¿Qué tienen en común el jabón, el biodiésel, los plásticos y los perfumes? Aunque estas sustancias parezcan completamente diferentes, todas están hechas de un componente clave: los ésteres.
- Este artículo trata de los ésteres en la química orgánica.
- Empezaremos por definir los ésteres, antes de ver su nomenclatura.
- A continuación, exploraremos algunas de sus propiedades.
- Por último, veremos brevemente algunas de las reacciones en las que intervienen.
¿Qué son los ésteres?
Los ácidos carboxílicos contienen un grupo funcional conocido como grupo carboxilo, -COOH, y tienen la fórmula general RCOOH. Para formar un éster, el átomo de hidrógeno del grupo carboxilo del ácido carboxílico se sustituye, simplemente, por el grupo R de un alcohol. Así, da a los ésteres la fórmula general y el grupo funcional -COO-.
Los ésteres pueden fabricarse de diversas formas, pero lo más habitual es que se hagan a partir de ácidos carboxílicos y alcoholes.
¿Qué es la esterificación?
La esterificación es un tipo de reacción que produce un éster. En este caso, hacemos reaccionar un ácido carboxílico con un alcohol para producir un éster y agua. Se trata de una reacción reversible, lo que significa que tanto la reacción hacia delante como la reacción hacia atrás ocurren al mismo tiempo, en un estado de equilibrio dinámico.
Puedes sintetizar un éster fácilmente en el laboratorio:
- Calienta un ácido carboxílico y un alcohol en un baño de agua con unas gotas de ácido sulfúrico.
- Cuando la reacción se haya completado, vierte la mezcla en un vaso de precipitados lleno de agua.
- Por diferencia de densidad, se formará dos capas: el éster formará una capa superior, mientras que los ácidos y el alcohol restantes se disuelven en la disolución inferior.
- Con la mano, haz que el aire pase por el vaso de precipitados hacia tu nariz. Debe oler a fruta.
Los ésteres suelen tener un olor aromático, por lo que se utilizan en artículos de baño, perfumes y limpiadores domésticos. De hecho, se utilizan incluso en alimentos comunes como aromatizantes.
Por ejemplo, el éster etanoato de etilo. Huele a pera, por lo que lo utilizamos en los caramelos duros.
Puedes ver en la molécula anterior que los ésteres contienen un grupo R con el grupo funcional carbonilo, C=O; y un grupo R, que es simplemente una cadena de hidrocarburos. El grupo R que contiene el enlace C=O proviene del ácido carboxílico, mientras que el otro grupo R proviene del alcohol.
La producción de ésteres a gran escala es un poco diferente a la producción de ésteres en tubos de ensayo, y depende del tipo de éster que se quiera crear.
Para fabricar ésteres de cadena corta —como el etanoato de etilo, CH3COOCH2CH3— se calienta etanol y ácido etanoico con un catalizador ácido fuerte y concentrado, y se destila el producto; es decir, el éster. El éster tiene el punto de ebullición más bajo de todas las sustancias implicadas, porque no puede formar enlaces de hidrógeno consigo mismo, a diferencia de los alcoholes y los ácidos carboxílicos. La destilación del producto también desplaza nuestro equilibrio hacia la derecha; esto aumenta el rendimiento de la reacción.
Sin embargo, si queremos hacer ésteres de cadena más larga tenemos que utilizar el reflujo. El reflujo consiste en calentar una mezcla de reacción en un recipiente cerrado. Esto significa que cualquier componente volátil que se evapore, se condensa, y vuelve a caer en la mezcla de reacción. Así, evita que se evapore, antes de que pueda reaccionar. Los productos pueden, entonces, separarse por destilación fraccionada.
Nomenclatura de los ésteres
Como hemos visto anteriormente, los ésteres están formados por dos moléculas diferentes: un ácido carboxílico y un alcohol. Sus nombres tienen dos partes y reflejan estas dos moléculas.
- La primera parte del nombre proviene del alcohol. Se nombra igual que se nombran las cadenas laterales de hidrocarburos en otras moléculas orgánicas. Utiliza el nombre de la raíz del alcohol para mostrar su longitud, y termina en el sufijo -ilo.
- La segunda parte del nombre proviene del ácido carboxílico. También utiliza el nombre de la raíz del ácido carboxílico para mostrar su longitud, y termina en el sufijo -oato.
Aunque no sepas de qué ácido carboxílico o alcohol está hecho un éster, puedes averiguar fácilmente su nombre contando los carbonos de las cadenas de su grupo R.
Ejemplos de nomenclatura de los ésteres
Veamos juntos algunos ejemplos:
Observa la molécula de arriba: el grupo R de la izquierda contiene el grupo carbonilo. Debe proceder de un ácido carboxílico, por lo que termina en el sufijo -oato. Si contamos los carbonos de su cadena, vemos que tiene dos; por tanto, podemos darle el nombre de raíz -et-. Si juntamos el nombre de la raíz y el sufijo, obtenemos etanoato.
Sin embargo, ¡Esto es solo la mitad de la historia! El grupo R de la derecha debe proceder de un alcohol. Solo tiene un carbono en su cadena carbonada, así que lo llamamos metilo. Combinando los dos nombres, obtenemos el etanoato de metilo.
¿Qué es el etanoato de metilo?
Veamos ahora la estructura del etanoato de metilo:
Recuerda incluir el carbono que forma parte del doble enlace C=O cuando cuentes la longitud de tu cadena de carbono.
Ejemplos de ésteres en química
Sigamos con otros ejemplos:
- El grupo R de la izquierda contiene el grupo funcional carbonilo,C=O, por lo que debe proceder de un ácido carboxílico. Tiene tres átomos de carbono en su cadena carbonada, por lo que esta parte del nombre del éster es propanoato.
- El grupo R de la derecha procede de un alcohol y tiene cuatro átomos de carbono en su cadena, lo que le da el nombre de butilo. A esta molécula la llamamos propanoato de butilo.
Observa que, cuando dibujamos ésteres, tendemos a dibujar el grupo R derivado del ácido carboxílico (a la izquierda) y el grupo R derivado del alcohol (a la derecha). Sin embargo, al nombrarlos, empezamos por el grupo R derivado del alcohol.
La siguiente molécula es muy similar al propanoato de butilo, pero también contiene un grupo metilo y un átomo de cloro:
Para saber en qué lugar exacto de la molécula se encuentran, tenemos que numerar los carbonos en el esqueleto de la cadena de carbono. Tratamos cada mitad de la molécula por separado.
Recordarás (ver Compuestos Orgánicos) que se pueden numerar los carbonos de izquierda a derecha, o de derecha a izquierda; solo requeriríamos que todos los grupos laterales adicionales estuvieran en el carbono de menor número posible. Esto se llama la regla del número más bajo. Sin embargo, no podemos hacer eso con los ésteres: siempre etiquetamos los carbonos que forman el enlace como 1.
¿A qué carbonos se unen nuestros grupos adicionales? Aquí podemos ver que el grupo metilo está unido al carbono 3 del grupo R de la derecha, y el átomo de cloro está unido al carbono 3 del grupo R de la izquierda. Por lo tanto, esta molécula se denomina 3-metilbutil 3-cloropropanoato.
En lugar de decir etanoato, los científicos suelen utilizar el nombre acetato cuando hablan de ésteres basados en el ácido etanoico.
Por ejemplo, el etanoato de metilo se suele llamar acetato de metilo.
Propiedades físicas y químicas de los ésteres
Repasemos la estructura general de un grupo éster.
El doble enlace contiene un grupo carbonilo, C=O; este grupo es polar. El oxígeno es mucho más electronegativo que el carbono, por lo que atrae hacia sí los pares de electrones compartidos en el doble enlace; así, queda parcialmente cargado negativamente y deja al carbono parcialmente cargado positivamente. Esto se representa con el símbolo delta, δ, y forma un dipolo permanente. Por ello, los ésteres experimentan fuerzas dipolares permanentes entre las moléculas.
El enlace simple de un éster también es polar. Estos enlaces polares influyen en las propiedades de la molécula. A continuación se muestra su polaridad general.
Puntos de fusión y ebullición
Los ésteres tienen puntos de fusión más altos que los alcanos similares, pero puntos de fusión más bajos que los alcoholes y ácidos carboxílicos similares. Los alcanos son moléculas apolares, por lo que las únicas fuerzas intermoleculares que experimentan son débiles fuerzas de London. En cambio, los ésteres también tienen fuerzas dipolares permanentes entre las moléculas. Estas son mucho más fuertes que las fuerzas de London y requieren más energía para superarlas. Sin embargo, los alcoholes y los ácidos carboxílicos también contienen enlaces de hidrógeno entre las moléculas. Estos son el tipo de fuerza intermolecular más fuerte, y hacen que los ácidos carboxílicos y los alcoholes tengan puntos de fusión y ebullición mucho más altos que los ésteres.
Como ocurre con todas las moléculas, los ésteres de cadena larga tienen puntos de fusión y ebullición más altos que los ésteres de cadena corta. Esto se debe a que las moléculas más grandes contienen más electrones y, por tanto, tienen dipolos temporales más fuertes, lo que crea fuerzas de Van der Waals más intensas entre las moléculas. Los ésteres ramificados tienen puntos de fusión más bajos que los ésteres de cadena recta, ya que las ramificaciones hacen que las moléculas no puedan agruparse tan estrechamente. Esto reduce la atracción entre ellas.
La siguiente tabla ofrece algunos ejemplos de ésteres, sus masas relativas y sus puntos de ebullición:
| Nombre | Estructura | Masa relativa | Punto de ebullición (℃) |
| Etanoato de etilo | | 88 | 71 |
| Etanoato de propilo | | 116 | 122 |
| Butanoato de butilo | | 144 | 166 |
| Butanoato de metilpropilo | | 144 | 156 |
Tabla 1: Ejemplos de ésteres, sus masas relativas y sus puntos de ebullición.
En este caso, el butanoato de butilo tiene una masa molecular relativa mayor que el etanoato de etilo, pero menor que el propanoato de butilo. Esto significa que tiene un punto de ebullición más alto que el etanoato de etilo, pero menor que el propanoato de butilo. El butanoato de metilo tiene la misma masa relativa que el metilpropanoato de metilo. Sin embargo, al estar ramificado, las moléculas no pueden agruparse tan estrechamente. Esto le confiere un punto de ebullición más bajo.
Solubilidad
Aunque los ésteres no pueden formar enlaces de hidrógeno entre sí, sí pueden formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua. Esto se debe a que tienen un par solitario de electrones que pueden enlazar con cualquiera de los dos átomos de hidrógeno parcialmente positivos del agua. Por ello, los ésteres de cadena corta son solubles en agua. Sin embargo, los ésteres de cadena más larga no lo son. Sus cadenas de hidrocarburos no polares rompen los enlaces de hidrógeno, obstaculizando la unión. Por este motivo, al verter una solución después de crear un éster en un vaso de precipitados con agua, el éster no se disuelve y forma una capa en la superficie del agua.
Para obtener más información sobre el enlace de hidrógeno y las fuerzas dipolo-dipolo permanentes, dirígete a Fuerzas intermoleculares.
Reacciones de los ésteres
Ya hemos mencionado algunos usos de los ésteres, como perfumes, plásticos y aromatizantes. Pero, también se encuentran en el biodiésel y se utilizan a menudo como plastificantes y disolventes. Para hacer jabón, hidrolizamos los aceites vegetales. Lo veremos con más detalle en Reacciones de los ésteres; pero, por ahora, basta con conocer algunas de las otras reacciones en las que intervienen los ésteres:
- Hidrólisis ácida, para formar un ácido carboxílico y un alcohol; es un ejemplo de reacción de sustitución nucleofílica.
- La hidrólisis con bases, también conocida como saponificación, para formar una sal de ácido carboxílico y un alcohol.
- Reacción de aceites vegetales con metanol para obtener biodiésel.
- Polimerización de alcoholes y ácidos carboxílicos para formar un poliéster.
Ésteres - Puntos Claves
- Los ésteres se derivan de los alcoholes y los ácidos carboxílicos y tienen la fórmula general.
- Al nombrar los ésteres, nombramos primero el grupo R derivado de un alcohol, seguido del nombre derivado de un ácido carboxílico. Los ésteres llevan el sufijo -oato.
- Los ésteres contienen el grupo polar, por lo que experimentan fuerzas dipolares permanentes entre las moléculas. Esto les confiere puntos de ebullición más altos que los alcanos similares, pero más bajos que los alcoholes y ácidos carboxílicos similares.
- Los ésteres de cadena corta son solubles en agua; sin embargo, los de cadena larga no.
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