Esteri

Che cosa hanno in comune il sapone, il biodiesel, la plastica e i profumi? Anche se queste sostanze sembrano completamente diverse, sono tutte composte da un componente chiave: gli esteri.

• Questo articolo tratta gli esteri in chimica organica.
• Inizieremo con la definizione di esteri prima di esaminare la loro nomenclatura.
• Poi esploreremo alcune delle loro proprietà.
• Infine, esamineremo brevemente alcune delle reazioni in cui sono coinvolti.

Come si preparano gli esteri?

Gli esteri si formano a partire da acidi carbossilici e alcoli.

Come ricorderai dall'articolo 'Acidi carbossilici', questi ultimi contengono un gruppo funzionale noto come gruppo carbossilico -COOH e hanno la formula generale RCOOH. Per formare un estere, l'atomo di idrogeno del gruppo carbossilico viene semplicemente sostituito dal gruppo R di un alcol, dando agli esteri la formula generale RCOOR' e il gruppo funzionale -COO-.

Figura 1. Struttura generale di un estere. I gruppi R possono essere gli stessi o differenti.

Per ottenere gli esteri, facciamo reagire insieme un acido carbossilico e un alcol in presenza di un catalizzatore. Questa reazione è nota come reazione di esterificazione. Si produce anche acqua.

RCOOH+R′OH⇌RCOOR′+H₂O

È possibile ottenere facilmente gli esteri in laboratorio riscaldando a bagnomaria un acido carbossilico e un alcol con alcune gocce di acido solforico. Una volta completata la reazione, versate la miscela in un becher pieno d'acqua. L'estere si depositerà in cima all'acqua, mentre gli acidi e l'alcol rimanenti si dissolveranno in soluzione. Se muovi legermente il becher, potrai sentire un odore fruttato. Gli esteri hanno spesso un odore aromatico, motivo per cui vengono utilizzati nei prodotti per l'igiene personale, nei profumi e nei detergenti per la casa. In realtà, vengono utilizzati anche negli alimenti comuni come aromi. Prendiamo ad esempio l'estere etil etanoato. Ha l'odore caratteristico della pera e per questo viene utilizzato in diverse bibite e dolciumi.

Figura 2. Etil etanoato. Noto anche come acetato di etile.

Dalla molecola sopra riportata si può notare che gli esteri contengono un gruppo R con il gruppo funzionale carbonilico, e un gruppo R che rappresenta semplicemente una catena idrocarburica. Il gruppo R che contiene il legame C=O proviene dall'acido carbossilico, mentre l'altro gruppo R proviene dall'alcol.

Figura 3. Preparazione degli esteri.

Nomenclatura degli esteri

Come abbiamo scoperto in precedenza, gli esteri sono composti da due molecole diverse: un acido carbossilico e un alcol. I loro nomi si dividono in due parti che fanno riferimento a queste due molecole.

• La prima parte del nome deriva dall'alcol. Si chiama come le catene laterali di idrocarburi in altre molecole organiche. Utilizza il nome della radice dell'alcol per indicare la sua lunghezza e termina con il suffisso -il.
• La seconda parte del nome deriva da acido carbossilico. Anche in questo caso utilizza il nome della radice dell'acido carbossilico per indicare la sua lunghezza e termina con il suffisso -oato.

Anche se non si conosce l'acido carbossilico o l'alcol di cui è composto un estere, si può facilmente risalire al suo nome contando i carboni presenti nelle catene del gruppo R. Vediamo insieme alcuni esempi.

Figura 4. Sei in grado di assegnare il nome a questa molecola?

Osserva la molecola qui sopra. Il gruppo R a sinistra contiene il gruppo carbonilico. Deve provenire da un acido carbossilico, quindi termina con il suffisso -oato. Se contiamo i carboni nella sua catena, vediamo che ne ha due. Possiamo quindi dargli il nome di radice -et-. Se mettiamo insieme il nome della radice e il suffisso, otteniamo l'etanoato.

Tuttavia, abbiamo solo la metà del nome al momento! Il gruppo R sulla destra deve provenire da un alcol. Ha un solo carbonio nella sua catena carboniosa, quindi lo chiamiamo metile. Combinando i due nomi si ottiene il metil etanoato.

Figura 5. Metiletanoato.

Ecco un altro esempio.

Figura 6. Sei in grado di assegnare un nome a questa molecola?

Il gruppo R a sinistra contiene il gruppo funzionale carbonile, C=O, e quindi deve provenire da un acido carbossilico. Ha tre atomi di carbonio nella sua catena carboniosa, quindi questa parte del nome dell'estere è propanoato. Il gruppo R sulla destra proviene da un alcol e ha quattro carboni nella sua catena, il che gli dà il nome di butile. Questa molecola viene chiamata butil propanoato (o propanoato di butile).

Figura 7. Butil propanoato.

La molecola successiva è molto simile al butil propanoato, ma contiene anche un gruppo metile e un atomo di cloro:

Figura 8. 3-metilbutil-3-cloropropanoato

Per sapere in quale punto esatto della molecola si trovano, dobbiamo numerare i carboni della catena carboniosa. Trattiamo ogni metà della molecola separatamente.

Ricorderai (vedi Composti Organici) che in precedenza potevamo numerare i carboni da sinistra a destra o da destra a sinistra: volevamo solo che tutti i gruppi laterali aggiuntivi si trovassero sul carbonio con il numero più basso possibile. Questa è la cosiddetta regola del numero più basso. Con gli esteri, però, non vale la stessa regola. Per gli esteri invece etichettiamo sempre i carboni che formano il legame come 1. A quali carboni sono uniti i nostri gruppi aggiuntivi? Qui possiamo vedere che il gruppo metile è attaccato al carbonio 3 del gruppo R di destra e l'atomo di cloro è attaccato al carbonio 3 del gruppo R di sinistra. Questa molecola si chiama quindi 3-metilbutil-cloropropanoato.

Figura 9. 3-metilbutil-cloropropanoato.

Proprietà degli esteri

Rivediamo la struttura generale di un estere.

Figura 10. Struttura generale di un estere.

Contiene un gruppo carbonilico, il doppio legame C=O. Questo gruppo è polare. L'ossigeno è molto più elettronegativo del carbonio e quindi attrae verso di sé le coppie di elettroni condivise nel doppio legame, diventando parzialmente carico negativamente e lasciando il carbonio parzialmente carico positivamente. Questo fenomeno viene rappresentato con il simbolo delta, δ, che forma un dipolo permanente. Per questo motivo, gli esteri sperimentano forze dipolo-dipolo permanenti tra le molecole.

Anche il singolo legame C-O di un estere è polare. Questi legami polari influenzano le proprietà della molecola. La sua polarità complessiva è mostrata di seguito.

Figura 11. Dipoli nell'estere.

Punti di ebollizione e fusione

Gli esteri hanno punti di fusione più elevati rispetto agli alcani simili, ma punti di fusione più bassi rispetto agli alcoli e agli acidi carbossilici simili. Gli alcani sono molecole non polari e quindi le uniche forze intermolecolari che sperimentano sono deboli forze di van der Waals. Al contrario, gli esteri hanno anche forze dipolo-dipolo permanenti tra le molecole. Queste sono molto più forti delle forze di van der Waal e richiedono più energia per essere superate. Tuttavia, gli alcoli e gli acidi carbossilici contengono anche legami a idrogeno tra le molecole. Questi sono il tipo di forza intermolecolare più forte e conferiscono agli acidi carbossilici e agli alcoli punti di fusione e di ebollizione molto più elevati rispetto agli esteri.

Come per tutte le molecole, gli esteri a catena più lunga hanno punti di fusione e di ebollizione più elevati rispetto a quelli a catena più corta. Ciò è dovuto al fatto che le molecole più grandi contengono più elettroni e quindi hanno dipoli istantanei più forti, creando forze di van der Waals più forti tra le molecole. Gli esteri ramificati hanno punti di fusione più bassi rispetto a quelli a catena retta, poiché le ramificazioni fanno sì che le molecole non si compattino così strettamente. Questo riduce l'attrazione tra le molecole.

La tabella seguente fornisce alcuni esempi di esteri, le loro masse relative e i loro punti di ebollizione.

In questo caso, il butanoato di butile ha una massa molecolare relativa più elevata rispetto al propil propanoato e all'etanoato di etile, perché è una molecola più grande. Ciò significa che ha un punto di ebollizione più alto. Il metilpropil butanoato ha la stessa massa relativa del butil butanoato. Tuttavia, poiché è ramificato, le molecole non possono compattarsi così strettamente. Questo gli conferisce un punto di ebollizione più basso.

Solubilità

Sebbene gli esteri non possano formare legami idrogeno tra loro, possono farlo con le molecole d'acqua. Questo perché hanno una coppia di elettroni solitari che possono legarsi a uno dei due atomi di idrogeno parzialmente positivi dell'acqua. Per questo motivo, gli esteri a catena più corta sono solubili in acqua. Tuttavia, gli esteri a catena più lunga non lo sono. Le loro catene idrocarburiche non polari rompono i legami idrogeno, ostacolando il legame. È per questo che versiamo una soluzione dopo aver creato un estere in un becker d'acqua: l'estere non si scioglie e forma invece uno strato sulla superficie dell'acqua.

Figura 12. Legame a idrogeno tra un estere e una molecola d'acqua.

Reazioni degli esteri

Abbiamo già menzionato alcuni usi degli esteri: come profumi, materie plastiche e aromi. Si trovano anche nel biodiesel e sono spesso utilizzati come plastificanti e solventi. Per fare il sapone, idrolizziamo gli oli vegetali. Approfondiremo questo aspetto in Reazioni degli esteri, ma per ora è sufficiente conoscere alcune delle altre reazioni in cui sono coinvolti gli esteri.

• Idrolisi acida, per formare un acido carbossilico e un alcol. Questo è un esempio di reazione di sostituzione nucleofila.
• Idrolisi basica, nota anche come saponificazione, per formare un sale di acido carbossilico e un alcol.
• Reazione di oli vegetali con metanolo per ottenere biodiesel.
• Polimerizzazione di alcoli e acidi carbossilici per formare un poliestere.