Номер 183, страница 117 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.183. Запишите в общем виде механизм реакции этерификации. Какую роль в данном процессе выполняет кислотный катализатор?

Решение

Механизм реакции этерификации

Реакция этерификации — это реакция образования сложного эфира при взаимодействии карбоновой кислоты и спирта, катализируемая кислотой. Это обратимый процесс, относящийся к реакциям нуклеофильного ацильного замещения.

Общее уравнение реакции:

$\ce{R-COOH + R'-OH <=>[H+] R-COO-R' + H2O}$

Механизм реакции включает следующие стадии:

1. Стадия 1: Протонирование карбонильной группы.

   Протон из кислоты-катализатора присоединяется к атому кислорода карбонильной группы ($C=O$) карбоновой кислоты. Это повышает электрофильность карбонильного атома углерода, так как положительный заряд делокализуется на него. Это делает углерод более восприимчивым к атаке слабого нуклеофила (спирта).

   $\ce{R-C(=O)-OH + H+ <=> R-C(=\stackrel{+}{O}H)-OH <-> R-\stackrel{+}{C}(OH)2}$

2. Стадия 2: Нуклеофильная атака спирта.

   Молекула спирта атакует активированный карбонильный атом углерода. Образуется протонированный тетраэдрический интермедиат (промежуточное соединение).

   $\ce{R-\stackrel{+}{C}(OH)2 + R'OH <=> R-C(OH)2-\stackrel{+}{O}(H)R'}$

3. Стадия 3: Перенос протона.

   Происходит быстрый перенос протона с присоединенной молекулы спирта на одну из гидроксильных групп. В результате одна из -OH групп превращается в группу $\ce{-OH2+}$, которая является хорошей уходящей группой (молекула воды).

   $\ce{R-C(OH)2-\stackrel{+}{O}(H)R' <=> R-C(OH)(OR')-\stackrel{+}{O}H2}$

4. Стадия 4: Отщепление воды.

   Тетраэдрический интермедиат распадается. Молекула воды отщепляется, а электронная пара оставшейся гидроксильной группы образует двойную связь $\ce{C=O}$. В результате образуется протонированный сложный эфир.

   $\ce{R-C(OH)(OR')-\stackrel{+}{O}H2 <=> R-C(=\stackrel{+}{O}H)-OR' + H2O}$

5. Стадия 5: Депротонирование.

   На заключительной стадии протонированный сложный эфир отдает протон (например, молекуле воды или спирта), образуя конечный продукт — сложный эфир, и регенерируя кислотный катализатор.

   $\ce{R-C(=\stackrel{+}{O}H)-OR' <=> R-C(=O)-OR' + H+}$

Ответ:

Механизм реакции этерификации представляет собой многостадийный процесс нуклеофильного ацильного замещения, который включает: протонирование карбоксильной группы, нуклеофильную атаку спирта с образованием тетраэдрического интермедиата, перенос протона, отщепление молекулы воды и депротонирование с образованием сложного эфира и регенерацией катализатора.

Роль кислотного катализатора

Кислотный катализатор (например, $\ce{H2SO4}$, $\ce{HCl}$) играет важнейшую роль в реакции этерификации, выполняя несколько функций:

1. Активация карбоновой кислоты. Основная роль катализатора — увеличение реакционной способности карбоновой кислоты. Путем протонирования карбонильного кислорода катализатор значительно повышает электрофильность карбонильного атома углерода. Это делает его более "привлекательным" для атаки со стороны слабого нуклеофила, каким является спирт.

2. Превращение плохой уходящей группы в хорошую. Гидроксильная группа ($\ce{-OH}$) является плохой уходящей группой. Катализатор (протон) присоединяется к ней, образуя группу $\ce{-OH2+}$. Молекула воды ($\ce{H2O}$) является гораздо лучшей (более стабильной) уходящей группой, что облегчает ее отщепление на 4-й стадии механизма.

3. Увеличение скорости реакции. Без катализатора реакция между карбоновой кислотой и спиртом протекает крайне медленно. Катализатор предоставляет альтернативный реакционный путь с более низкой энергией активации, тем самым значительно ускоряя достижение равновесия.

4. Смещение равновесия (для водоотнимающих кислот). Если в качестве катализатора используется концентрированная серная кислота, она также выступает в роли водоотнимающего агента. Связывая воду, образующуюся в ходе реакции, она смещает химическое равновесие вправо (в сторону продуктов) в соответствии с принципом Ле Шателье, что приводит к увеличению выхода сложного эфира.

Ответ:

Кислотный катализатор в реакции этерификации ускоряет реакцию, активируя карбоновую кислоту (путем протонирования карбонильной группы, что усиливает ее электрофильность) и облегчая уход гидроксильной группы (путем ее протонирования до воды). Некоторые катализаторы, как серная кислота, также смещают равновесие в сторону продуктов, поглощая воду.