Естерификация на Фишер

Да помислим какво може да се случи, ако имаме разтвор на тази карбоксилна киселина тук. Можем също да я именуваме, само за да се упражним. Имаме един, два, три, четири, пет, шест, седем въглерода. Т.е. това е хептан-, и не пишем просто хептан, защото това е карбоксилна киселина. Тя е хептанова киселина. И така, нека видим какво се случва, ако хептановата киселина взаимодейства със... тук има един, два въглерода, има OH-група, т.е. това е етанол. Ето какво прави OH-групата. Тя превръща това в алкохол. Това става в присъствието на катализатор сярна киселина. Това е сярна киселина, една от по-силните киселини. Всъщност ще покажа същинската ѝ структура, защото винаги ми се струва разочароващ факта, че хората пишат формулата без истинската структура, докато структурата всъщност показва защо това вещество е толкова силно. Сярата има шест валентни електрона, точно като кислорода. И така, налице е двойна връзка към този кислороден атом, още една двойна връзка към този кислороден атом, и има единична връзка към едната OH-група, и друга единична връзка към другата OH-група. И забележи, има един, два, три, четири, пет, шест валентни електрона. Причината това да е толкова силна киселина, се крие в това, че ако който и да е от тези атоми кислород вземе електрон от този водород, което е равносилно, че протонът се отделя в разтвора, и тук има огромно количество резонансни структури. Може би ще направя един цял клип за сярната киселина, само за да ти покажа всички резонасни структури. Но в общи линии, когато и да видим дадена реакция, за която се казва че е катализирана от киселина, всичко, което трябва да направим, е да осъзнаем, че това ще превърне разтвора наоколо в още по-киселинен, хиляди пъти по-киселинен. Може би при нас е налице разтвор на етанол, и ако имаме такъв разтвор, в него ще са добавени протони към самия етанол. Т.е., можеш да си представиш тоя приятел тук. Ще напиша сярната киселина малко по-различно. Ще покажа тези кислород-водородни връзки, така че имаме този кислород, и той е свързан с един водород тук. И те се носят из разтвора. Знаем, че етанолът изглежда така, т.е. има два въглерода, след това има връзка с кислород, и този кислород е свързан с един водород. Кислородът има две несподелени електронни двойки, ето така. И този приятел наистина е добър в това да се отървава от протоните. И е налице ситуация, в която този електрон може да се върне обратно при този кислород, и след това да премине тук, и така се получават тези резонансни структури. Но той просто е и много добър в привличането на този електрон. И това може да се случи в съвсем същото време, в което една от молекулите етанол присъедини водородния протон, точно когато този кислород улавя този водороден протон. И ако само погледнеш тази част тук, това ще доведе до резултата само тази част тези протонирани молекули етанол да се плуват наоколо. Всъщност нека го покажа тук. Искам да съм сигурен, че използвам мястото на екрана наистина добре. Така, тук ще са налице хиляди от тези протонирани молекули етанол. Ето, един, два въглерода, налице е и този първоначален водород тук. Но сега той има един електрон от тази съществуваща от началото двойка, и е отдал другия електрон на този водород, т.е. отдал е другия електрон на това водородно ядро. Нека го оцветя в същия цвят. Отдаде един електрон, така че сега то е с положителен заряд. И сега, това което беше сярна киселина, има отрицателен заряд тук. И ако трябва да го изобразя, сега ще изглежда така. Сяра плюс, две двойни връзки, два кислорода. Все още я има тази OH-група. Всъщност, тя още може да отдава, все още е киселинна. Но сега този кислород в момента получи един електрон. Той сега е с отрицателен заряд. Причината да направя това е, че исках да ти дам една ясна представа за това как изглежда сярната киселина и защо е толкова силна. Но наистина, трябва някак да приемем това, че просто ще имаме куп водородни протони, плуващи наоколо. Те могат да се прикрепят към молекула етанол. Ако това е воден разтвор, би се образувал хидроний, т.е. налице е куп водородни протони, носещи се наоколо, които ще катализират тази реакция. Те ще бъдат употребени за улесняване на реакцията, която разглеждаме, след което ще бъдат освободени. И така, да се надяваме, че това тук, имайки предвид и това тук, ако започна да добавям и тези протонирани молекули етанол в нашата реакция, за това не е нужно чак голямо въображение, защото те щяха да са присъединили протони от сярната киселина. Или ако само взема протоните в нашата реакция, това всъщност би направило всичко малко по-просто. И така, нека започнем с конкретната реакция. Нека отново покажа хептановата киселина. Имам един, два, три, четири, пет, шест, седем въглеродни атома, двойна връзка при кислорода, и имаме OH– група тук. И така, първата стъпка в тази реакция е: този кислород тук, всички тези протони, носещи се наоколо, доста киселинна среда. Имаме сярна киселина, която отдава протони на етанола или други вещества. Така този приятел може да отнеме протон или директно от сярната киселина или може би от един от протонираните етаноли, от едното от двете. Можем да го представим така. Той просто грабва един водороден протон. Водородният протон може да е бил свързан с един електрон, който по-късно ще се свърже със сярната киселина, но за да опростим малко нещата, ще кажа, че той взема един протон от нещо друго. И веднъж взел този протон, той изглежда така. Ще покажа моите един, два, три, четири, пет, шест, седем въглерода, двойната връзка към кислорода, единична връзка към OH. Този кислород имаше две несподелени електронни двойки, но сега една от тях е разделена, защото единият електрон е отишъл при този водороден протон тук. Водородният протон, който беше с положителен заряд, получи един електрон. Сега е неутрален. Но този кислород тук е отдал електрон, поради което сега зарядът му е положителен. Следващата стъпка: налице е всичкият този етанол, който се носи наоколо. Ще добавя тук етанол, ще го направя с различен цвят. И така, този етанол се носи наоколо, и тук има един, два въглерода. Това е нашият етанол. Този кислород има две несподелени електронни двойки. И можем да си представим, най-вече защото това сега е хубава напускаща група, можем да си представим, че тя действа като нуклеофил. Той би направил нуклеофилна атака на този карбонилен въглерод тук. Можем да си представим, че този електрон атакува, или бива отдаден на този въглерод тук при карбонила . И точно по същото време, по което това се случва, този кислород е положително зареден. Той иска един електрон. Иска отново да е неутрален. Той вече притегля тези електрони. Ето защо имаме частичен положителен заряд при този въглерод. И по тази причина този приятел може да бъде привлечен от това. Виждали сме това в Sn2-реакции много, много, много, много пъти вече. Така този електрон ще бъде привлечен от този кислород тук горе. И след като това се случи, как изглежда нашата новосформирана молекула? Нека отида малко по-надолу и се добера до повече чисто място. След това нашата нова молекула ще изглежда така. Имаме два, три, четири, пет, шест, седем, въглерода, които трябва да достигнат до карбонилния въглерод, и сега ще е налице единична връзка към онзи кислород там. Той вече има една несподелена електронна двойка. Тя има тази връзка с този водород, който привлече от разтвора, и сега има още една двойка. При нея е този електрон, който е участвал в двойна връзка с този карбонилен въглерод, но сега се има предвид другата страна на тази връзка отзад. Сега е налице онзи електрон, както и този, привлечен от въглерода, така че пак има две несподелени двойки. Имаше положителен заряд, но сега един електрон е възвърнат и той е неутрален. В останалата част от молекулата имаме OH група ето тук. Имаме тази OH група ето там. И сега е налице истинският етанол, който се е свързал тук, така че вече не е етанол. Прикрепил се е към тази по-голяма молекула. И този кислород тук, той още разполага с една несподелена двойка, но другата такава двойка се е разделила и единият електрон е при този въглерод. Сега той е свързан към по-голямата молекула и останалата част от нея... имаме тези един, два въглерода тук и после този водород. Следващата стъпка: спомни си, че имаме цял куп протони, които се носят наоколо. Този кислород... Всъщност по-добре да го изясня. Всички тези реакции са обратими, и всъщност не трябваше да правя еднопосочни стрелки тук. Нека го изтрия. Всъщност ще го изтрия. По-добре вместо да чертая тези еднопосочни стрелки, ще покажа, че реакцията всъщност протича в двете посоки. Едно и също да тръгнем от тук натам или от там насам. Нека го напиша. Тези реакции са в равновесие. И можем да си представим, че следващото, което вероятно ще се случи, е друг кислород да сграбчи един протон от средата. И всъщност, преди да го направя, нека се уверя, че този приятел може да изгуби един протон към средата. Всъщност, този приятел може да вземе протона от този приятел, но няма да да го направя по този начин. Можем да си представим ситуация, в която този протон просто изскача. Трябваше да го дам за пример. Този приятел е отдал един електрон на този карбонилен въглерод. Т.е., това тук е с положителен заряд. Като цяло, кислородът, който е с висока електроотрицателност, ще поглъща електрона на този въглерод, така че той може да ги отнесе. До тук спечелихме един протон, а сега можем да върнем един протон. Този електрон тук може да се върне при този кислород, правейки го неутрален. И протонът може да бъде избран от каквото и да е. Може да бъде погълнат от друга молекула хептанова киселина при първото протониране, което видяхме. Може да бъде взет от друга молекула етанол. Нека го изобразя така. Нека покажа как го взема друга молекула етанол. Така той бива изхвърлен обратно в разтвора. И този приятел отдава електрон на протона, но крайният резултат е това, което водородът оставя. Електронът се връща при кислорода. Сега той е с неутрален заряд. И още веднъж, всички тези реакции са обратими. Може да протече и реакция в обратна посока. Но сега сме тук, и нека пак препиша хептановата киселина. Две, три, четири, пет, шест, седем единични връзки към кислорода, единична връзка към тази OH-група. А сега имаме тази връзка ето тук към тази, депротонирана... това, което беше етанол, и тук имаме O, и имаме и един, два въглерода, ето така. А този приятел има и водород, прикрепен към себе си. И сега няма дори да се тревожа с писането на протонирания етанол. Протоните се реят навсякъде наоколо. Сега в следващата стъпка този приятел, тази OH-група, и най-вече кислородът в нея, той може да отнеме един протон от заобикалящия разтвор. И така, това са тези две несподелени електронни двойки. Кислородът може да отнеме един протон от тези протонирани етаноли в сярната киселина, или може би от една от тези други междинни молекули, отвсякъде. Това е причината за наличието на киселинен катализатор, за да може той да отдаде един електрон на някой протон и така да сформира връзка с него. Ще го запазя в този цвят. И ако това се случи, следващата стъпка в реакцията ни – запомни, тези реакции всичките могат да протичат в двете посоки. Следващата стъпка в реакцията ни ще изглежда по следния начин. Ще са налице един, два, три, четири, пет, шест, седем въглерода, единична връзка към кислорода, единична връзка към ОН после имаме връзката с този кислород, който е свързан с два въглерода, един, два въглерода, ето така. И този приятел на върха е свързан с един кислород. Той има две несподелени електронни двойки. Този тук е отнел един протон. Той е отдал един електрон на един водороден протон. Имал е два, но вече е отдал единия от тях на този протон. И така, отдал го е на този водород. Сега този водород е неутрален. Спечелил е един електрон. Този кислород сега е положителен, защото е отдал един електрон. Той все още има тази несподелена електронна двойка тук. Той е положителен, и откровено казано, сега това е една добра напускаща група. Така в следващата стъпка може да дойде някой друг. Спомни си, други също се нуждаят от протони по-рано в тази реакция. Така този протон може да бъде изгубен, вероятно от някоя от другите етанолови молекули, така че нека изобразя това. Нека го направя с цвят, който още не съм използвал. Ще използвам оранжево. И да кажем, че една от другите етанолови молекули, или това е един от другите посредници в цялата тази рекация. Значи етанолът, ще го покажа, защото е по-лесен за изобразяване. Той може да отдаде един електрон на това оголено водородно ядро. И тогава този приятел може да си вземе електрона обратно. Този приятел може да си вземе водородния електрон обратно и да ги отдаде на този въглерод, който беше карбонилният въглерод, споменат преди няколко стъпки. И след като е получил този електрон, той може да върне този електрон на тази група, която беше OH-група, но сега тук има друг водород, така че той може да го върне обратно на него. И тогава получените продукти ще изглеждат така. Всичко това е в равновесие. Сега имаме един, два, три, четири, пет, шест, седем въглерода. Сега този приятел пак разполага с двойна връзка. Т.е. тук имаме един кислород. Сега е двойна връзката. Ще оцветя тази новосформирана двойна връзка в пурпурно. Този приятел е отделен като вода, така че мога само да покажа това, и имаме тази друга OH-група, която е свързана с този водород тук. Той сега се е отделил под формата на вода. И сега е налице това другото тук. Сега имаме това, което беше етанолова група, която сега се е свързала. Този етанол е изгубил водорода си, прикрепил се е към това, което беше карбоксилна киселина, и сега изглежда така. Сега е свързан с кислорода, и с един, два въглерода, ето така. И цялата тази реакция, която ти показах, се нарича естерификация, една от онези думи, които произнасям доста трудно. Тази конкретно се нарича естерификация по Фишер. Фишер печели Нобелова награда през 1902 основно за работата си по органична химия. Това е естерификация по Фишер. Причината за това название е това, че започнахме с карбоксилната киселина. Започнахме с хептанова киселина, а сега имаме естер. Естерът е нещо, което, вместо OH-група като в карбоксилната киселина, има OR. Налице е кислород с една алкилова група, прикрепена към него. И този естер тук, вероятно ще говорим повече за естерите в клиповете занапред, този естер тук, само за да ти подскажа как да го именуваме: най-напред се започва с групата, която е прикрепена към този кислород тук. Там са налице два въглерода, и ще използваме думата "етил" за название на тази част там. Следва останалата част от това, и вече знаем, че това са едно, две, три, четири, пет, шест, седем въглерода, включително въглерода в карбонилната група. Така това е хепта-, хептан. И ще се изкушиш да я наречеш хептанова киселина, но това вече не е карбоксилна киселина. Сега това е естер. И затова се нарича хептаноат. И това всъщност ни казва,че си имаме работа с естер. То също ни казва какво имаме от другата страна на кислорода в естера. Узнаваме и колко въглерода сме прикрепили към карбонилната верига на разглеждания естер. Както и да е, вярвам, че това ти е било полезно. Исках само да те запозная с механизма на една добре позната реакция, чрез която се получава естер от дадена карбоксилна киселина.