-
(donor) cykloheksanon (91%)
Zadanie: zaproponuj mechanizm dla powy\
szej reakcji.
W reakcji estrów z ketonami obecności zasad karboanion tworzy się przede wszystkim z
cząsteczki ketonu, poniewa\
są one silniejszymi C-kwasami ni\
estry. Zwykle wartości pKa
atomów Hą ketonów znajdują się w przedziale 18-19, a estrów  25.
ą
ą
ą
.. - ..
:
O:
O O:
-HB
-
CH2
CH2 CH2 C
C C
..
:B
H
acetofenon keton
anion stabilizowany mezomerycznie
pKa = 18,2
.. - ..
:
O:
O O:
-HB -
CH2
CH2 CH2 C OEt
C OEt C OEt
..
:B
H
octan etylu ester anion stabilizowany mezomerycznie
pKa = 25
Oderwanie protonu z silniejszego C-kwasu wymaga mniejszej energii (" ni\
ze słabszego,
"G0)
"
"
czyli charakteryzującego się wy\
szą wartością pKa.
O
O
-
-
CH2-C-OR + -BH
CH2-C-R + BH
"G0
"
"
"
O
"G0
"
"
"
CH3-C-R + B:-
O
CH3-C-OR + -B:
dla estru
dla ketonu "G0 = 2,3RT(pKa)
"
"
"
Z równania na "G0 widać wyraz
nie, \
e im mniejsza wartość pKa (silniejszy kwas), tym mniej
"
"
"
energii potrzeba do oderwania protonu. Tak więc w mieszanej reakcji kondensacji Claisena
18
estrów z ketonami donorami nukleofilowymi stają się karboaniony powstające z ketonów, a
nie z estrów.
9. Cyklizacja Dieckmanna  wewnątrzcząsteczkowa kondensacja estrów
Estry kwasów dikarboksylowych mogą ulegać wewnątrzcząsteczkowej kondensacji Claisena,
zachodzącej szczególnie łatwo, gdy dochodzi do utworzenia pięcio- lub sześcioczłonowych
pierścieni; tj. z udziałem 1,6- lub 1,7-diestrów. Tego typu reakcja nosząca nazwę cyklizacji
Dieckmanna nale\
y do najcenniejszych sposobów zamykania pierścieni z utworzeniem nowego
wiązania C-C.
Walter Dieckmann (1869-1925); ur. w Hamburgu; doktorat w Monachium (u Bamberga); profesor Uniwersytetu w
Monachium.
Z 1,6-diestrów powstają pięcioczłonowe cykliczne �-oksoestry, a z 1,7-  sześcioczłonowe
�
�
�
homologi.
O
O
O
NaOMe
OMe
+ MeOH
OMe
O
MeOH
OMe
heksanodionian dimetylu 2-oksycyklopentanokarboksylan metylu (82%)
(2-etoksykarbonylocyklopentanon)
O
O O
OMe
NaOMe
+ MeOH
OMe
O
MeOH
OMe
heptanodionian dimetylu 2-oksycykloheksanokarboksylan metylu (86%)
(2-etoksykarbonylocykloheksanon)
Tym sposobem mo\
na tak\
e otrzymywać związki heterocykliczne, np. pochodne
tetrahydrotiofenu.
O
O
O
NaOMe
OMe
+ MeOH
OMe
O
eter
S
S
OMe
3-tiaheksanodionian dimetylu 2-etoksykarbonylotetrahydrotiofen-3-on (70%)
Mechanizm
Mechanizm reakcji jest taki sam jak dla zwykłej kondensacji Claisena, z tym \
e donor i
akceptor znajdują się w tej samej cząsteczce.
19
..
..
..
O - O
O: O
OMe
- ..
:
O ..
:
O MeOH
OMe :..
OMe OMe
-..
OMe
+ MeOH
H H
..-
H
O
O
- H+
OMe
H
OMe
OMe
heksanodionian dimetylu
O
O
O
O
H+/HOH
OMe + -OMe
H
OMe
2-oksocyklopentanokarboksylan metylu
- MeOH
Zastosowanie estru acetylooctanu w syntezie organicznej
Acetylooctan etylu, podobnie jak malonian etylu słu\
y do otrzymywania cząsteczek o bardziej
rozbudowanym łańcuchu węglowym. W reakcji alkilowania lub dialkilowania estru
acetylooctowego i następczej, poprzedzonej hydrolizą, dekarboksylacji otrzymuje się ketony.
Monoalkilowanie:
O
O O 1. H+/HOH
1. -OEt
CH3CCHCOOEt CH3CCH2R
CH3CCH2COOEt
2. R-X
2. ", -CO2
keton
acetylooctan etylu R
Dialkilowanie:
O
O
O
O O
1. H+/HOH
1. -OEt 1. NaH
C
C
keton
CH3CCH2COOEt
CH3CCHCOOEt CH3CCHR
C OEt
H3C
2. ", -CO2
2. R-X rozgałęziony
2. R'-X
R R'
acetylooctan etylu
R
R'
Mechanizm:
Reakcja biegnie w typowy sposób, tzn. zaczyna się od oderwania kwaśnego protonu z grupy CH2
znajdującej pomiędzy dwiema funkcjami karbonylowymi acetylooctanu etylu i alkilowaniu tak
otrzymanego karbokationu za pomocą R-Br. Po hydrolizie i dekarboksylacji monoalkilowej
pochodnej powstaje keton.
O O
C C
C OEt
H3C
H H
acetylooctan etylu
..
-
-
OEt
- ..
: :O :
:O
- H+
: :
: : O
O
C
C
C
C C
OEt
H3C
C
OEt
H3C
O
O
H
..
H
C
C
C
OEt
H3C -
H
R-Br
alkilowanie
O O O
1. H+/HOH
CH3CCH2R
C C
2. ", - CO2
C OEt
H3C
keton
H R
20
Monoalkilowa pochodna poddana ponownemu działaniu zasady (tym razem wymagana jest
zwykle silniejsza zasada, np. NaH) równie\
zostaje przekształcona w karboanion, który tak\
e
mo\
na alkilować (np. za pomocą R -X) do pochodnej dialkilowej, a po hydrolizie i
dekarboksylacji otrzymuje się keton, tym razem rozgałęziony.
.O
O.
O O
.. ..
NaH
.
.-....C
.
C
C C
C
OEt
H3C
C OEt
H3C
R
H R
monopodstawiony
acetylooctan
R'-X
O O
O
1. H+/HOH
H
C C
C
C OEt
H3C
C
H3C
2. ", - CO2
R R'
R'
R
keton rozgałęziony dipodstawiony acetylooctan
Mechanizm dekarboksylacji
Dwie silnie elektroujemne grupy przyłączone do jednego atomu węgla destabilizują cząsteczkę.
Taka sytuacja występuje w anionie karboksylanowym acetylooctanu  z atomem C2 związana
jest grupa karbonylowa (C3) i anion karboksylanowy (C1). W podwy\
szonej temperaturze, w
pobli\
u temperatury wrzenia wody, tego typu związki rozkładają się z wydzieleniem cząsteczki
CO2. Przemiana polega na tym, \
e miejsce grupy COOH zajmuje atom H. Podobne właściwości
wykazuje kwas malonowy i jego analogi podstawione przy C2.
O O
O O
H+/HOH
C C
C C
C OH
C OEt H3C
H3C
H R
H R
monopodstawiony
acetylooctan
+ H+ - H+
..
- ..
O: O
: :
O
O
..
C C -
C
R C
C O
+ H3C
..:
C
H3C
H R
O
H
+ H+
- H+
.. ..
: :
H O O O
- H+
+ H+
..
C C
R
C C- R CH3CCH2R
H3C + H+ H3C
keton
H H
Hydrolizę acetylooctanu mo\
na przeprowadzić równie\
w środowisku zasadowym.
21
Przykłady syntezy ketonów alkilowo-metylowych
O O
1. -OEt
O O
Br
OEt
2.
OEt
acetylooctan
etylu
1. NaH lub
Br
2.
(CH3)3COK
O
O O
1. H+/HOH
OEt
2. ", - CO2
3-propyloheptan-2-on
Mo\
na konstruować równie\
inne cząsteczki, np. oksokwasów, je\
eli do alkilowania u\
yje się
odpowiednie bromoestry.
O O
1. -OEt
O O
O OEt
OEt
2. Br
OEt O
acetylooctan
OEt
etylu
1. rozc.
2. H+/HOH
NaOH
O O
O
", - CO2
OH
O
O
OH
OH
kwas 4-oksopentanowy
Z acetylooctanu etylu postają diketony, kiedy substrat podda się alkilowaniu halogenoketonem.
O O
1. -OEt
O O
O OEt
OEt
2. Br
R O
acetylooctan
R
etylu
1. rozc.
2. H+/HOH
NaOH
O O
O
", - CO2
OH
O
O
R
ł-diketon
ł
ł
ł
R
Zastosowanie malonianiu dietylu do otrzymywania kwasów karboksylowych  synteza
malonowa.
22
Z estrów malonowych po alkilowaniu, hydrolizie i dekarboksylacji powstają prostołańcuchowe
kwasy karboksylowe, je\
eli zostanie wprowadzona jedna grupa alkilowa lub rozgałęzione po
dwukrotnym alkilowaniu.
-
O O
: : :.
OEt O. O:
.. ..
.-.....
.
EtO OEt
EtO OEt
H H
H
pKa
= 12,9
..
-
..
-
:
:O O
: :
: :
: :O O: O:
O: :
..
EtO OEt
EtO - OEt
EtO OEt
H
H
H
Jon enolanowy otrzymany przez oderwanie protonu z estru malonowego jest stabilizowany
mezomerycznie.
Synteza malonowa polega na przeprowadzeniu estru malonowego (najczęściej etylowego) w
pochodną sodową, najłatwiej przez działanie alkoholanem sodu i następnie alkilowaniu,
hydrolizie i dekarboksylacji.
: :
O O :O :O - Br- O O
-
OEt
-
EtO OEt
EtO OEt ..
EtO OEt
H H CH3CH2Br H
H
malonian dietylu
H+/HOH - EtOH
H
H H
H
O O
- CO2
O
O
O O
"
H
O O H
H
H
enolan kwasu
karboksylowego
CH3CH2CH2COOH kwas butanowy
Dwukrotne alkilowanie estru malonowego umo\
liwia otrzymywanie rozgałęzionych kwasów
karboksylowych.
:O: :O:
O O O O
:O: :O:
-
-
- - Br-
OEt
OEt
..
- EtO OEt
EtO OEt
EtO OEt
..
EtO OEt
CH3CH2Br
H H
H
H
malonian dietylu
- Cl-
PhCH2Cl
H
O O
H
H H+/HOH
- CO2
O
O
EtO OEt
O O
- EtOH
CH2CH3
" O O H
CH2CHCOOH
enalan kwasu
kwas 2-etylo-3-fenylo-
karboksylowego
propanowy
Do przeprowadzania estru malonowego w karboanion (anion enolanowy) mo\
na u\
ywać
wodorku sodu.
23
Przykłady:
Synteza malonowa pozwala na otrzymywanie kwasów karboksylowych o dowolnie długim
łańcuchu.
"
CH3(CH2)4COOH
CH3(CH2)3Br + Na+ -CH(COOEt)2
- CO2
bromek n-butylu sodomalonian dietylu kwas heksanowy (75%)
Dwukrotne alkilowanie prowadzi do kwasów rozgałęzionych w pozycji 2 (ą).
ą
ą
ą
CH3(CH2)3CH(COOEt)2
CH3(CH2)3Br + Na+ -CH(COOEt)2
n-butylomalonian dietylu
bromek n-butylu sodomalonian dietylu
2. CH3I
1. -OEt
CH3 CH3
H+/HOH
CH3(CH2)3CHCOOH CH3(CH2)3C(COOEt)2
" , - CO2
kwas 2-metyloheksamowy (55%) (1-metylo)-n-butylomalonian dietylu
Synteza malonowa jest dogodnym sposobem otrzymywania cyklicznych kwasów
karboksylowych.
SN2
+ -
CH(COOEt)2
Br(CH2)3Br + CH(COOEt)2
Na
Br
..
- Br-
1,4-dibromobutan sodomalonian
NaH
dietylu
(nadmiar)
-
SN2
H+/HOH C(COOEt)2
COOEt ..
COOH
Br
- Br-
", - CO2
COOEt
H
kwas cyklobutanokarboksylowy (32%)
Pytanie: w jakim celu stosuje się nadmiar 1,4-dibromobutanu?
W ten sposób mo\
na zsyntezować kwasy zawierające grupę karboksylową związaną równie\
z
trój-, pięcio-, sześcio- i wy\
ej członowymi pierścieniami. Najwy\
sze wydajności tworzenia
pierścienia obserwuje się podczas alkilowania malonianu 1,4-dibromobutanem i 1,5-
dibromopentanem; powstają wówczas pięcio- i sześcioczłonowe pierścienie.
Zastosowanie cyjanooctanu etylu w syntezie organicznej
Cyjanooctan etylu mo\
e być alkilowany podobnie jak acetylooctan etylu lub malonian dietylu,
przy czym w produkcie alkilowania mo\
na łatwo selektywnie zhydrolizować grupę estrową i w
ten sposób otrzymać związki zawierające grupę cyjanową i karboksylową w poło\
eniu 1,3.
Mo\
na równie\
selektywnie zhydrolizować grupę nitrylową do amidowej za pomocą kwasu
polifosforowego z zachowaniem reszty estrowej.
24
1. NaH
NCCHCOOEt
NCCH2COOEt
2. EtBr
CH2CH3
cyjanooctan etylu
1. NaH 2. MeBr
1. kwas
CH3
CH3
CH3 polifos-
NaOH
forowy
NCCCOOH NH2COCCCOOEt
NCCCOOEt
HOH
CH2CH3
CH2CH3 H+/HOH
CH2CH3
Cyjanooctan etylu otrzymuje się w wyniku reakcji chlorooctanu sodu z cyjankiem sodu. Powstały
w ten sposób cyjanooctan sodu po zakwaszeniu estryfikuje się etanolem; wydajność 72% w
przeliczeniu na kwas chlorooctowy.
Zadanie: napisz ciąg reakcji prowadzących do cyjanooctanu etylu.
Reakcja addycji Michaela
Związki zawierające dwa uaktywnione atomy wodoru, typu estrów malonowych, estru
acetylooctowego i podobnych reagują z ą,�
ą �
ą �-nienasyconymi ketonami lub aldehydami, przy
ą �
czym tworzy się produkt addycji sprzę\
onej 3,4, a nie 1,2 jak w reakcjach omawianych
poprzednio. Reakcja ta nosi nazwę od jej odkrywcy  addycji Michaela.
Arthur Michael (1853-1942); ur. w Buffalo NY (USA), studia w Heidelbergu, Berlinie i Pary\
u, profesor w Tufts
University i na Uniwersytecie Harvarda.
O O
O1 1. -OEt
O O
+
OEt
4
2
OEt
3 2. H+/HOH
but-3-en-2-on
acetylooctan
O
etylu
3-karboetoksyheptano-2,6-dion (94%)
Mechanizm reakcji
Addycja Michaela ró\
ni się tym od typowych addycji do podwójnego wiązania, \
e jest addycją
nukleofilową, a nie typową dla alkenów addycją elektrofilową, jak np. przyłączanie do C=C
cząsteczki halogenów (X-X), kwasów (H-X) i innych elektrofili.
W sprzę\
onych ketonach w wyniku sprzę\
enia dwóch wiązań Ą (C=O i C=C) w pozycji 4,
licząc od karbonylowego atomu tlenu, występuje deficyt elektronów i dlatego karboanion
powstały z acetylooctanu etylu przyłącza się do atomu węgla C4 but-3-en-2-onu.
1 .. -
1
O
:
O:
+
4 H2C
2
2
3
4
3
but-3-en-2-on
Reakcja zaczyna się od oderwania protonu z cząsteczki acetylooctanu etylu, utworzeniu
karboanionu, który się przyłącza do but-3-en-2-onu w miejscu największego deficytu elektronów
oznaczonym �+.
�
�
�
25
O O
O O
- H+
-
OEt
.. OEt
-
H H
OEt/EtOH
H
karboanion
acetylooctan
etylu 1 �-
O
�+
4 2
3
O O O O
- EtO-
OEt OEt
addukt
H H H
-
..
H H
EtOH
O O
3-karboetoksyheptano-2,6-dion
Stabilizowany mezomerycznie, ujemnie naładowany addukt przekształca się w obojętny produkt
przez przyłączenie protonu pochodzącego z rozpuszczalnika, albo z acetylooctanu etylu
(substratu), który w ten sposób zostaje przekształcony w karboanion zdolny do reakcji z kolejną
cząsteczką sprzę\
onego ketonu. Z tego powodu w reakcji Michaela wystarczają katalityczne
ilości alkoholanu  do zapoczątkowania reakcji.
Zadanie: przedstaw graniczne wzory mezomeryczne adduktu po przyłączeniu but-3-en-2-onu do karboanionu
powstałego z acetylooctanu etylu. Dlaczego ten karboanion nazywany jest jonem enolanowym?
O O
O O O O
-
O O OEt
OEt .. OEt
H H
H
-
+
OEt H
H
+
..
H
H H
jon enolanowy
O
O
acetylooctan 3-karboetoksy- (karboanion)
jon enolanowy
etylu hepta-2,6-dion
(karboanion)
Acetylooctan etylu w addycji Michaela pełni rolę donora Michaela (donora nukleofilowego), a
but-3-en-2-on rolę akceptora Michaela (akceptora elektrofilowego). Akceptor Michaela
powinien zawierać grupę elektroakceptorową (EWG) związaną z podwójnym wiązaniem.
EWG
-
akceptor
donor
Nu:
+ C
C
Michaela
Michaela
EWG: -CHO; -COR; -COOR; -CN; -NO2
Z powy\
szej informacji wynika, \
e akceptorami Michaela mogą być ró\
nego rodzaju związki.
Poni\
ej zostały podane najpopularniejsze ich przykłady.
H2C=CH-EWG - akceptory Michaela
grupa przykład wzór
ą,�
ą �
ą �-nienasycone aldehydy propenal H2C=CH-CHO
ą �
ą,�
ą �
ą �-nienasycone ketony but-3-en-2-on H2C=CH-CO-CH3
ą �
ą,�
ą �
ą �-nienasycone estry akrylan metylu H2C=CH-COOCH3
ą �
ą,�
ą �
ą �-nienasycone nitryle akrylonitryl H2C=CH-Ca"N
ą �
ą,�
ą �
ą �-nitroalkeny nitropropen H2C=CH-NO2
ą �
26
Równie\
donorami Michaela mogą być ró\
ne związki; powinny one zawierać dwa geminalne
atomy wodoru uaktywnione z dwóch stron przez grupy elektroakceptorowe (EWG). Poni\
ej
podane są przykłady takich związków.
EWG EWG
donory Michaela
H H
grupa przykład wzór
O O
acetylooctan etylu
�-oksoester -
�
�
�
.. OEt
O O
malonian dietylu
�-diester
�
�
�
-
EtO .. OEt
O O
acetyloaceton
�-diketon
�
�
�
-
..
O
�-cyjanooctan etylu
�
�
�
�-cyjanoester N C -
�
�
�
OEt
..
nitryl kwasu malonowego
�-dinitryl
�
�
�
C
N - C N
..
O
nitryl kwasu 3-okso-
�-oksonitryl
�
�
�
- C
N
butanowego
..
O
1-nitropropan-2-on
�-nitroketony
�
�
�
- NO2
..
Donorami Michaela mogą być równie\
enaminy i odczynniki Gilmana.
Przykłady reakcji addycji Michaela
O
O
EtO
C OEt O
-
OEt O
+ O
H2C CHCCH3
O
2-karboetoksycyklopentanon but-3-en-2-on 4-karboetoksy-4-(2-cyklopentanonylo)-butan-2-on
O O
O O
H2C CH COCH3
+
HC C COOEt EtO OEt
+
OEt
keton metylowo-
malonian dietylu
-winylowy
acetylooctan etynian etylu
-
OEt
-OEt
etylu
O O
O O
EtO OEt
OEt 1. H+/HOH
O
4-acetylopent-2-
COOH
-enodionian dietylu
2. ", - CO2
C
COOEt
O
kwas 5-oksyheksanowy
27
O O
H2C CH C N
H3C
O O +
EtO OEt
C CH COOEt
+
EtO OEt
akrylonitryl
H3C
malonian dietylu -
OEt
3-metylobut-2-enian etylu
malonian dietylu
-
OEt
O O
EtO OEt
1. H+/HOH
O O
HOOC COOH
2. ", - CO2
EtO OEt
(80%)
1. H+/HOH
C N
kwas pentanowy
HOOC COOH
cyjanoetylomalonian
(68%)
2. ", - CO2
C
dietylu
kwas 3,3-dimetylopentanowy
O
EtO
Akceptory Michaela reagują z nukleofilami w przeciwieństwie do niesprzę\
onych alkenów.
brak reakcji
CH3CH CH2 + NaCN
propen cyjanek sodu
O
NaCN
CH CH C +
1,3-difenyloprop-2-en-1-on
AcOH/EtOH
O
3-cyjano-1,3-dife-
CHCH2
C
nyloprop-1-en
CN
(93%)
Mechanizm powy\
szej reakcji jest identyczny jak addycji Michaela, za wyjątkiem tego, \
e nie
ma potrzeby wytwarzania karboanionu, gdy\
jon cyjankowy jest silnym nukleofilem i łatwo
przyłącza się do spolaryzowanego podwójnego wiązania.
..
-
:
:O
CHCH C
CN
O
:CN-
CH CH
C
..
:
O
-
1,3-difenyloprop-2-en-1-on
CHCH C
..
CN
H+
(z AcOH)
O
3-cyjano-1,3-dife- C
CHCH2
nyloprop-1-en
CN
Z akceptorami Michaela reaguje wiele innych nukleofili, jak np. tiole, aminy, anion bromkowy,
anion wodorkowy czy związki metaloorganiczne. Warto przypomnieć sobie, \
e te odczynniki
nukleofilowe są nieaktywne w stosunku do zwykłych alkenów.
28
Addycja tioli:
NaOMe
SH + H2C CHCOOMe
S CH2CH2COOMe
MeOH
2-propanotiol akrylan metylu 2-propylosulfanylopropanian metylu (97%)
MeO- /MeOH
CH3SH + CH2=CH-CN �ł�ł�ł�ł CH3S-CH2-CH2-CN
W ten sposób na skalę przemysłową otrzymuje się wa\
ny kodowany aminokwas egzogenny 
metioninę, dodawaną do pasz w celu podnoszenia ich wartości od\
ywczej.
CH3SH + CH2=CHCHO
CH3SCH2CH2CHO
3-metylotiopropanal
metanotiol akroleina
NH3, NH4Cl,
RT, 3 h
HCN
1. H+/HOH
CH3SCH2CH2CHCN
CH3SCH2CH2CHCOOH
2. NH3/HOH
NH2
NH2
metionina 1-amino-3-metylotiobutyronitryl
(97% w przeliczeniu na 3-metylopropanal)
Addycja amin:
..
H3C C CH CH
HN
H3C C CH2 CH
+
O
O N
..
1-fenylobut-1-en-3-on piperydyna
Addycja kwasów:
eter
CH2=CHCOOMe + HBr BrCH2CH2COOMe
akrylan metylu 3-bromopropanian metylu (94%)
Akceptorami Michaela mogą te\
być sprzę\
one alkiny, reagują one z donorami tak jak
sprzę\
one alkeny.
O O
O O
-
OEt
OEt
HC C COOEt +
OEt
MeOH
propynian etylu malonian dietylu (75%)
COOEt
Redukcja wodorkami, czyli addycja anionu wodorkowego
Anion wodorkowy reaguje inaczej z akceptorami Michaela ni\
typowe donory Michaela,
bowiem przyłącza się on do karbonylowego atomu węgla, a po hydrolizie tworzy się nienasycony
alkohol, czyli produkt addycji 1,2, nie jak w reakcji Michaela addycji 3,4.
29
O
OH
H
H+/HOH
(93%)
+ LiAlH4
CH3
CH3
3-metylocyklokeks-2-enon 1-metylo-3-hydroksycykloheksen
Akceptory Michaela reagują podobnie z silnie zasadowymi związkami metaloorganicznymi
typu RM i ze związkami Grignarda.
H3C O H3C OH
H+/HOH
C C C CH3+ PhLi C C C CH3
H3C H3C
4-metylopent-3-en-2-on fenylolit 4-fenylo-4-hydroksy-2-metylopent-2-en (89%)
Natomiast mniej zasadowe odczynniki Gilmana reagują jak donory Michaela przyłączając się w
sposób 3,4. Ró\
nice mo\
na zaprezentować na przykładzie reakcji związków Grignarda i
odczynników Gilmana z cykloheks-2-enonem.
OH
H3C
MeMgBr H+/HOH
O
3-metylo-3-hydroksy-
cykloheksen
O
H+/HOH
LiCuMe2
CH3
3-metylocykloheksanon
Słabo zasadowe nukleofile (np. odczynnik Gilmana) ulegają addycji 3,4 czyli addycji Michaela,
przy czym tworzą się związki karbonylowe zawierające nowy podstawnik w pozycji 4 do C=O.
Natomiast silnie zasadowe nukleofile (anion -H, związki metaloorganiczne typu RX, np. RLi i
związki Grignarda) przyłączają się do grupy karbonylowej sprzę\
onych związków
karbonylowych. Powstają w ten sposób nienasycone alkohole czyli produkty addycji
karbonylowej.
O
CH
R CH C R
H-Nu słaba zasada silna zasada H-Nu
OH
O
CH
R CH C R
CH
R CH2 C R
Nu
addycja 1,2
addycja 3,4
Nu
addycja Michaela addycja karbonylowa
Addycja silnych zasad jest nieodwracalna natomiast reakcja słabo zasadowych odczynników
nukleofilowych z akceptorami Michaela jest reakcją sterowaną termodynamicznie. Addycja
karbonylowa tych odczynników (do karbonylowego atomu C) jest odwracalna, natomiast
równocześnie biegnące przyłączenie ma charakter nieodwracalny. Poniewa\
te drugie są
30
termodynamicznie trwalsze, równowaga przesuwa się w ich kierunku i w rezultacie otrzymuje się
produkty addycji 3,4 jako główne.
O
CH
R CH C R
H-CN H-CN
O OH
CH CH
R CH2 C R R CH C R
addycja 3,4 addycja 1,2
CN
CN
Wy\
sza trwałość produktu addycji 3,4 wynika z większej energii wiązania grupy karbonylowej
C=O ni\
podwójnego wiązania C=C:
energia wiązania
C C
C O
611 kJ(146 kcal)/mol
732 kJ(175 kcal)/mol
Ró\
nice trwałości obu grup związków widać równie\
w porównaniu wartości ciepła tworzenia
("
"H0) aldehydu i nienasyconego alkoholu.
"
"
Ciepło tworzenia "
"H0
"
"
CH3-CH2-CH=O CH2=CH-CH2-OH
- 132 kJ(-31,6 kcal)/mol -192 kJ(-45,9 kcal)/mol
Reakcja Knovenagla  substytucja acylowa
Je\
eli akceptorem Michaela jest sprzę\
ony ester, reakcja addycji Michaela z donorami
Michaela biegnie w typowy sposób, natomiast z silnymi zasadami po przyłączeniu nukleofila
do karbonylowego atomu węgla następuje eliminacja alkoholu i powstaje acyloalken (-CONu 
acyl). Z tego względu reakcja nosi nazwę substytucji acylowej.
ester
O
CH
R CH C OR
H-Nu słaba zasada silna zasada H-Nu
O OH
CH CH
R CH2 C OR R CH C Nu
substytucja
addycja 3,4
Nu
+ ROH
acylowa
31
Reakcja Knovenagla jest często wykorzystywana w syntezie związków organicznych, słu\
y do
otrzymywania ą �-nienasyconych kwasów.
ą,�
ą �
ą �
H
CHO CH2(COOEt)2
COOEt
C
C
EtONa
COOEt
"
H+/HOH
H
COOH
C
C
kwas cynamonowy
(91%)
H
32