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.

{\ce {R-C(O)OH\ +\ HO-R'\ ->\ R-C(O)-O-R'\ +\ H2O}}

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:

{\ce {CH3-C(O)OH\ +\ HO-C2H5\ ->\ CH3-C(O)-O-C2H5\ +\ H2O}}

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		limoen
Ethylmethanoaat	Ethylmethanoaat	74,08		rum
Ethylmethanoaat	Ethylmethanoaat	74,08		aardbei
Ethylacetaat	Ethylethanoaat	88,12		opolosmiddel
Ethylacetaat	Ethylethanoaat	88,12		verf
Ethylacetaat	Ethylethanoaat	88,12		lijm
Ethylpropioaat	Ethylpropanoaat	102,13		ananas
Isobutylmethanoaat	Ester van 2-methylpropaan-1-ol en methaanzuur	102,13		framboos
Ethylbutyraat	Ethylbutanoaat	116,16		banaan
Ethylbutyraat	Ethylbutanoaat	116,16		ananas
Ethylbutyraat	Ethylbutanoaat	116,16		aardbei
Isobutylacetaat	Ester van 2-methylpropaan-1-ol en ethaanzuur	116,16		aardbei
Isobutylacetaat	Ester van 2-methylpropaan-1-ol en ethaanzuur	116,16		framboos
Isobutylacetaat	Ester van 2-methylpropaan-1-ol en ethaanzuur	116,16		kers
Ethylisovaleraat	Ester van ethanol en 3-methylbutaanzuur	130,18		appel
Ethylvaleraat	Ethylpentanoaat	130,18		appel
Pentylacetaat	Pentylethanoaat	130,18		Peer
Pentylacetaat	pentylethanoaat	130,18		appel
Ethylhexanoaat		144,21		aardbei
Propeen-3-ylhexanoaat	156,22		Ester van propeen-3-ol en hexaanzuur	ananas
Ethylheptanoaat		158,27		abrikoos
Ethylheptanoaat		158,27		kers
Ethylheptanoaat		158,27		druif
Ethylheptanoaat		158,27		framboos
Ethylcinnamaat	ester van ethanol en 3-fenylpropeenzuur	176,21		kaneel
Ethylnonanoaat		186,29		druif
Bornylacetaat	Ester van borneol en ethaanzuur	196,22		dennengeur
Geranylacetaat	Ester van geraniol en ethaanzuur	196,29		pelargonium
Geranylbutyraat	Ester van geraniol en butaanzuur	224,34		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 alkanolen en carbonzuren, waarbij naast de ester ook water ontstaat:

{\ce {R-C(O)OH\ +\ HO-R'\ ->\ R-C(O)-O-R'\ +\ H2O}}

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 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.

{\ce {CH3C(O)OC4H9\ +\ H2O\ ->\ CH3COOH\ +\ C4H9OH}}

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:

{\ce {C6H5C(O)OC3\ +\ C8H17OH\ ->\ C6H5C(O)OC8H17\ +\ CH3OH}}

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.