Reacciones de ésteres

¿Qué son los ésteres?

El acetato de etilo, conocido sistemáticamente como etanoato de etilo, es uno de los ésteres más comunes. Si lo hueles, tiene un olor característicamente afrutado, como a caramelos de pera. Lo utilizamos de muchas formas distintas: como disolvente y diluyente, para descafeinar el café y las hojas de té, como aromatizante y en artículos de tocador. Es habitual encontrarlo en perfumes, ya que es bastante volátil y se evapora fácilmente de la piel, dejando tras de sí su agradable aroma.

Los ésteres derivan de los ácidos carboxílicos y tienen la fórmula general RCOOR', como se muestra a continuación:

Fig. 1 - Estructura general de un éster. Los grupos R pueden ser grupos alquilo o arilo.

Los ésteres pueden fabricarse de varias formas, pero la más habitual es a partir de ácidos carboxílicos y alcoholes. Los denominamos con nombres basados en estos alcoholes y ácidos carboxílicos. Primero aparece el nombre derivado del alcohol, seguido del nombre derivado de los ácidos carboxílicos. Todos los ésteres terminan en el sufijo -oato. Por ejemplo, llamamos metanoato de propilo al éster formado por propanol y ácido metanoico.

Fig. 2 - Metanoato de propilo. El propilo se obtiene del propanol, en verde, mientras que el metanoato se obtiene del ácido metanoico, en morado.

Exploremos cómo se producen los ésteres.

Esterificación

Laesterificación 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.

Fig. 3 - Esterificación. Volverás a ver este diagrama más adelante en el artículo

Producción de ésteres en el laboratorio

Fabricar ésteres es un experimento práctico habitual que puedes llevar a cabo en clase.

Para hacer ésteres a escala de tubo de ensayo, utiliza un baño de agua para calentar suavemente 10 gotas de un ácido carboxílico con 10 gotas de un alcohol y 2 gotas de un catalizador ácido fuerte, como el ácido sulfúrico. No lo hagas directamente sobre una llama abierta porque los líquidos orgánicos utilizados son muy inflamables.

Como esta reacción es reversible, sólo producirás una pequeña cantidad del éster. Para olerlo, vierte la solución en un vaso de precipitados con agua. Los ésteres de cadena larga son solubles, por lo que formarán una capa sobre la superficie del agua, mientras que el ácido y el alcohol sin reaccionar se disolverán fácilmente. Si pasas el aire por encima del vaso de precipitados, deberías poder oler el éster. Mientras que los ésteres de cadena corta, como el etanoato de metilo, comúnmente conocido como acetato de metilo, huelen a disolvente o pegamento, los ésteres de cadena más larga huelen a frutas y aromas.

Fig. 4 - Diagrama de la producción de un éster en un tubo de ensayo

Intentemos escribir una ecuación. Por ejemplo, al hacer reaccionar ácido etanoico con butanol se produce etanoato de butilo, que huele a frambuesa.

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

ácido etanoico butanol etanoato de butilo agua

Fig. 5 - Etanolato de butilo. En este éster, R procede del ácido etanoico, en rojo, mientras que R' procede del butanol, en verde.

Otros métodos de producción de ésteres

También podemos fabricar ésteres de otras formas, como por ejemplo

• Reaccionando alcoholes con cloruros de acilo.
• Reaccionando alcoholes con anhídridos ácidos.

Veremos estos dos tipos de reacción con más detalle en Acilación.

Hidrólisis de ésteres

Podemos descomponer los ésteres de dos formas similares, utilizando un ácido o una base como catalizador. Estas reacciones se conocen como reacciones de hidrólisis.

Hidrólisis ácida

Ya hemos dicho que la esterificación es una reacción reversible. Si mezclas un ácido carboxílico y un alcohol con un catalizador ácido, al final la solución alcanzará un estado de equilibrio dinámico. Esto sólo significa que las moléculas cambian constantemente de forma, algunas se combinan en un éster y liberan agua, y otras vuelven a ser un alcohol y un ácido carboxílico. Cuando está en equilibrio, la velocidad de la reacción de esterificación hacia delante es la misma que la de la reacción hacia atrás: a esta reacción hacia atrás la llamamos hidrólisis.

Fig. 7 - Esterificación e hidrólisis: dos caras de la misma reacción

Para hidrolizar ésteres, mézclalos con un ácido acuoso caliente en condiciones de reflujo. En este caso, el agua del ácido acuoso actúa como nucleófilo, que como recordarás es un donante de pares de electrones.

Favorecer la hidrólisis

Quizá sepas (ver Equilibrio) que podemos cambiar las condiciones de una reacción reversible para favorecer una reacción u otra. El principio de Le Chatelier nos dice que cambiar estas condiciones hará que el equilibrio se desplace en la dirección opuesta para oponerse al cambio. Entonces, ¿cómo podemos aumentar la velocidad de la reacción inversa, es decir, la hidrólisis?

Pues bien, uno de los reactantes es el agua. Por tanto, simplemente aumentando la cantidad de agua que utilizamos, podemos favorecer la reacción hacia atrás. El equilibrio se desplazará hacia la izquierda, para "consumir" el agua extra que hemos añadido. Lo hacemos utilizando un exceso del catalizador ácido diluido. Ésta es también la razón por la que utilizamos un ácido concentrado para catalizar la reacción hacia delante, la esterificación: utilizar una cantidad mínima de agua desplaza el equilibrio hacia la derecha y aumenta el rendimiento del éster.

Hidrólisis básica

Antes hemos mencionado que la hidrólisis ácida nunca llega a completarse: es una reacción reversible. En cambio, podemos hidrolizar ésteres utilizando una base como catalizador. Esta reacción se completa. Al calentar una base acuosa caliente, como un hidróxido, con un éster a reflujo, se produce una sal de carboxilato y un alcohol.

Por ejemplo, al reaccionar el etanoato de metilo con una solución de hidróxido de sodio se produce metanol y etanoato de sodio:

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_3+\mathrm{NaOH}\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COONa}+{\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH}$

El etanoato sódico es nuestra sal de carboxilato. Está formada por iones positivos de sodio e iones negativos de etanoato unidos iónicamente.

Fig. 8 - Estructura del etanoato de sodio

Pero, ¿y si queremos un ácido carboxílico puro en lugar de una sal de carboxilato? Podemos hacer lo siguiente:

• Destila el alcohol.
• Añade un exceso de ácido fuerte, como ácido sulfúrico o ácido clorhídrico. Esto produce un exceso de ${\mathrm{H}}^{+}$ iones.
• Los iones ${\mathrm{H}}^{+}$ iones son recogidos por los iones carboxilato en solución, formando un ácido carboxílico.
• Separa el ácido carboxílico de la solución mediante destilación posterior.

La hidrólisis de bases también se conoce como saponificación. Echa un vistazo a este término y podrás adivinar para qué se utilizan algunas sales de carboxilato específicas: ¡para hacer jabón! Fabricamos jabones a partir de grasas animales y aceites vegetales, que exploraremos más adelante.

Comparación de la hidrólisis ácida y básica

La siguiente tabla te ayudará a resumir tus conocimientos sobre la hidrólisis ácida y la hidrólisis básica.

Fig. 9 - Tabla comparativa de la hidrólisis ácida y básica de los ésteres

Predecir los productos

Intenta responder a la siguiente pregunta.

Primero, dibujemos el etanoato de propilo. Esto nos ayudará a ver su estructura y a averiguar las partes que lo componen.

Fig. 10 - Etanolato de propilo

Recuerda que los ésteres derivan de los ácidos carboxílicos. El etanoato nos dice que la parte de la molécula que procede del ácido se basa en el ácido etanoico. La otra parte del nombre, propilo, nos dice que el resto de la molécula se basa en una cadena de propilo. Cuando el éster se descompone, se forma el propanol.

Veamos ahora cómo se descompone el etanoato de propilo utilizando un ácido. Recuerda que se trata de una reacción reversible: no se completa. Los productos son ácido etanoico y propanol.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)\stackrel{{\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4}{\rightleftharpoons }{\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\left(\mathrm{aq}\right)$

La hidrólisis ácida del etanoato de propilo produce ácido etanoico, a la derecha, y propanol, a la izquierda. Originales de StudySmarter

Si utilizamos una base, la reacción se completa, pero produce una sal de carboxilato en lugar de un ácido carboxílico. Como hemos utilizado hidróxido sódico, la sal formada es etanoato sódico.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_3\left(\mathrm{aq}\right)+\mathrm{NaOH}\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}\left(\mathrm{aq}\right)$

Saponificación

Antes hemos mencionado que podemos hacer jabones a partir de diferentes grasas y aceites. Esto se conoce como saponificación.

Las grasas y los aceites, conocidos colectivamente como lípidos, también se denominan triglicéridos. Esto se debe a que se basan en el alcohol glicerol. El glicerol tiene tres grupos -OH. En un triglicérido, cada grupo -OH forma un enlace con un ácido carboxílico que tiene una larga cola de hidrocarburo. La hidrólisis de un triglicérido mediante una base lo descompone en glicerol, que utilizamos en medicamentos o para mejorar el rendimiento de los deportistas; y sales de carboxilato, que utilizamos como jabones.

Fig. 11 - Un triglicérido, a la izquierda, se descompone en saponificación en glicerol, arriba, y un ion carboxilato, abajo. El ion carboxilato forma una sal

¿Cómo funcionan los jabones?

Las sales de carboxilato son iónicas. En disolución, se disocian para formar un ion metálico positivo y un ion carboxilato negativo. El ion carboxilato contiene un extremo polar con el grupo -COO, y una cola de hidrocarburo no polar. El extremo polar se une al agua, mientras que el extremo no polar se une a otras moléculas no polares, como los lípidos, lo que ayuda a que las grasas como la espuma y la grasa se mezclen con el agua y se eliminen.

Fig. 12 - Una sal de carboxilato

Biodiésel

En 2006, un autobús lanzadera de la Universidad de Yale se convirtió con éxito para funcionar al 100% con biodiésel, una forma de combustible renovable derivado de las plantas. Esto supuso un gran paso hacia la reducción del impacto medioambiental de la industria del transporte. Antes de terminar, exploremos rápidamente qué es realmente el biodiésel.

El biodiésel se fabrica a partir de ésteres de triglicéridos de cultivos vegetales, como el aceite de colza. Cuando los hacemos reaccionar con metanol utilizando un catalizador alcalino, obtenemos ésteres metílicos de cadena larga. Podemos quemarlos en lugar de combustibles fósiles. De hecho, hasta el 10% del gasóleo o la gasolina utilizados en los coches pueden sustituirse por biodiésel sin afectar a sus motores. Como el biodiésel procede de materia vegetal de crecimiento rápido, es neutro en carbono y una opción mucho más sostenible que los combustibles derivados del petróleo crudo.

Fig. 12 - Un éster metílico, como los que se encuentran en el biodiésel.