La esterificación de Fischer o esterificación de Fischer-Speier es un tipo especial de esterificación mediante el reflujo de un ácido carboxílico y un alcohol en presencia de un catalizador ácido . La reacción fue descrita por primera vez por Emil Fischer y Arthur Speier en 1895. [1] La mayoría de los ácidos carboxílicos son adecuados para la reacción, pero el alcohol generalmente debe ser primario o secundario. Los alcoholes terciarios son propensos a la eliminación . Contrariamente a la idea errónea común que se encuentra en los libros de texto de química orgánica, los fenoles también se pueden esterificar para dar un rendimiento de productos bueno o casi cuantitativo. [2] [3] Los catalizadores comúnmente utilizados para una esterificación de Fischer incluyen ácido sulfúrico , ácido p -toluenosulfónico y ácidos de Lewis como el triflato de escandio (III) . Para sustratos más valiosos o sensibles (por ejemplo, biomateriales ) se utilizan otros procedimientos más suaves, como la esterificación de Steglich . La reacción a menudo se lleva a cabo sin un solvente (particularmente cuando se usa un gran exceso de reactivo de alcohol) o en un solvente no polar (p. ej., tolueno , hexano ) que puede facilitar la destilación de Dean-Stark para eliminar el subproducto de agua. [4] Los tiempos de reacción típicos varían de 1 a 10 horas a temperaturas de 60 a 110 °C.
Se prefieren las acilaciones directas de alcoholes con ácidos carboxílicos a las acilaciones con anhídridos (pobre economía atómica de la reacción) o cloruros de ácido (reactivos sensibles a la humedad). La principal desventaja de la acilación directa es el equilibrio químico desfavorable que debe remediarse (por ejemplo, mediante un gran exceso de uno de los reactivos), o mediante la eliminación de agua (por ejemplo, utilizando destilación Dean-Stark o incluyendo un agente desecante como el anhidro). sales, [5] tamices moleculares , o una gran cantidad de ciertos ácidos como catalizador en la mezcla de reacción).
La esterificación de Fischer es un ejemplo de sustitución de acilo nucleófilo basada en la electrofilicidad del carbono carbonilo y la nucleofilicidad de un alcohol. Sin embargo, los ácidos carboxílicos tienden a ser menos reactivos que los ésteres como electrófilos. Además, en soluciones neutras diluidas tienden a ser aniones desprotonados (y, por tanto, no reactivos como electrófilos). Aunque cinéticamente son muy lentos sin ningún catalizador (la mayoría de los ésteres son metaestables ), los ésteres puros tenderán a hidrolizarse espontáneamente en presencia de agua, por lo que cuando se llevan a cabo "sin ayuda", los altos rendimientos para esta reacción son bastante desfavorables.
Se pueden tomar varias medidas para convertir esta reacción desfavorable en una favorable. [4]
El mecanismo de reacción para esta reacción tiene varios pasos:
A continuación se muestra un mecanismo genérico para una esterificación ácida de Fischer.
Las principales ventajas de la esterificación de Fischer en comparación con otros procesos de esterificación se basan en su relativa simplicidad. Se pueden utilizar condiciones ácidas sencillas si los grupos funcionales sensibles a los ácidos no son un problema; se puede utilizar ácido sulfúrico; Se pueden utilizar ácidos más débiles con la desventaja de tiempos de reacción más largos. Debido a que los reactivos utilizados son "directos", hay menos impacto ambiental en términos de productos de desecho y nocividad de los reactivos. Los haluros de alquilo son potenciales gases de efecto invernadero o agotadores de la capa de ozono , carcinógenos y posibles venenos ecológicos. Los cloruros de ácido desprenden gas cloruro de hidrógeno al entrar en contacto con la humedad atmosférica, son corrosivos, reaccionan vigorosamente con el agua y otros nucleófilos (a veces peligrosamente); son fácilmente apagados por otros nucleófilos además del alcohol deseado; sus rutas de síntesis más comunes implican el desprendimiento de gases tóxicos de monóxido de carbono o dióxido de azufre (según el proceso de síntesis utilizado).
Los anhídridos de ácido son más reactivos que los ésteres porque el grupo saliente es un anión carboxilato , un mejor grupo saliente que un anión alcóxido porque su carga negativa está más deslocalizada. Sin embargo, estas rutas generalmente dan como resultado una mala economía atómica . Por ejemplo, al hacer reaccionar etanol con anhídrido acético , se forma acetato de etilo y se elimina ácido acético como grupo saliente, que es considerablemente menos reactivo que un anhídrido ácido y quedará como subproducto (en una proporción desperdiciadora de 1:1 con el éster). producto) si el producto se recoge inmediatamente. Si las condiciones son lo suficientemente ácidas, el ácido acético puede reaccionar aún más a través de la vía de esterificación de Fischer, pero a un ritmo mucho más lento. Sin embargo, en muchas síntesis cuidadosamente diseñadas, los reactivos se pueden diseñar de manera que se generen anhídridos de ácido in situ y se reactiven los subproductos del ácido carboxílico, y las rutas de esterificación de Fischer no son necesariamente mutuamente excluyentes con las rutas de anhídrido acético. Ejemplos de esto [ contradictorio ] incluyen el experimento común de laboratorio orgánico de estudiantes universitarios que involucra la acetilación de ácido salicílico para producir aspirina .
La esterificación de Fischer es principalmente un proceso controlado termodinámicamente : debido a su lentitud, el éster más estable tiende a ser el producto principal. Esto puede ser una característica deseable si hay múltiples sitios de reacción y ésteres de productos secundarios que deben evitarse. Por el contrario, las reacciones rápidas que involucran anhídridos o cloruros de ácido a menudo están controladas cinéticamente .
Las principales desventajas de las rutas de esterificación de Fischer son su reversibilidad termodinámica y velocidades de reacción relativamente lentas, a menudo en una escala de varias horas a años, dependiendo de las condiciones de reacción. Las soluciones alternativas a esto pueden resultar inconvenientes si hay otros grupos funcionales sensibles a los ácidos fuertes, en cuyo caso se pueden elegir otros ácidos catalíticos. Si el éster del producto tiene un punto de ebullición más bajo que el agua o los reactivos, el producto puede destilarse en lugar de agua; esto es común ya que los ésteres sin grupos funcionales próticos tienden a tener puntos de ebullición más bajos que sus reactivos originales próticos. La purificación y la extracción son más fáciles si el producto éster se puede separar por destilación de los reactivos y subproductos, pero la velocidad de reacción se puede reducir porque la temperatura general de la reacción puede ser limitada en este escenario. Un escenario más inconveniente es si los reactivos tienen un punto de ebullición más bajo que el producto éster o el agua, en cuyo caso la mezcla de reacción debe taparse [ se necesita clarificación ] y refluir y agregar un gran exceso de material de partida. En este caso, también se pueden añadir sales anhidras, como sulfato de cobre (II) o pirosulfato de potasio , para secuestrar el agua formando hidratos , desplazando el equilibrio hacia productos éster. [5] La mezcla de reacción que contiene el producto puede luego decantarse o filtrarse para eliminar el agente secante antes del tratamiento final .
La esterificación natural que tiene lugar en los vinos y otras bebidas alcohólicas durante el proceso de envejecimiento es un ejemplo de esterificación catalizada por ácido. Con el tiempo, la acidez del ácido acético y los taninos en un vino envejecido protonará catalíticamente otros ácidos orgánicos (incluido el propio ácido acético), lo que alentará al etanol a reaccionar como un nucleófilo. Como resultado, el acetato de etilo (el éster del etanol y el ácido acético) es el éster más abundante en los vinos. Otras combinaciones de alcoholes orgánicos (como compuestos que contienen fenol) y ácidos orgánicos dan lugar a una variedad de ésteres diferentes en los vinos, lo que contribuye a sus diferentes sabores, olores y gustos. Por supuesto, en comparación con las condiciones de ácido sulfúrico, las condiciones ácidas en un vino son suaves, por lo que el rendimiento es bajo (a menudo en décimas o centésimas de punto porcentual en volumen) y el éster tarda años en acumularse.
El tribromuro de tetrabutilamonio (TBATB) puede servir como un catalizador eficaz pero poco convencional para esta reacción. [6] Se cree que el ácido bromhídrico liberado por TBATB protona el alcohol en lugar del ácido carboxílico, convirtiendo al carboxilato en el nucleófilo real. Esto sería una inversión del mecanismo de esterificación estándar. Un ejemplo de este método es la acilación de 3-fenilpropanol usando ácido acético glacial y TBATB. La reacción genera el éster en 15 minutos con un rendimiento del 95% sin necesidad de eliminar agua.