Reacciones de esterificación

¿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 aroma característico a fruta, como a gotas de pera. Se utiliza de diferentes maneras: como disolvente y diluyente —para descafeinar las hojas de café y té, por ejemplo—, como aromatizante y en artículos de tocador. Es habitual encontrarlo en los perfumes, ya que es bastante volátil, se evapora fácilmente de la piel y deja su agradable aroma.

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

Los ésteres pueden fabricarse de diversas formas, pero lo más habitual es que se hagan a partir de ácidos carboxílicos y alcoholes. Los denominamos con nombres basados en estos alcoholes y ácidos carboxílicos. El nombre derivado del alcohol va primero, seguido del nombre derivado del ácido carboxílico. Todos los ésteres terminan en el sufijo -oato.

Ahora, exploremos cómo se producen los ésteres.

¿Qué es una reacción de esterificación?

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 directa como la reacción inversa ocurren al mismo tiempo, en un estado de equilibrio dinámico.

Fig. 3: Reacción de esterificación.

Producción de ésteres en el laboratorio

La producción de ésteres es un experimento práctico habitual que puedes realizar 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 debes hacer esto directamente sobre una llama abierta, porque los líquidos orgánicos utilizados son altamente inflamables.

Como esta reacción es reversible, solo producirás una pequeña cantidad de 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 el aire pasa 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 a pegamento, los ésteres de cadena más larga huelen a fruta y a aroma.

Fig. 4: Diagrama que muestra la producción de un éster en un tubo de ensayo.

Otros métodos de producción de ésteres

También podemos fabricar ésteres de otras maneras; como, por ejemplo:

• Reaccionando alcoholes con cloruros de acilo.

• Reaccionando alcoholes con anhídridos ácidos.

La hidrólisis de los ésteres

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

Hidrólisis ácida

Ya hemos mencionado que la esterificación es una reacción reversible. Si mezclamos un ácido carboxílico y un alcohol con un catalizador ácido, la solución alcanzará un estado de equilibrio dinámico. Esto 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.

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

Para hidrolizar los ésteres, hay que mezclarlos 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

Ya sabrás (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 el cambio de 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?

Bueno, uno de los reactivos es el agua. Por lo tanto, simplemente aumentando la cantidad de agua que utilizamos, podemos favorecer la reacción inversa. El equilibrio se desplazará hacia la izquierda, para utilizar el agua extra que hemos añadido; lo hacemos utilizando un exceso de catalizador ácido diluido. Esta es también la razón por la que utilizamos un ácido concentrado para catalizar la reacción directa, la esterificación. Utilizar una cantidad mínima de agua desplaza el equilibrio hacia la derecha y aumenta el rendimiento del éster.

Hidrólisis básica

Ya hemos mencionado que la hidrólisis ácida nunca llega a completarse, ya que es una reacción reversible. En cambio, podemos hidrolizar los ésteres, utilizando una base como catalizador, y 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.

Fig. 8: La estructura del etanoato de sodio.

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

• Destilar el alcohol.
• Añadir un exceso de ácido fuerte, como el ácido sulfúrico o el ácido clorhídrico. Esto da un exceso de iones .
• Los iones son recogidos por los iones carboxilato en solución, formando un ácido carboxílico.
• Se separa el ácido carboxílico de la solución mediante una nueva destilación.

La hidrólisis de base también se conoce como saponificación. Si le echas un vistazo a este término, podrás adivinar para qué se utilizan algunas sales de carboxilato específicas: ¡jabón! Los jabones se fabrican a partir de grasas animales y aceites vegetales, que estudiaremos más adelante.

Comparación de la hidrólisis ácida y básica

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

Tabla 1: Comparación de la hidrólisis ácida y básica de los ésteres.

Predicción de los productos

Intenta responder a la siguiente pregunta:

Etanoato de propilo

Saponificación

Ya 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 cual tiene tres grupos -OH. En un triglicérido, cada grupo -OH forma un enlace con un ácido carboxílico que tiene una larga cola de hidrocarburos. La hidrólisis de un triglicérido con una base lo descompone en glicerol —que utilizamos en los medicamentos o para mejorar el rendimiento de los deportistas— y en sales de carboxilato —que utilizamos como jabón—.

Fig. 10: Un triglicérido (a la izquierda) se descompone en la 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 solución, 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 los residuos) se mezclen con el agua y se eliminen.

Fig. 11: Una sal de carboxilato.

Biodiésel

En 2006, un autobús de la Universidad de Yale se convirtió con éxito en un vehículo que funcionaba al 100% con biodiésel, una forma de combustible renovable derivado de las plantas. Esto supuso un gran paso para reducir el impacto medioambiental de la industria del transporte.

Antes de terminar, analicemos rápidamente qué es el biodiésel: El biodiésel se fabrica a partir de ésteres de triglicéridos procedentes 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 los combustibles fósiles. De hecho, hasta el 10% del gasóleo o la gasolina utilizados en los coches puede ser sustituido 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 crudo.

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