Universitaire scheikunde — jaar 2 · Bachelor Year 2

24Carbonzuurderivaten

Kook olijfolie met natriumhydroxide en je krijgt zeep en glycerol: de oudste organische reactie die ooit met opzet werd uitgevoerd. De olie is een ester van glycerol en langketenige zuren, en het hydroxide knipt elke ester door op één binding, altijd dezelfde, tussen het carbonylkoolstofatoom en het zuurstofatoom van de alcohol. Esters, zuren, amiden, anhydriden en acylchloriden reageren allemaal op deze manier: een nucleofiel addeert aan het carbonylkoolstofatoom, en een groep vertrekt. Wie deze verbindingen rangschikt naar hoe goed hun groep vertrekt, ziet welke in welke omgezet kan worden, en in welke richting een chemicus bergop moet.

Wat je al weet

Het deel van jaar 1: elektrofiele activering van een carbonylgroep, de mechanismen van de vorming van hemiacetalen en acetalen, grignardaddities, hydridedonoren en hun toepassingsgebied, vertrekkende groepen, $\mathrm pK_a$ , $Q$ en $K$ . Hoofdstuk 23: nucleofiele additie, aminen. Hoofdstuk 4: een evenwicht verschuiven. Het schoolboek: esters, carbonzuren en amiden.

Blokken olijfoliezeep die drogen op houten rekken. Zeep is het natriumzout van de vetzuren die vrijkomen wanneer de olie, een ester, met natriumhydroxide gekookt wordt.

24.1 De familie en haar reactiviteit

Definitie 24.1 (Carbonzuurderivaten)

Een carbonzuurderivaat is een verbinding $\ce{R-CO-Z}$ waarin de $\ce{OH}$ van een carbonzuur vervangen is door een andere groep Z. De acylgroep $\mathrm{R{-}CO{-}}$ hebben ze allemaal gemeen. In een acylchloride is Z gelijk aan Cl; in een zuuranhydride is Z gelijk aan $\mathrm{O{-}CO{-}R'}$ : twee acylgroepen delen één zuurstofatoom; in een ester is Z gelijk aan $\mathrm{OR'}$ , in een amide aan $\mathrm{NR'_2}$ .

Propositie 24.2 (Reactiviteitsschaal)

Tegenover nucleofielen reageren de derivaten in de volgorde acylchloride $>$ anhydride $>$ ester $\approx$ zuur $>$ amide.

Redenering. Twee effecten tellen op. De vertrekkende groep $\ce{Z-}$ vertrekt des te gemakkelijker naarmate ze een zwakkere base is: $\ce{Cl-}$ (geconjugeerd zuur $\ce{HCl}$ , $\mathrm pK_a$ ongeveer $-7$ ) veel beter dan een carboxylaat ( $\mathrm pK_a$ ongeveer 5), een alkoxide (ongeveer 16) of een amide-ion (ongeveer 35). En de groep Z geeft elektronendichtheid aan de carbonylgroep door mesomere donatie van zijn vrije elektronenpaar, wat het carbonylkoolstofatoom minder elektrofiel maakt: zwak bij Cl, het sterkst bij stikstof. Het amide is zowel het zwakste elektrofiel als de slechtste vertrekkende groep. ∎

24.2 Nucleofiele acylsubstitutie

Definitie 24.3 (Nucleofiele acylsubstitutie)

Een nucleofiele acylsubstitutie vervangt de groep Z van een acylverbinding door een nucleofiel. Ze verloopt via additie van het nucleofiel aan het carbonylkoolstofatoom, wat een tetraëdrisch intermediair geeft, gevolgd door eliminatie van de vertrekkende groep, die de binding $\ce{C=O}$ herstelt.

Propositie 24.4 (Additie–eliminatie)

Acylsubstitutie verloopt via een tetraëdrisch intermediair; ze wordt in base versneld door een sterker nucleofiel en in zuur door activering van de carbonylgroep.

Redenering. Het carbonylkoolstofatoom, vlak en elektrofiel, neemt het nucleofiel op van boven of onder zijn vlak, zoals bij de addities van Hoofdstuk 23; met een groep Z die kan vertrekken, stoot het intermediair die uit in plaats van geprotoneerd te worden. In base is het nucleofiel een anion ( $\ce{HO-}$ , $\ce{RO-}$ ); in zuur wordt het carbonylzuurstofatoom geprotoneerd en volstaat een neutraal nucleofiel (water, een alcohol). Esters die in het alcoholdeel met $\ce{^{18}O}$ gemerkt zijn, geven bij hydrolyse gemerkte alcohol en ongemerkt zuur: de verbroken binding is de binding acyl–zuurstof, zoals het mechanisme vereist. ∎

Verzeping van een ester. Hydroxide addeert aan het carbonylkoolstofatoom en geeft het tetraëdrische intermediair; het alkoxide vertrekt en de binding C=O vormt zich opnieuw; het alkoxide, een sterke base, neemt daarna het proton van het zuur op. Deze laatste stap maakt de reactie volledig. — Verzeping van een ester. Hydroxide addeert aan het carbonylkoolstofatoom en geeft het tetraëdrische intermediair; het alkoxide vertrekt en de binding $\ce{C=O}$ vormt zich opnieuw; het alkoxide, een sterke base, neemt daarna het proton van het zuur op. Deze laatste stap maakt de reactie volledig.

Methode 24.5 (Een acylsubstitutie tekenen)

In base: het anionische nucleofiel addeert aan het carbonylkoolstofatoom; de negatieve lading gaat naar zuurstof; de binding $\ce{C=O}$ vormt zich opnieuw en Z vertrekt; sluit af met een eventuele zuur-basestap.
In zuur: protoneer het carbonylzuurstofatoom; het neutrale nucleofiel addeert; draag een proton over naar de vertrekkende groep; die vertrekt als neutraal molecuul; deprotoneer de carbonylgroep.
Tel de stappen: elk intermediair is ofwel tetraëdrisch, ofwel een carbonylverbinding.

24.3 Esters

Definitie 24.6 (Verestering)

Een verestering vormt een ester uit een carbonzuur (of een reactiever derivaat) en een alcohol. De rechtstreekse reactie van een zuur met een alcohol, gekatalyseerd door een sterk zuur, is de fischerverestering.

Propositie 24.7 (Fischerverestering)

De fischerverestering is een traag evenwicht, met een constante rond 4 voor primaire alcoholen; ze wordt vooruitgedreven door een overmaat van één reagens of door water te verwijderen naarmate het ontstaat.

Redenering. Equimolair ethanol en ethaanzuur stoppen wanneer twee derde van het zuur veresterd is: $K = (2/3)^2/(1/3)^2 = 4$ . Met $Q < K$ , in stand gehouden door een overmaat alcohol of door water af te destilleren (de Dean–Stark-opvanger uit het deel van jaar 1), gaat de reactie verder (Hoofdstuk 4). De zes stappen van het mechanisme zijn die van Methode 24.5 in zuur, allemaal omkeerbaar. ∎

Definitie 24.8 (Verzeping)

Een verzeping is de hydrolyse van een ester door een hydroxide, die het carboxylaatzout en de alcohol geeft.

Propositie 24.9 (Verzeping is volledig)

Verzeping verloopt volledig: haar laatste stap, de protonoverdracht van het carbonzuur naar het alkoxide, heeft een evenwichtsconstante van de orde $10^{11}$ .

Bewijs. Voor $\mathrm{RCOOH + R'O^- \to RCOO^- + R'OH}$ geldt

K = \frac{K_a(\ce{RCOOH})}{K_a(\mathrm{R'OH})} = 10^{\mathrm pK_a(\mathrm{R'OH}) - \mathrm pK_a(\ce{RCOOH})} ;

met ethaanzuur (4.76) en ethanol (15.93) is $K = 10^{11.2}$ . Het carboxylaat, een zwak elektrofiel, wordt niet aangevallen door de alcohol: de totale reactie keert niet terug. ∎

Verzeping van een triglyceride: de drie esterbindingen worden doorgeknipt, wat glycerol en drie moleculen natriumcarboxylaat geeft, de zeep (R een lange keten, C17H33 voor het oleaat van olijfolie). — Verzeping van een triglyceride: de drie esterbindingen worden doorgeknipt, wat glycerol en drie moleculen natriumcarboxylaat geeft, de zeep (R een lange keten, $\ce{C17H33}$ voor het oleaat van olijfolie).

Definitie 24.10 (Omestering)

Een omestering wisselt het alcoholdeel van een ester uit, $\mathrm{RCOOR' + R''OH \rightleftharpoons RCOOR'' + R'OH}$ , onder zure of basische katalyse.

Definitie 24.11 (Lactonen en lactamen)

Een lacton is een cyclische ester, gevormd door interne verestering van een hydroxyzuur; een lactam is een cyclisch amide.

24.4 Geactiveerde derivaten

De reactiviteitsschaal afdalen is gemakkelijk: een acylchloride geeft met het juiste nucleofiel een anhydride, een ester of een amide, vaak bij kamertemperatuur. Klimmen vraagt activering: een carbonzuur wordt met thionylchloride omgezet in zijn chloride,

\ce{RCOOH + SOCl2 -> RCOCl + SO2 + HCl} ,

waarvan de bijproducten gassen zijn. Het acylchloride reageert daarna met een alcohol of een amine; een base (pyridine, triethylamine, of een tweede equivalent van het amine) vangt het gevormde $\ce{HCl}$ weg, dat anders het amine zou protoneren.

Methode 24.12 (Langs de derivaten bewegen)

Omlaag op de schaal (chloride $\to$ anhydride $\to$ ester, zuur $\to$ amide): behandel met het nucleofiel, met een base om het vrijgekomen zuur op te nemen.
Omhoog op de schaal: zet het zuur eerst om in het chloride ( $\ce{SOCl2}$ ); een ester of amide wordt eerst tot het zuur gehydrolyseerd.
Tussen een zuur en een ester: fischerverestering (evenwicht) of verzeping (volledig) gevolgd door aanzuren.

De reactiviteitsladder van de carbonzuurderivaten. Elk derivaat kan door een nucleofiel omgezet worden in een derivaat eronder; klimmen gaat via het zuur en zijn chloride.

24.5 Organometaalverbindingen en hydriden

Propositie 24.13 (Twee grignardaddities)

Een ester die met een overmaat organomagnesiumverbinding behandeld wordt, geeft een tertiaire alcohol met twee identieke groepen uit het reagens.

Redenering. De eerste additie geeft een tetraëdrisch intermediair dat het alkoxide uitstoot: een keton. Een keton is elektrofieler dan een ester (geen mesomere donatie van een groep $\mathrm{OR'}$ ) en reageert met het reagens sneller dan de resterende ester; de tweede additie, aan het keton, geeft het alkoxide van een tertiaire alcohol, dat bij de zure opwerking geprotoneerd wordt. De reactie kan niet bij het keton gestopt worden. ∎

Propositie 24.14 (Reducties met hydriden)

Lithiumaluminiumhydride reduceert esters en zuren tot primaire alcoholen, en amiden tot aminen; natriumboorhydride reduceert aldehyden en ketonen, maar geen esters, zuren of amiden. Een omvangrijk aluminiumhydride (DIBAL-H) reduceert bij $-78{}^{\circ}\mathrm{C}$ een ester tot het aldehyde.

Redenering. $\ce{LiAlH4}$ is een sterke hydridedonor: net als het grignardreagens addeert het twee keer aan een ester (via het aldehyde). Boorhydride is te zwak voor de minder elektrofiele carbonylgroep van een ester. Met DIBAL-H bij lage temperatuur stoot het tetraëdrische intermediair, vastgehouden door aluminium, het alkoxide pas uit bij de waterige opwerking, wanneer er geen hydride meer over is: het aldehyde blijft over. In een amide wordt het zuurstofatoom, gebonden aan aluminium, geëlimineerd in plaats van het stikstofatoom, wat een iminiumion achterlaat dat het hydride tot het amine reduceert. ∎

Geschiedenis — Chevreul en de vetten

Michel Eugène Chevreul toonde in een studie die in 1823 verscheen aan dat vetten verbindingen zijn van glycerol met vetzuren, die hij isoleerde en een naam gaf (stearinezuur, oliezuur, boterzuur), en dat verzeping ze in die twee delen splitst. Zijn werk maakte van het zepen- en kaarsenmaken scheikunde; hij werd 102 jaar oud. (Portret door Nicolas Eustache Maurin, publiek domein, Wikimedia Commons.)

Veiligheid

Thionylchloride en acylchloriden reageren heftig met water en maken corrosieve gassen vrij; ze worden droog gehanteerd, in een zuurkast. Lithiumaluminiumhydride ontbrandt bij contact met water; de overmaat wordt op het einde voorzichtig vernietigd. Geconcentreerd natriumhydroxide is corrosief voor huid en ogen. Methanol is giftig en ontvlambaar.

24.6 Oefeningen

Oefening 24.1 ★

Rangschik naar reactiviteit tegenover water: ethylethanoaat, ethanoylchloride, ethaanamide, ethaanzuuranhydride.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.1.

Ethaanamide $<$ ethylethanoaat $<$ ethaanzuuranhydride $<$ ethanoylchloride.

Oefening 24.2 ★

Geef de producten van ethanoylchloride met: water; ethanol; ammoniak (2 equivalenten); natriumethanoaat; dimethylamine met triethylamine.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.2.

Ethaanzuur (+ $\ce{HCl}$ ); ethylethanoaat; ethaanamide (+ ammoniumchloride, waarbij het tweede equivalent ammoniak het $\ce{HCl}$ wegvangt); ethaanzuuranhydride (+ $\ce{NaCl}$ ); N,N-dimethylethaanamide (+ triethylammoniumchloride).

Oefening 24.3 ★

Schrijf de verzeping van methylbenzoaat door natriumhydroxide op en bereken de massa natriumhydroxide die nodig is voor $13.6\,\mathrm{g}$ van de ester.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.3.

$\ce{C6H5COOCH3 + NaOH -> C6H5COONa + CH3OH}$ . $13.6/136.15 = 0.0999\,\mathrm{mol}$ , evenveel $\ce{NaOH}$ : $4.00\,\mathrm{g}$ .

Oefening 24.4 ★

Teken het lacton dat 4-hydroxybutaanzuur vormt en geef de grootte van zijn ring.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.4.

$\gamma$ -Butyrolacton (oxolaan-2-on): een vijfring van vier koolstofatomen en één zuurstofatoom.

Oefening 24.5 ★★

Schrijf het mechanisme op van de reactie van ethylethanoaat met ammoniak.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.5.

Ammoniak addeert aan het carbonylkoolstofatoom; een proton gaat van het stikstofatoom naar het zuurstofatoom (of naar de vertrekkende groep); ethoxide (als ethanol, na protonoverdracht) vertrekt en de $\ce{C=O}$ vormt zich opnieuw: ethaanamide en ethanol.

Oefening 24.6 ★★

Aspirine wordt gemaakt uit salicylzuur (2-hydroxybenzoëzuur) en ethaanzuuranhydride. Welke groep van salicylzuur reageert, en wat is het bijproduct?

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.6.

De fenolische $\ce{OH}$ wordt geacyleerd (zure katalyse): 2-acetoxybenzoëzuur; bijproduct ethaanzuur.

Oefening 24.7 ★★

Ethylethanoaat wordt behandeld met een overmaat methylmagnesiumbromide en daarna met verdund zuur. Geef het product en leg uit waarom het keton niet geïsoleerd kan worden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.7.

2-Methylpropaan-2-ol. De eerste additie geeft propanon, elektrofieler dan de ester, dat meteen de tweede methylgroep opneemt.

Oefening 24.8 ★★

Geef het product van de reductie van het lacton van oefening 4 door $\ce{LiAlH4}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.8.

Butaan-1,4-diol: de ester wordt gereduceerd tot twee primaire alcoholen, waarbij de ring opengaat.

Oefening 24.9 ★★

Bereken met $K = 4$ de fractie ethaanzuur die veresterd wordt met één, en daarna met drie equivalenten ethanol. Welke andere methode drijft de reactie voort?

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.9.

Eén equivalent: $x^2/(1 - x)^2 = 4$ , $x = 2/3$ . Drie equivalenten: $x^2/[(1 - x)(3 - x)] = 4$ , $3x^2 - 16x + 12 = 0$ , $x = 0.90$ . Het water verwijderen naarmate het ontstaat (Dean–Stark) drijft de reactie verder.

Oefening 24.10 ★★★

Bereid N,N-diethylbenzamide uit benzoëzuur, en leg uit waarom het zuur mengen met diethylamine en zacht verwarmen in plaats daarvan een zout geeft.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.10.

$\ce{SOCl2}$ geeft benzoylchloride; met twee equivalenten diethylamine (of één plus triethylamine) geeft dat het amide. Zuur en amine die rechtstreeks gemengd worden, ondergaan een zuur-basereactie: diethylammoniumbenzoaat, dat pas bij sterk verhitten het amide geeft.

Oefening 24.11 ★★★

Het verzepingsgetal van een vet is de massa kaliumhydroxide, in mg, die nodig is om $1\,\mathrm{g}$ ervan te verzepen. Bereken het voor trioleïne ( $885.4\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; KOH $56.11\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ).

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.11.

Drie KOH per trioleïne: $3 \times 56.11/885.4 = 0.190\,\mathrm{g}$ per gram, een verzepingsgetal van 190.

Oefening 24.12 ★★★

Een molecuul draagt een ester, een amide en een keton. Welke groep(en) reduceert $\ce{NaBH4}$ , en welke $\ce{LiAlH4}$ ? Wat verkrijg je in elk geval?

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.12.

$\ce{NaBH4}$ : alleen het keton, tot een secundaire alcohol. $\ce{LiAlH4}$ : het keton tot de secundaire alcohol, de ester tot een primaire alcohol (waarbij het alcoholdeel vrijkomt), het amide tot een amine.

24.7 Probleem: biodiesel uit frituurolie

Probleem 24.1

Weekendprobleem — trioleïne en zijn molaire massa, zijn omestering met methanol en de rol van de base, de nevenreactie met vrije zuren en water, en de opbrengsten per ton olie

Beschouw de olie als zuivere trioleïne, het triglyceride van oliezuur ( $\ce{C17H33COOH}$ ). Molaire massa’s ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): C 12.011, H 1.008, O 15.999, Na 22.990. Glycerol is propaan-1,2,3-triol.

Deel I — Trioleïne.

Geef de formule van oliezuur en van glycerol.
Schrijf de formule van trioleïne op en bereken zijn molaire massa.
Hoeveel estergroepen bevat het?
Oliezuur heeft één cis-dubbele binding. Waarom zijn oliën die er rijk aan zijn vloeibaar bij kamertemperatuur?
Wat zou verzeping van trioleïne geven?
Wat is biodiesel, chemisch gezien?

Deel II — Omestering.

Schrijf de omestering van trioleïne met methanol op.
Waarom wordt een base (natriummethoxide of -hydroxide) als katalysator gebruikt?
Teken het tetraëdrische intermediair van de eerste uitwisseling.
Waarom wordt methanol in overmaat gebruikt (zes equivalenten in plaats van drie)?
Glycerol mengt niet met de methylesters. Waarom helpt dat?
Wordt de katalysator verbruikt in de ideale reactie?

Deel III — Vrije zuren en water.

Gebruikte frituurolie bevat vrij oliezuur. Wat doet dat met de base?
Wat doet water met de methylesters in aanwezigheid van de base?
Waarom is de gevormde zeep hinderlijk?
Hoe kunnen de vrije zuren eerst verwijderd worden, zonder base?
Waarom moet de olie vóór de reactie gedroogd worden?

Deel IV — Per ton olie.

Bereken de hoeveelheid trioleïne in één ton.
Bereken de massa verbruikte methanol.
Bereken de massa gevormd methyloleaat.
Controleer het behoud van massa.
Een olie met 2 % vrij oliezuur in massa wordt behandeld met natriumhydroxide: bereken de massa natriumhydroxide die per ton door het zuur verbruikt wordt.
Bereken de massa glycerol die per ton trioleïne als nevenproduct ontstaat.

Oplossing

Oplossing van Probleem 24.1.

1. Oliezuur $\ce{C18H34O2}$ ; glycerol $\ce{C3H8O3}$ . 2. $\ce{C57H104O6}$ : $57 \times 12.011 + 104 \times 1.008 + 6 \times 15.999 = 885.45\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . 3. Drie. 4. De cis-dubbele binding geeft de ketens een knik, zodat ze slecht stapelen: zwakke intermoleculaire krachten, een laag smeltpunt. 5. Glycerol en drie natriumoleaat, een zeep. 6. Een mengsel van methylesters van vetzuren. 7. $\ce{C57H104O6 + 3CH3OH -> C3H8O3 + 3C19H36O2}$ . 8. Het methoxide-ion, gevormd uit methanol en de base, is een veel sterker nucleofiel dan methanol; het valt de carbonylgroepen van de esters aan. 9. Het carbonylkoolstofatoom van één estergroep, dat $\ce{O-}$ , de $\ce{OCH3}$ van het methoxide en het glycerylzuurstofatoom draagt: tetraëdrisch. 10. Omestering is een evenwicht met een constante rond 1; een overmaat methanol verschuift het naar de methylesters. 11. Glycerol scheidt zich af als onderste laag: een product verwijderen drijft het evenwicht voort. 12. Nee: methoxide wordt bij elke uitwisseling teruggevormd. 13. Het neutraliseert de base en geeft natriumoleaat (zeep): de katalysator wordt verbruikt. 14. Het verzeept ze: hydroxide (uit water en methoxide) knipt de esters onomkeerbaar door tot zeep en methanol. 15. Ze verbruikt base, emulgeert het mengsel en verhindert dat de glycerollaag zich afscheidt. 16. Door eerst een zuurgekatalyseerde verestering met methanol, die de vrije zuren omzet in methylesters. 17. Water hydrolyseert esters en zet de katalysator om in hydroxide, dat verzeept. 18. $10^6/885.45 = 1129\,\mathrm{mol}$ . 19. $3 \times 1129 \times 32.04 = 108.6\,\mathrm{kg}$ . 20. $3 \times 1129 \times 296.50 = 1004.6\,\mathrm{kg}$ . 21. $1000 + 108.6 = 1108.6\,\mathrm{kg}$ erin; $104.0 + 1004.6 = 1108.6\,\mathrm{kg}$ eruit. 22. $20\,\mathrm{kg}$ oliezuur, $20\,000/282.47 = 70.8\,\mathrm{mol}$ , evenveel $\ce{NaOH}$ : $2.83\,\mathrm{kg}$ . 23. $1129 \times 92.09 = \boldsymbol{\approx 104\,\mathrm{kg}}$ glycerol per ton.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst