Номер 236, страница 127 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.236. Запишите в общем виде механизм реакции этерификации. Какую роль выполняет кислота в данной реакции? Какие стадии данного механизма обратимы?

Решение

Запишите в общем виде механизм реакции этерификации.

Реакция этерификации — это реакция образования сложного эфира при взаимодействии карбоновой кислоты и спирта. Реакция катализируется сильной кислотой (например, серной) и является обратимой. Общее уравнение реакции:

$$ \underset{\text{Карбоновая кислота}}{\text{R-COOH}} + \underset{\text{Спирт}}{\text{R'-OH}} \xrightleftharpoons[H^+]{\text{t}} \underset{\text{Сложный эфир}}{\text{R-COOR'}} + \underset{\text{Вода}}{\text{H_2O}} $$

Механизм реакции (кислотный катализ) включает несколько обратимых стадий:

1. Протонирование карбонильного кислорода кислоты. Катализатор (ион $H^+$) присоединяется к атому кислорода карбонильной группы, что увеличивает положительный заряд на атоме углерода и делает его более восприимчивым к атаке нуклеофила.

   $$ \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{O}}{\|}}{\text{C}}-\text{OH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{O}^+\text{H}}{\|}}{\text{C}}-\text{OH} $$

2. Нуклеофильная атака спирта. Молекула спирта, обладая неподеленной электронной парой на атоме кислорода, атакует электрофильный атом углерода карбонильной группы. Образуется тетраэдрический интермедиат (промежуточное соединение).

   $$ \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{O}^+\text{H}}{\|}}{\text{C}}-\text{OH} + \text{R'OH} \rightleftharpoons \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{OH}}{\large|}}_{\underset{\large|}{\text{O}^+\text{HR'}}}{\text{C}}-\text{OH} $$

3. Перенос протона. Происходит быстрый перенос протона от присоединившейся группы $-O^+HR'$ к одной из гидроксильных групп. В результате одна из OH-групп превращается в хорошую уходящую группу — молекулу воды ($H_2O$).

   $$ \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{OH}}{\large|}}_{\underset{\large|}{\text{O}^+\text{HR'}}}{\text{C}}-\text{OH} \rightleftharpoons \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{OH}_2^+}{\large|}}_{\underset{\large|}{\text{OR'}}}{\text{C}}-\text{OH} $$

4. Отщепление воды. Тетраэдрический интермедиат распадается с отщеплением молекулы воды и образованием протонированной формы сложного эфира.

   $$ \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{OH}_2^+}{\large|}}_{\underset{\large|}{\text{OR'}}}{\text{C}}-\text{OH} \rightleftharpoons \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{O}^+\text{H}}{\|}}{\text{C}}-\text{OR'} + \text{H}_2\text{O} $$

5. Депротонирование. На последней стадии от протонированного сложного эфира отщепляется протон (катализатор), образуя конечный продукт — сложный эфир.

   $$ \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{O}^+\text{H}}{\|}}{\text{C}}-\text{OR'} \rightleftharpoons \text{R}-\stackrel{\stackrel{\large\text{O}}{\|}}{\text{C}}-\text{OR'} + \text{H}^+ $$

Ответ: Механизм реакции этерификации представляет собой катализируемое кислотой нуклеофильное присоединение спирта к карбонильной группе карбоновой кислоты с последующим отщеплением молекулы воды через ряд обратимых стадий.

Какую роль выполняет кислота в данной реакции?

В реакции этерификации сильная кислота (например, $H_2SO_4$) выполняет роль катализатора. Её функции заключаются в следующем:

• Активация карбоновой кислоты: Кислота протонирует атом кислорода карбонильной группы ($C=O$) карбоновой кислоты.
• Увеличение электрофильности: Протонирование делает атом углерода карбонильной группы значительно более электрофильным (увеличивает на нем частичный положительный заряд).
• Облегчение атаки нуклеофила: Повышенная электрофильность углерода облегчает атаку со стороны слабого нуклеофила, каким является спирт. Без катализатора реакция протекает крайне медленно.
• Регенерация: В конце реакции катализатор ($H^+$) регенерируется, то есть не расходуется в ходе процесса.

Ответ: Кислота выступает в роли катализатора, активируя карбоновую кислоту путем протонирования карбонильной группы, что увеличивает ее реакционную способность по отношению к спирту.

Какие стадии данного механизма обратимы?

Реакция этерификации является классическим примером обратимой реакции. Обратный процесс называется кислотным гидролизом сложного эфира. Согласно принципу микроскопической обратимости, если прямая реакция протекает по определенному механизму, то обратная реакция идет по тому же пути в обратном направлении. Это означает, что каждая отдельная стадия в механизме этерификации является обратимой. На схемах механизма это обозначается символом равновесия (⇌). Для смещения равновесия в сторону образования сложного эфира используют избыток одного из реагентов (обычно спирта) или удаляют один из продуктов (обычно воду) из реакционной смеси.

Ответ: Все стадии механизма реакции этерификации являются обратимыми.