Кіріспе
Қышқылдан туындаған қосылыс. Химияда эфир – қышқылдан (органиқалық немесе органикалық емес) алынған қосылыс, онда осы қышқылдың кем дегенде бір қышқыл гидроксил тобының (–OH) сутек атомы органил тобымен (–R) алмастырылады. Басқа шалагендермен алмастырылған оттегінен туындаған аналогтар да эфирлер санатына жатады. Кейбір авторлардың пікірінше, басқа қышқылдардың қышқыл сутегінің органил туындылары да эфирлер болып табылады (мысалы, амидтер), бірақ IUPAC пікірінше – емес. Глицеридтер – глицериннің май қышқылдарымен түзілген эфирлері; олар биологияда маңызды, липидтердің негізгі кластарының бірі болып табылады және жануарлар майы мен өсімдік майының көп бөлігін құрайды. Лактондар – циклдік карбоксилдік эфирлер; табиғатта кездесетін лактондар көбінесе 5 және 6 мүшелі сақиналы лактондар болып табылады. Лактондар жемістердің, майдың, ірімшіктің, сельдерей және басқа да тағамдардың хош иісіне әсер етеді. Эстерлер оксоқышқылдардан (мысалы, сірке қышқылының, көмір қышқылының, күкірт қышқылының, фосфор қышқылының, азот қышқылының, ксантикалық қышқылының эфирлері) және оттегі жоқ қышқылдардан (мысалы, тиоциан қышқылының және тритиокарбон қышқылының эфирлері) да түзілуі мүмкін. Эстердің түзілуіне мысал ретінде карбоксил қышқылы (RCOOH) мен спирт (ROH) арасындағы алмастыру реакциясын келтіруге болады, нәтижесінде эстер (RCOOR') түзіледі, мұнда R – кез келген топ (әдетте сутек немесе органил), ал R' – органил тобы. Карбоксил қышқылдарының органил эфирлері көбінесе жағымды иіске ие; төмен молекулалық салмағы барлары парфюмерияда қолданылады және эфир майлары мен феромондарда кездеседі. Олар пластик, пластмасса, шайыр және лактар үшін жоғары сапалы еріткіштер болып табылады және коммерциялық нарықтағы синтетикалық майлау материалдарының ірі кластарының біріне жатады. Полиэстерлер – эфирлік байланыстармен қосылған мономерлерден тұратын маңызды пластиктер. Фосфор қышқылының эфирлері ДНК молекулаларының құрылымдық негізін құрайды. Азот қышқылының эфирлері, мысалы, нитроглицерин, жарылғыш қасиеттерімен белгілі. Осы мақалада аталған қышқылдардың қышқыл сутегін органилмен емес, басқа топпен алмастырған қосылыстар да бар. Кейбір авторлардың пікірінше, мұндай қосылыстар да эфирлер болып табылады, әсіресе егер органил тобының бірінші көміртегі атомы 14-топ элементтерінің (Si, Ge, Sn, Pb) атомымен алмастырылса; мысалы, олардың пікірінше, триметилстаннил ацетаты (немесе триметилтин ацетаты) CH3COOSn(CH3)3 – сірке қышқылының триметилстаннил эфирі, ал дибутильтин дилаураты (CH3(CH2)10COO)2Sn((CH2)3CH3)2 – лаурин қышқылының дибутилстаннил эфирі, ал Филлипс катализаторы CrO2(OSi(OCH3)3)2 – хром қышқылының (H2CrO4) триметоксисилил эфирі.
In chemistry, an ester is a compound derived from an acid (organic or inorganic) in which the hydrogen atom (H) of at least one acidic hydroxyl group (|\sOH) of that acid is replaced by an organyl group (|\sR). Analogues derived from oxygen replaced by other chalcogens belong to the ester category as well. According to some authors, organyl derivatives of acidic hydrogen of other acids are esters as well (e. g. amides), but not according to the IUPAC. Glycerides are fatty acid esters of glycerol; they are important in biology, being one of the main classes of lipids and comprising the bulk of animal fats and vegetable oils. Lactones are cyclic carboxylic esters; naturally occurring lactones are mainly 5 and 6 membered ring lactones. Lactones contribute to the aroma of fruits, butter, cheese, vegetables like celery and other foods. Esters can be formed from oxoacids (e. g. esters of acetic acid, carbonic acid, sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, xanthic acid), but also from acids that do not contain oxygen (e. g. esters of thiocyanic acid and trithiocarbonic acid). An example of an ester formation is the substitution reaction between a carboxylic acid (|R\sC(\dO)\sOH) and an alcohol (|R'\sOH), forming an ester (|R\sC(\dO)\sO\sR'), where R stands for any group (typically hydrogen or organyl) and R stands for organyl group. Organyl esters of carboxylic acids typically have a pleasant smell; those of low molecular weight are commonly used as fragrances and are found in essential oils and pheromones. They perform as high grade solvents for a broad array of plastics, plasticizers, resins, and lacquers, and are one of the largest classes of synthetic lubricants on the commercial market. Polyesters are important plastics, with monomers linked by ester moieties. Esters of phosphoric acid form the backbone of DNA molecules. Esters of nitric acid, such as nitroglycerin, are known for their explosive properties. There are compounds in which an acidic hydrogen of acids mentioned in this article are not replaced by an organyl, but by some other group. According to some authors, those compounds are esters as well, especially when the first carbon atom of the organyl group replacing acidic hydrogen, is replaced by another atom from the group 14 elements (Si, Ge, Sn, Pb); for example, according to them, trimethylstannyl acetate (or trimethyltin acetate) |CH3COOSn(CH3)3 is a trimethylstannyl ester of acetic acid, and dibutyltin dilaurate |(CH3(CH2)10COO)2Sn((CH2)3CH3)2 is a dibutylstannylene ester of lauric acid, and the Phillips catalyst |CrO2(OSi(OCH3)3)2 is a trimethoxysilyl ester of chromic acid (|H2CrO4).
Этимология
Эстер сөзін 1848 жылы неміс химигі Леопольд Гмелин ойлап тапқан, бұл сөз неміс тіліндегі Essigäther, "сірке эфирі" деген сөздің қысқартылған түрі болуы мүмкін.
IUPAC номенклатурасы
Спирт пен қышқылдан түзілген эфирлердің атаулары бастапқы спирт пен бастапқы қышқылдан алынады, соңғысы органикалық немесе органикалық емес болуы мүмкін. Ең қарапайым карбоксил қышқылдарынан алынған эфирлер көбінесе дәстүрлі, «тривиальды атаулар» деп аталады, мысалы, формат, ацетат, пропионат және бутират, IUPAC номенклатурасының метаноат, этаноат, пропаноат және бутаноаттарына қарамастан. Ал күрделі карбоксил қышқылдарынан алынған эфирлер көбінесе жүйелі IUPAC атауымен аталады, ол қышқылдың атауынан кейін «оат» жұрнағы қосылып жасалады. Мысалы, гексил октаноат эфирі, сондай-ақ тривиальды гексил каприлат атымен белгілі, |CH3(CH2)6CO2(CH2)5CH3 формуласына ие. Карбоксил қышқылдары мен спирттерден түзілген органикалық эфирлердің химиялық формулалары әдетте |RCO2R' немесе RCOOR' түрінде болады, мұнда R және R' сәйкесінше карбоксил қышқылы мен спирттің органил бөліктері, ал R құмырсқа қышқылының эфирлері үшін сутек болуы мүмкін. Мысалы, бутил ацетаты (жүйелі атауы бутил этаноат), бутанол мен уксус қышқылынан (жүйелі атауы этано қышқылы) алынған, |CH3CO2(CH2)3CH3 деп жазылады. BuOAc және |CH3COO(CH2)3CH3 сияқты басқа да нұсқалар жиі қолданылады. Циклдік эфирлер лактондар деп аталады, олар органикалық немесе органикалық емес қышқылдан алынғандығына қарамастан. Органикалық лактонның бір мысалы – γ валеролактоны.
Ортостестер
Эстерлердің сирек кездесетін классы – ортоэстерлер. Олардың бірі – ортокарбон қышқылдарының эфирлері. Бұл эфирлердің формуласы RC(OR')₃, мұнда R кез келген топты (органикалық немесе органикалық емес) білдіреді, ал R' – органил топты білдіреді. Мысалы, триэтил ортоформаты HC(OCH₂CH₃)₃ ортоформа қышқылы HC(OH)₃ этанолмен этерификациясынан алынған (аты бойынша емес, синтезі бойынша).
Құрылымы мен жабысуы
Карбоксил қышқылдары мен спирттерден алынған эфирлер C=O карбонил тобын қамтиды, бұл С атомында C–C–O және O–C–O бұрыштарын тудыратын еківалентті топ. Амидтерден өзгеше, карбоксил қышқылының эфирлері құрылымдық тұрғыдан икемді функционалдық топтар болып табылады, себебі C–O–C байланыстарының айналуына кедергі аз. Олардың икемділігі мен төменгі полярлығы физикалық қасиеттерінде көрінеді; олар тиісті амидтерге қарағанда аз қатты (төмен балқу температурасы) және көбірек ұшқыш (төмен қайнау температурасы) болады. Карбоксил қышқылы эфирлеріндегі альфа-сутектердің pKa шамамен 25-ке тең (альфа-сутек – карбоксилат эфирлерінің карбонил тобына (C=O) іргелес жатқан көміртекке байланысқан сутек). Көптеген карбоксил қышқылы эфирлері конформациялық изомерлікке бейім, бірақ гиперконъюгация және дипольдік азайту эффектілерінің нәтижесінде S транс (немесе E) нұсқасына қарағанда S цис (немесе Z) конформациясын қабылдауға көбірек бейім. Z конформациясын таңдауға топтардың табиғаты және еріткіштің болуы әсер етеді. Кішкентай циклды лактондар циклдік құрылысының есебінен s транс (яғни E) конформациясымен шектеледі.
Физикалық қасиеттері мен сипаттамалары
Карбоксил қышқылдары мен спирттерден алынған эстерлер эфирлерге қарағанда полюсті, бірақ спирттерге қарағанда полюстігі аз. Олар сутекті байланыстарды қабылдаушы ретінде қатыстырады, бірақ өздері сутекті байланыс доноры бола алмайды, ата-ана спирттерден өзгеше. Осы сутекті байланысқа қатысу қабілеті суға ерігіштікке әкеледі. Сутекті байланыс доноры бола алмағандықтан, эстерлер өздігінен бірігіп тұрмайды. Соның салдарынан, эстерлер ұқсас молекулалық салмақтағы карбоксил қышқылдарынан гөрі көбірек ұшқыш. Эстерлер алма, дуриан, алмұрт, банан, ананас және құлпынай сияқты көптеген жемістердің хош иісі үшін жауапты. Жыл сайын бірнеше миллиард килограмм полиэстер өндіріледі, оның маңызды өнімдері – полиэтилентерефталат, акрилат эстерлері және целлюлоза ацетаты.
Дайындық
Эстерификация – екі реактивтің (әдетте спирт пен қышқыл) өзара әрекеттесу нәтижесінде эфир түзілетін химиялық реакцияның жалпы атауы. Эстерлер органикалық химияда және биологиялық материалдарда кең таралған, көбінесе жағымды, жемісті хош иіске ие. Осының салдарынан олар хош иіс және дәмдік өнімдер индустриясында кеңінен қолданылады. Эстерлік байланыстар көптеген полимерлер құрамында да кездеседі.
Алдегидтерден
Тищенко реакциясы сусыз негіздің қатысуымен альдегидтің эфирге айналуы үшін диспропорциялануын қамтиды. Катализаторлар алюминий алкоксидтері немесе натрий алкоксидтері болып табылады. Бензальдегид натрий бензилоксидімен (натрий және бензил спиртінен жасалған) реакцияласып, бензил бензоатты түзеді. Бұл әдіс ацетальдегидтен этил ацетатын өндіруде қолданылады. Алкендердің озонолизі тұз қышқылы және әртүрлі спирттердің қатысуымен жүргізіледі. Метилкетонның анодтық тотығуы метил эфирлеріне алып келеді. Интерестерификация әртүрлі эфирлердің май қышқыл тобын алмастыруды жүзеге асырады.
Реакциялар
Эстерлер карбонил көміртегінде нуклеофилдермен әрекеттеседі. Карбонил әлсіз электрофилді, бірақ күшті нуклеофилдер (аминдер, алкоксидтер, гидрид көздері, органолитий қосылыстары сияқты) оған шабуыл жасайды. Карбонилге жақын орналасқан C–H байланыстары әлсіз қышқылды, бірақ күшті негіздермен депротондалуға ұшырайды. Осы процесс әдетте конденсация реакцияларын бастайды. Эстердегі карбонил оттегі әлсіз негіздік, амидтердегі карбонил оттегінен кем, себебі амидтердегі азоттан электрон жұбының резонанстық берілуі, бірақ аддуктар түзеді.
Клейзен конденсациясы және оған байланысты реакциялар
Алдегидтерге келетін болсақ, эстерлерде карбоксил тобына ("α-ға") жақын орналасқан көміртегі атомдарындағы сутек атомдары депротондалуға жеткілікті қышқылды, бұл өз кезегінде түрлі пайдалы реакцияларға алып келеді. Депротондалу үшін алкоксидтар сияқты салыстырмалы түрде күшті негіздер қажет. Депротондалу нәтижесінде нуклеофильді энолят пайда болады, ол одан әрі реакцияға түсе алады, мысалы, Клайзен конденсациясы және оның ішкі молекулалық түрі, Дикман конденсациясы. Бұл түрлену малоновый эфир синтезінде қолданылады, онда малоновый қышқылдың диэстері электрофилмен (мысалы, алкил галогенімен) әрекеттеседі, содан кейін декарбоксилдендіріледі. Тағы бір нұсқасы – Фратер-Зеебах алкилдеуі.
Қорғау топтары
Эстерлер класы карбоксил қышқылдары үшін қорғаныс топтарының ролін атқарады. Карбоксил қышқылын қорғау пептид синтезінде маңызды, өйткені бұл екі функционалды топты аминқышқылының өзара әрекеттесуіне жол бермейді. Көптеген аминқышқылы үшін метил және этил эфирлері қолжетімді, ал t-бутил эфирі көбінесе қымбатқа түседі. Дегенмен, t-бутил эфирлері ерекше пайдалы, себебі күшті қышқылдық ортада t-бутил эфирлері карбоксил қышқылы мен изобутиленге ыдырайды, бұл процестің аяқталуын жеңілдетеді.
Қауіптер
Эстерлер күшті тотықтырғыш қышқылдармен әрекеттеседі, бұл эстерлер мен реакция өнімдерін тұтандыруға жеткілікті экзотермиялық реакцияны тудыруы мүмкін. Эстерлердің сілтілік ерітінділермен өзара әрекеттесуі кезінде де жылу пайда болады. Эстерлерді сілті металдарымен және иондық гидридтермен араластырғанда өте жанғыш сутегі газы бөлінеді.