Синтез уксусноизоамилового эфира

 

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Могилёвский государственный университет продовольствия»

 

 

Кафедра химической технологии высокомолекулярных соединений

 

 

 

 

 

 

 

 

СИНТЕЗ УКСУСНОИЗОАМИЛОВОГО ЭФИРА

 

  

Отчёт по лабораторной работе № 1

по дисциплине «Органическая химия»

 

Специальность 1-49 01 02 «Технология хранения и переработки животного сырья»

Специализация 1-49 01 02 01 «Технология мяса и мясных продуктов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Проверила :                                                          Выполнила:

 преподаватель                                                      студентка группы ТЖМП-101

_________Н. И. Ильичёва                                  __________К. А. Марченко

                                                                             

 «___»____________2012г.                                 «____»_______________2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

Могилев  2012

 

Цель органического синтеза: получение конечного продукта,

имеющего какое-либо практическое применение или служащего исходным материалом для дальнейших исследований. Органический синтез проводится также для доказательства строения природных и искусственно получаемых веществ. Во всех случаях – это комплексное исследование, включающее ряд последовательных этапов:   выбор пути синтеза;  экспериментальное проведение реакций;  выделение и очистка целевого продукта. Контроль чистоты;  подтверждение состава и строения полученного вещества.

 Цель работы: синтезировать уксусноизоамиловый эфир исходя из  35 см³ изоамилового спирта.

 

 I   Введение

 

Общие методы получения органических соединений данного класса 

АЦИЛИРОВАНИЕ 

Ацилирование –  введение ацильной группы (ацила) 

в молекулу органического  соединения  путем    

замещения атома Н.   

В широком смысле ацилированием называют замещение любого атома или группы атомов на ацильную группу. В зависимости от того, к какому атому присоединяется ацил, различают N-ацилирование, O-ацилирование, S-ацилирование и С-ацилирование. Реакция, при которой вводится формильная группа (НСО), называется формилированием, ацетильная (СН3СО) - ацетилированием, бензоильная (С6Н5СО)-бензоилированием.

Органические карбоновые кислоты характеризуются наличием карбоксильной группы -COOH или -СO2H. Все производные карбоновых кислот содержат ацильную группу R-CO-. По этой причине их часто называют также ацильными соединениями.

К основным производным карбоновых кислот (ацильным соединениям) относятся:

● хлорангидриды кислот :

     

● ангидриды :

●сложные эфиры:

●амиды:

 

Основной реакцией карбонильных соединений является реакция нуклеофильного присоединения, протекающая по механизму:

 

Ацильная группа включает карбонильную группу. Реакции ацильных соединений проходят по механизму нуклеофильного присоединения - элиминирования:

Реакционная способность ацильных соединений определяется, как от величины положительного заряда на атоме углерода карбонильной группы, так и от способности уходящей группы уходить. Величина положительного заряда Сd+=Оd- группы зависит от взаимодействия её электронного облака с электронами уходящей группы и увеличивается при возрастании отрицательного индукционного эффекта и уменьшении положительного эффекта сопряжения.

 

В связи с этим по реакционной способности их можно расположить в следующий ряд:

Приведенный порядок реакционной способности ацильных соединений позволяет судить о том, какие из них могут быть получены из данного ацильного соединения, а какие нет. Менее реакционноспособные ацильные соединения могут быть получены из более реакционоспособных, обратные же реакции, или затруднены или требуют особых условий.

Вследствие электроноакцепторного действия бензольного кольца, фенолы являются более слабыми нуклеофилами, чем спирты, поэтому они не ацилируются карбоновыми кислотами. Для ацилирования используются более сильные ацилирующие средства: ангидриды и галогенангидриды карбоновых кислот. Реакция катализируется основаниями: гидроксидами щелочных металлов или пиридином (метод Шоттена-Баумана).

 

Ацилированием спиртов получают сложные эфиры, ацилирование аминов приводит к образованию алкил(арил)амидов карбоновых кислот, что часто использцется для защиты аминогруппы в многостадийных синтезах. Реакция ацилирования успешно применяется для установления числа гидроксильных групп в многоатомных спиртах, углеводах и других гидроксилсодержащих соединениях.

Одним из примеров реакции ацилирования является получение сложных эфиров карбоновых кислот взаимодействием кислоты со спиртом (реакция этерификации).

Образование сложных эфиров при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами (этерификация) происходит в условиях кислотного катализа как реакция нуклеофильного замещения. При этом в молекуле карбоновой кислоты RCOOH замещается гидроксильная группа -ОН на группу -OR' от молекулы спирта R'OH (в приведенном ниже примере R' = C2H5). 

Реакция включает несколько обратимых стадий.

Стадия I. Активация карбоновой кислоты под действием катализатора – сильной кислоты (например, конц. H2SO4), превращающей нейтральную молекулу в карбокатион.  
Стадия II (лимитирующая). Нуклеофильное присоединение спирта к карбокатиону. 
Стадия III. Миграция протона H+ и формирование хорошей уходящей группы H2O. 
Стадия IV. Отщепление воды и катализатора (H+) от неустойчивого продукта присоединения с образованием cложного эфира.

Процесс можно ускорить, добавляя сильные кислоты (серную, безводный HCl, сульфокислоты). Скорость этерификации карбоновой кислоты увеличивается с ростом кислотности, т.е. с ростом положительного заряда на карбонильном атоме углерода,

Поэтому такие сильные кислоты, как муравьиная, щавелевая реагируют со спиртами довольно быстро и в отсутствии катализатора.

Сильно влияют на процесс этерификации пространственные факторы. С ростом объема алкильных групп, связанных с карбоксильной группой а также со спиртовым гидроксилом, скорость этерификации падает. Поэтому разветвленные алифатические и ароматические карбоновые кислоты вступают в реакцию медленно и дают небольшие выходы эфира. Реакция прямой этерификации дает хорошие результаты (~60%) для первичных спиртов и низкомолекулярных кислот. Чаще всего она применяется для получения эфиров уксусной кислоты и метилового или этилового спирта. Вторичные спирты дают около 40% выхода эфира. Эфиры третичных спиртов получают лишь с очень низкими выходами, так как минеральные кислоты, используемые в качестве катализатора, дегидратируют третичные спирты в олефины.

Реакция прямой этерификации - обратимая реакция. Если взять кислоту и спирт в эквимолярном соотношении, то в начале реакции, согласно закона действующих масс, скорость прямой реакции выше скорости обратной реакции. По мере накопления эфира скорость обратной реакции растет, а скорость прямой уменьшается и наступает момент динамического равновесия, при котором количество молекул образующегося эфира и воды и количество молекул спирта и кислоты, получающихся в единицу времени равны.

Равновесие можно сдвинуть вправо, используя 5-10 кратный избыток более дешевого исходного вещества (им обычно является спирт) или постоянно удаляя из реакционной смеси продукты реакции- воду или сложный эфир (при синтезе низкокипящих сложных эфиров отгоняют эфир, при получении высококипящих эфиров удаляют воду).

Реакция гидролиза, или омыления. Так как реакция этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот протекает обратная реакция гидролиза:

Реакция гидролиза катализируется и щелочами; в этом случае гидролиз необратим, так как получающаяся кислота со щелочью образует соль:

Эфиры получают и переэтерификацией более доступных эфиров:

Переэтерификация представляет собой равновесную реакцию.

 

Внутримолекулярная дегидратация спиртов с образованием алкенов идет в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании выше 140 °С. Например:

В тех случаях, когда возможны 2 направления реакции, например:

дегидратация идет преимущественно в направлении I, т.е. по правилу Зайцева – с образованием более замещенного алкена (водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода).

Межмолекулярная дегидратация спиртов происходит при температуре ниже 140 °С с образованием простых эфиров:

Фенолы - ароматические соединения общей формулы Ar(OH), в которых ароматическое ядро непосредственно связано с гидроксильной группой (Ar-арены).

Сложные эфиры фенолов получают ацилированием с помощью сильных ацилирующих агентов – ангидридов (в присутствии фосфорной кислоты) и хлорангидридов (используют феноляты), этерификация под действием карбоновых кислот не происходит.

 

 

Сложные эфиры могут быть как жидкими, так и твердыми веществами в зависимости от молекулярного веса образующих их кислоты и спирта. Сложные эфиры низших и средних гомологов – летучие жидкости с характерным, часто приятным запахом. Многие из них являются носителями запаха различных плодов, овощей и фруктов. Сложные эфиры труднее растворимы в воде, чем образующие их спирты и кислоты. Так, этиловый спирт и уксусная кислота смешиваются с водой во всех отношениях, тогда как уксусноэтиловый эфир трудно растворим в воде. В органических растворителях сложные эфиры растворяются хорошо.

 

II Синтез бензойной кислоты

 

2.1 Уравнения основных реакций:

 

2.2 Уравнения побочных реакций: 

 

2.3 Свойства синтезируемого вещества по литературным данным:

Молекулярная масса 144 , г/моль

Ткип 142.5 ,ºС

Тпл -78.5 ,ºС

0.8719

1.4053

Растворимость в граммах вещества на  100 г воды  –   0,1625

Растворимость в органических растворителях  -  бесконечно растворим в этаноле и эфирах

 

2.4 Свойства основных исходных  соединений

 

Формула	Молярная масса, г/моль	Тпл, ºС	Ткип, ºС			Растворимость
						в воде	в органических растворителях
C5H12O (изоамиловый спирт)	88	-117,2	132,0	0,8120	1,4053	2,6722	х.р.: ац., эт., эф.
С2H4O2 (уксусная кислота)	60	16,75	118,1	1,0492	1,3720	∞	∞: эт., эф., ац.

 

 

III Расчёт количеств исходных веществ, необходимых для синтеза

 

3.1 Расчёт основных исходных  веществ

 

В синтезе используется:

14,3 см 3 уксусной кислоты ( = 1,0492), 

27,7 см 3 изоамилового спирта ( = 0,8120),

4 капли серной кислоты.

Исходя из этого, находим мольное соотношение реагирующих веществ.

Изоамиловый спирт: 

где: 0,8120– плотность изоамилового спирта, г×(см3)-1;

1 – массовая доля изоамилового спирта в растворе;

88 – молярная масса изоамилового  спирта, г×моль-1.

Уксусная кислота:

где: 1,0492 – плотность уксусной кислоты, г×(см3)-1;

1 – массовая доля уксусной кислоты в растворе;

60 – молярная масса уксусной кислоты, г×моль-1.

Мольное соотношение реагентов:

Изоамиловый спирт : Уксусная кислота =0,25559 : 0,250059

Делим все три числа на 0,25559 (число моль вещества, по которому ведем расчет); получаем новое мольное соотношение: 1 : 0,98

Сохраняя это мольное соотношение, находим массовые и объемные количества реагирующих веществ, исходя из выданных по заданию 35 см 3 изоамилового спирта.