费歇尔酯化反应机理

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介绍

费歇尔酯化反应机理指的是在强酸催化剂存在下，羧酸和醇合成酯的过程。费歇尔酯化反应通常被称为费歇尔-施佩尔酯化反应，以发明它的科学家亚瑟·施佩尔和埃米尔·费歇尔的名字命名。该反应需要醇和热的参与才能进行。他们在 1895 年首次描述了费歇尔酯化反应。

费歇尔酯化过程通常是可逆的。$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$、对甲苯磺酸以及包括 $\mathrm{C_{3}F_{9}O_{9}S_{3}Sc}$（三氟甲磺酸钪）在内的路易斯酸是费歇尔酯化反应机理中常用的催化剂。

这在很大程度上是一种热力学控制的机理，其中最稳定的酯由于其稳定性而成为主要产物。当存在多个反应位点以及需要避免的副产物酯时，这可能是一个重要的特征。另一方面，涉及酸酐和酰氯的快速反应通常是动力学控制的。

费歇尔酯化反应机理是什么意思？

费歇尔酯化反应是指羧酸和醇在酸催化剂存在下发生的反应。最终产物是酯和水。这个过程是一个在热的存在下发生的可逆反应。特别是强酸如对甲苯磺酸、路易斯酸和硫酸已被用作催化剂。

费歇尔酯化反应的机理

在过量的醇和强酸催化剂存在下，该过程将羧酸转化为酯作为最终产物，以及水作为副产物。机理中有多个步骤：

• 酸催化剂最初充当羰基氧的亲核试剂，使其能够发生乙醇的亲核进攻。

• 醇对羰基发起亲核进攻。醇的 𝑂 原子的孤对电子与羰基碳键合，破坏其与另一个 𝑂 原子的 π 键。键中的电子向上转移到 𝑂，中和其正电荷。然后生成一个氧鎓离子。

• 之后，从氧鎓离子到 𝑂𝐻 基团发生质子交换，最终形成一个非常活跃的位点。它可以分为两个步骤：首先，醇去质子化氧鎓离子，生成三元络合物，然后 𝑂𝐻 基团接受醇的质子。

• 在 1,2 消除水之后，生成了质子化的酯。一个 𝑂 原子在碳之间形成 π 键，释放水。

• 剩余的带正电的 𝑂 去质子化，生成所需的酯。

费歇尔酯化反应机理的优点

费歇尔酯化相对于所有传统酯化方法的基本优势在于其简单性。当酸敏感官能团不是问题时，可以使用简单的酸性条件；可以使用 $\mathrm{H_{2}SO_{4}}$；可以以延长反应时间为代价加入更温和的酸。但由于化学物质相当“直接”，因此在垃圾和试剂毒性方面对环境的影响非常小。烷基卤化物有可能成为温室气体甚至臭氧消耗物质，以及环境污染物。酰氯暴露于大气水分时会释放氯化氢气体，具有很强的毒性，并且与水和其他亲核试剂反应迅速；它们从除首选醇之外的其他亲核试剂中自由淬灭；即使其最常用的制备途径也考虑到了有害 $\mathrm{CO}$ 或 $\mathrm{SO_{2}}$ 气体的释放。

费歇尔酯化反应机理的缺点

费歇尔酯化过程的主要缺点是其热力学可逆性和通常缓慢的反应速率，根据反应参数，反应速率可以从几周到几年不等。当其他官能团似乎对强酸有反应性时，替代方案可能很成问题，在这种情况下，也可能选择其他催化酸。如果得到的酯似乎比水和试剂都具有较低的沸点，则它可能会蒸发而不是水；这种情况很常见，因为没有质子官能团的酯与它们的质子亲本反应物相比具有较低的沸点。当酯产物可以与试剂分离纯化时，纯化和萃取会得到简化；然而，反应速率会降低，因为在这种情况下总反应温度受到限制。然后，反应混合物应该被密封并轻轻加热，并且通常需要提供大量的起始原料。

费歇尔酯化反应机理的例子

脂肪族酯

芳香族酯

结论

费歇尔酯化反应确实是一种将羧酸转化为酯的化学过程。在反应过程中存在过量的醇和活性酸催化剂。产物和反应物在整个反应过程中处于平衡状态。费歇尔酯化反应机理通常涉及多个步骤，第一步是形成酰基酶中间体。

然后，醇攻击该中间体，导致酯键的形成。该机理以酶从酯产物中释放而结束。在水的存在下，会生成酯，为了避免这种可逆反应，必须持续去除酯。平衡是费歇尔酯化的固有局限性之一。然而，在酯化反应中，𝐻2𝑆𝑂4 可能是最常用和有效的酸催化剂。羧酸与硫酸的比例应为 1:1。

常见问题

1. 费歇尔酯化的用途是什么？

该过程主要用于生成酯，酯用于制造各种产品，如油漆、树脂等。除了其合成和生物用途外，酯化反应还被用于制造香料或风味。

2. 为什么在费歇尔酯化装置中使用干燥管？

由于副产物中包含水，因此在装置中需要干燥管。水会导致反应逆转，这是不希望发生的。

3. 如何提高费歇尔酯化的产率？

可以通过提高反应物的浓度来提高酯的产率。根据勒夏特列原理，过量的其中一种试剂会使反应向右移动，从而提高酯的合成或酯的产率。

4. 酯化作用有什么作用？

酯化可以提高脂肪酸的挥发性，减少气相中的二聚作用，以及减少粘附性。它促进了最大限度的配置、提取和样品检测。已经提出了诸如异丙基、乙基、异丁基、正丁基和甲基等脂肪酸酯。

5. 为什么酯化需要很长时间？

因为酯是混合物中唯一不能形成 𝐻 键的组分，并且具有最少的分子间相互作用。相对较大的酯形成速度较慢。在某些情况下，可能需要将加热的混合物在溢流下放置一段时间以生成平衡混合物。