酯化反应

一．酯化反应概述酯化反应通常指醇或酚与含氧的酸类（包括有机酸和无机酸）作用生成酯和水的过程，也就是在醇或酚羟基的氧原子上引入酰基的过程，也称为O-酰化反应。其通式如下：Rˊ可以是脂肪族或芳香族，即醇或酚，R″COZ是酰化剂，其中的Z可以代表-OH，-X，-OR，-OCOR，-NHR等。生成羧酸酯分子中的R′和R″可以是相同或不同，酯化的方法很多，主要可以分为以下四类：1.酸和醇或酚直接酯化法酸和醇的直接酯化法是最常用的方法，具有原料易得的优点，这是一个可逆反应。2.酸的衍生物与醇的酯化酸的衍生物与醇的酯化主要包括醇与酰氯，醇与酸酐，醇与羧酸盐等的反应，方程式如下：3.酯交换反应酯交换反应主要包括酯与醇，酯与酸，酯与酯之间的交换反应，化学方程式如下：4.其它酯化方法还包括烯酮与醇的酯化，腈的醇解，酰胺的醇解，醚与一氧化碳合成酯的反应。如：二．几种主要的酯化反应1．酸和醇或酚直接酯化法上述反应的平衡点和酸、醇的性质有关。(1).直接酯化法的影响因素：①.酸的结构脂肪族羧酸中烃基对酯基的影响，除了电子效应会影响羰基碳的亲电能力，空间位阻对反应速度也有很大的影响。从表7-5-01可以看出，甲酸及其它直链羧酸与醇的酯化反应速度均较大，而具有侧链的羧酸酯化就很困难。当羧酸的脂肪链的取代基中有苯基时，酯化反应并未受到明显影响；但苯基如与烯键共轭时，则酯化反应受到抑制。至于芳香族羧酸，一般比脂肪族羧酸酯化要困难得多，空间位阻的影响同样比电子效应大得多，而且更加明显，以苯甲酸为例，当邻位有取代基时，酯化反应速度减慢；如两个邻位都有取代基时；则更难酯化，但形成的酯特别不易皂化。②醇或酚结构醇对酯化反应的影响也主要受空间位阻的影响，这在表7-5-02可以看到。伯醇的酯化反应速度最快，仲醇较慢，叔醇最慢。伯醇中又以甲醇最快。丙烯醇虽也是伯醇，但因氧原子上的未共享电子与分子中的不饱和双键间存在着共轭效应，因而氧原子的亲核性有所减弱，所以其酯化速度就较碳原子数相同的饱和丙醇为慢。苯甲醇由于存在苯基，酯化速度受到影响。叔醇的酯化，由于空间位阻的缘故就更困难。另一方面，叔醇在反应中极易与质子作用发生消除反应脱水生成烯烃，而得不到酯。叔醇的酯化一般采用酸酐和酰氯。③催化剂催化剂对酯化反应是很重要的，强酸催化剂可以降低反应的活化能从而加速反应的进行。强酸催化剂存在下的酯化反应依醇的结构可有酰氧键断裂（伯、仲醇）和烷氧断裂（叔醇）两种机理。酰氧键断裂机理烷氧键断裂机理强酸性催化剂的应用以浓硫酸、干燥氯化氢、对甲苯磺酸为最多。除此之外，还有磺酸型阳离子交换树脂，二环己基碳二亚胺，四氯铝醚络合物等。浓硫酸具有酸性强，吸水性好，性质稳定，催化效果好等优点，缺点是具有氧化性，且会导致磺化、碳化或聚合等副反应，一般温度低于100℃，用量约为羧酸量的1/3~1/5。碳链较长，分子量较大的羧酸和醇的酯化反应，因其反应温度较高通常不宜使用硫酸作催化剂。干燥氯化氢具有酸性强，无氧化性和挥发易于除去的优点，缺点主要是腐蚀性强，操作复杂。本法适用于某些以浓硫酸催化时易发生脱水等副反应的含羟基化合物的酯化，亦常用于氨基酸的酯化。例如对甲苯磺酸具有浓硫酸的一切优点，且无氧化性，碳化作用亦较浓硫酸弱，工艺较简单，惟独价格较高。可用于温度较高和浓硫酸不能使用的场合。强酸性阳离子交换树脂具有酸性强，易分离，副反应少的优点，同时也可再生套用，是新型的高效催化剂。除此之外，四氯铝醚络合物、三氟乙酸酐也是较常用的催化剂。三氟乙酸酐适于空间位阻较大的羧酸和醇的酯化。二环己基碳二亚胺（简称DCC）具有分离简单，可以回收利用，以及反应常在室温下进行的优点，是较新型的催化剂。④平衡转化率酸和醇的直接酯化法是可逆反应，其平衡常数K为：从K式可知，如果把水的浓度降低，则酯的浓度就会增高，酸和醇的浓度就会相应地降低来维持K为常数。因此酯化反应要把缩合所形成的水不断除去，以提高酯的产率。除去水的方法，有物理方法和化学方法。物理方法可用恒沸蒸馏法，即在反应系统（酸、醇、催化剂）中加入和水不相混溶的溶剂，如苯、甲苯、二甲苯、氯仿、四氯化碳等，进行蒸馏。例如，有乙醇参与的酯化反应，苯、乙醇和水可形成三组分最低共沸液，沸点为64.8℃,苯：乙醇：水的成分比为74.1%：18.5%：7.4%。馏液分为两层，上层为苯-乙醇层，可使其回到反应器中，下层为水-乙醇层，可不断除去。蒸馏到不再有水生成，酯化即告结束。又如用四氯化碳，它与乙醇和水形成三组分最低共沸液，沸点为61℃，成分比为四氯化碳：乙醇：水为10%：65%：25%。馏液上层为水层，要不断分去，下层回到反应液中。化学除水方法，可以用无水盐类，如硫酸铜，它能同水化合成水合晶体：但效果不太好。硫酸和盐酸（实际上使用无水氯化氢）是催化剂，同时也是去水剂。有效的去水剂如乙酰氯、亚硫酰氯、氯磺酸等，这些去水剂的效果较好。另外碳二酰亚胺（R-N=C=N-R）是极好的去水剂，可在室温下进行酯化的脱水。三氟化硼和它的乙醚络合物则既是催化剂也是去水剂。而对于易挥发的酯，如甲酸甲酯、乙酸甲酯，甲酸乙酯等酯的沸点比反应所用的醇的沸点更低，因此可以全部从反应混合物中蒸出，而剩余的是醇和水。2.酸的衍生物与醇的酯化除了酸和醇直接酯化以外，可以将酸转变为它们的衍生物再与醇缩合，这时除了酯外，放出的小分子不是水而是其它化合物。这里的酸的衍生物主要是指酸酐、酰氯、羧酸的盐。(1).酸酐与醇或酚的反应酸酐为较强的酰化剂，适用于直接酯化法难以反应的酚羟基或空间位阻较大的羟基化合物，反应生成的羧酸不会使酯发生水解，所以这种酯化反应可以进行完全。常用的酸酐是乙酸酐，反应常加入少量酸性或碱性催化剂来加速反应。如硫酸、高氯酸、氯化锌、三氯化铁、吡啶、无水乙醇钠、对甲苯磺酸或叔胺等。强酸的催化作用可能是氢质子首先与酸酐生成酰化能力较强的酰基正离子：吡啶的催化作用一般认为是吡啶与酸酐形成活性络合物：醇和酸酐酯化反应的难易程度和醇的结构有关，由表7-5-03可以看出，伯醇仲醇叔醇(2).酰氯与醇或酚的反应酰氯与醇或酚的反应得到酯和氯化氢，是常用的酯化反应。这是一个不可逆反应，酰氯的酯化极易进行，其酰化能力大于酸酐，反应生成的氯化氢较易除去。如果采用六甲基磷酸三酰胺为溶剂对这一反应有利。镁屑的存在，常常也有很好的效果。有时不需先制成酰氯，只把醇（酚）和酸混合，加入亚硫酰氯、三氯化磷之类即可。这对那些不易做成酰氯的酸特别有利。脂肪族酰氯活性较高，对水敏感，特别是低级脂肪酰氯，遇水极易分解，如需用溶剂，可用非水溶剂，如苯、二氯甲烷等。芳香族酰氯活泼性较次，对水不敏感，可在碱的水溶液中进行，称为Schotten-Baumannreaction.现在这一反应已不再常用，而改用Einhornreaction,即用吡啶代替碱的水溶液。吡啶不仅可以中和反应所形成的氯化氢，还可使酰氯活化：对于特别敏感的醇，还可将它转化为醇锂，再和酰氯反应，如：或是只用适量的吡啶，而用己烷为溶剂，使形成的吡啶盐酸盐立即沉淀（吡啶盐酸盐留在溶液中，能使之类的醇失水成为双烯）由于酰氯化反应生成腐蚀性的HCl和SO2，为此采用如下方法改进：①酰氯化DMF(二甲基甲酰胺)改进法主要是以DMF吸收SO2，反应中间体可不必分离，生成的HCl和吡啶结合形成盐酸盐。反应在室温下进行，工艺简单、周期短、收率亦高。唯DMF和吡啶的回收较困难。以胺菊酯的合成为例：成盐反应：二氧化硫吸收于过量的DMF中。酰氯化反应：成酯反应略。②酰氯化吡啶改进法反应首先是使用过量的吡啶与SOCl2在低温下成盐，既而酰氯化，再成酯，仍以胺菊酯合成为例：成盐反应：酰氯化反应：成酯反应略。本法不仅具有DMF改进法的优点，且吡啶易回收，收率亦较DMF改进法高。(3).羧酸盐与卤化物酯化法羧酸盐（一般指钠盐或钾盐）可与活泼的氯化物（或苄卤）反应生成酯。该反应可进行完全，操作及后处理都较简单，反应通常在乙醇、丙酮等有机溶剂中进行，为了使羧酸盐溶解，宜使用含水溶剂，有时也使用相转移催化剂，例如叔胺或季铵盐等。其催化过程如下：3.酯交换反应酯交换反应包括醇解、酸解、酯交换三种：这三种类型都是可逆反应，其中酯互换反应并不常用，而醇解是应用最多的。其平衡反应式如下：一般是把酯分子中的伯醇基由另一高沸点的伯醇基所替代，甚至可以由仲醇基所替代。其中，伯醇最易反应，仲醇次之。反应的平衡是通过不断的将生成的醇蒸出而实现的。反应在酸或碱催化作用下均可进行，而以碱用的较多。由于酯交换的醇解在酸性或碱性条件下均易发生，因此，其它醇的酯，不宜在乙醇中重结晶，或用乙醇为溶剂进行反应如氢化等，特别是用骨架镍催化剂的氢化，因为骨架镍催化剂中可能有微量的碱。在硫酸或氯化氢的作用下，腈与醇也可发生醇解，由于腈的合成方法较多，容易制取，因此该法也应用较广。这种方法的优点在于腈可以直接转变为酯，而不必先制成羧酸。工业上利用此法大量生产甲基丙烯酸甲酯，供制备有机玻璃用。丙酮与氰化钠反应生成丙酮氰醇，再在100℃下用浓硫酸反应，生成相应的甲基丙烯酰胺硫酸盐，然后在90℃与甲醇反应生成相应的甲基丙烯酸甲酯：腈的醇解还经常用于合成多官能团的酯，例如丙二酸酯、氨基酸酯、酮酸酯等，都可通过相应的腈经醇解来制取，如用α-氰乙酸酯合成丙二酸酯：酸解是通过酯与羧酸的交换反应合成另一种酯，虽然其反应不如醇解普遍，但这种方法特别适用于合成二元酸单酯及羧酸乙烯酯等。酸解反应与其它可逆反应相似，为了获得较高的转化率，必须使一种原料超过理论量，或者使反应生成物不断地分离出来。各种有机羧酸的反应活性相差不大，只有带支链的羧酸，某些芳香族羧酸以及空间位阻较大的羟酸（如有邻位取代基的苯甲酸衍生物），其反应活性比一般的羧酸为弱。乙酸乙烯酯及乙酸丙烯酯都是容易得到的原料，通过酸解反应，可以合成多种羧酸乙烯酯或羧酸丙烯酯。例如在催化剂乙酸汞及浓硫酸存在下，乙酸乙烯酯与十二酸加热回流，即酸解成十二酸乙烯酯：酯交换法的应用较少，是通过两种不同的酯之间进行交换反应，生成两种新酯的反应，该法成本较高。当有些酯不能采用直接酯化法或其它酰化方法来制备时，可采用此法：此反应完成的先决条件是在反应生成的酯中至少有一种酯的沸点要比另一种酯的沸点低得多，这样在反应过程中，就能不断蒸出沸点较低的生成的酯，同时获得另一种生成的酯。例如对于其它方法不易制得的叔醇的酯，可先制成甲酸的叔醇酯，再和指定羧酸的甲酯进行反应：因为甲酸甲酯的沸点很低（31.8℃）,很容易从反应产物中蒸出，就能使酯互换顺利进行。4.其它除了上面讲的这些常用的酯化方法，还有烯酮与醇的加成酯化法。该法适用于反应活性较差的叔醇及酚类的酯的合成，应用较广泛的烯酮是乙烯酮和双乙烯酮。乙烯酮是由乙酸在高温下热裂脱水而成，由于其活性极高，与醇类反应可顺利制得乙酸酯，该反应是烯酮与醇先发生加成反应，再通过互变异构而生成酯：此法收率较高，可用酸性或碱性催化剂催化。如硫酸、对甲苯磺酸、叔丁醇钾等。当含有α-氢的醛或酮与乙烯酮反应生成乙酸烯醇酯。此外，乙烯酮的二聚体，即双乙烯酮，也有很高的反应活性，在酸或碱的催化下，双乙烯酮与醇能反应生成β-酮酸酯。此法不仅产率较高，而且还可以合成用其它方法难以制取的β-酮酸叔丁酯。例如叔丁醇、乙酸钾和双乙烯酮一起加热，便生成乙酰乙酸叔丁酯：又如工业上大批量制备的乙酰乙酸乙酯就是由双乙烯酮与乙醇反应而成，合成路线较其它方法简便得多。