شارح الدرس: خواص الإسترات الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُعرِّف الإسترات ونُسمِّيها، وكذلك نَصِف خواصها الفيزيائية.

الإسترات عبارة عن مركبات عضوية، الصيغة الكيميائية العامة لها هي ، والصيغة البنائية العامة موضَّحة في الآتي. ويُعَد إيثانوات الميثيل مثالًا على الإسترات، وصيغته .

المجموعة الوظيفية يمكن أن يُشار إليها باسم رابطة الإستر.

عند تسخين كحول مع حمض كربوكسيلي ينتج إستر وماء. وهذا يُسمَّى تفاعل الأسترة، ويتضمَّن أن تحل مجموعة الألكوكسيد لكحول محل مجموعة الهيدروكسيل الخاصة بالحمض الكربوكسيلي.

في المعادلة الآتية، يمثِّل مجموعة الألكوكسيد، ويمثِّل مجموعة الهيدروكسيل في الحمض الكربوكسيلي. يسبِّب هذا التفاعل تكوين الرابطة في الإستر، والرابطة في الماء:

يكوِّن هذا التفاعل اتزانًا ينشأ ببطء ما لم يستخدم عاملًا حفَّازًا حمضيًّا قويًّا، مثل المركَّز. وهذا ليس التفاعل الوحيد المستخدَم لتكوين الإسترات، لكنه التفاعل الأكثر شيوعًا. ويُطلَق عليه أسترة فيشر، وفيما يلي مثال على هذا التفاعل. يوضِّح التفاعل اتحاد حمض الإيثانويك والإيثانول في وجود عامل حفَّاز حمضي لإنتاج إيثانوات الإيثيل والماء:

وحمض الإيثانويك يُعرَف أيضًا بحمض الأسيتيك، ويُشار أيضًا إلى إيثانوات الإيثيل بأسيتات الإيثيل.

عند إنتاج الماء من اتحاد جزيئين، يمكن وصف الأسترة بأنها تفاعل تكثيف.

والجدير بالملاحظة أنه على الرغم من أن المجموعتين الوظيفيتين للكحول والحمض الكربوكسيلي موجودتان في جزيئين منفصلين، فإن تفاعل تكوين حلقة يمكن أن يحدث إذا كانت المجموعتان الوظيفيتان في الجزيء نفسه. وهذا يحدث غالبًا عندما يكون طول سلسلة الكربون بين مجموعتَي الحمض الكربوكسيلي والكحول يساوي أربع ذرات كربون أو خمسًا. ينتج عن هذا التفاعل الإستر الحلقي واللاكتون والماء.

مثال ١: توقُّع نتيجة الأسترة الداخلية للجزيء في 5-هيدروكسي حمض البنتانويك

يُمكن لجزيء يحتوي على مجموعة كحول ومجموعة حمض كربوكسيلي أن يتفاعَل مع نفسه لتكوين إسترات حلقية تُعرَف باسم اللاكتونات. ما البنية الناتِجة عن تفاعُل 5-هيدروكسي حمض البنتانويك مع نفسه؟

أ.

ب.

ج.

د.

هـ.

الحل

في هذا السؤال، يحدث تفاعل أسترة، لكن يأتي كلٌّ من الكحول والحمض الكربوكسيلي الموجودين في التفاعل من الجزيء نفسه.

تحل مجموعة الألكوكسيد لكحول محل مجموعة الهيدروكسيل للحمض الكربوكسيلي. ومن ثَمَّ، تتكوَّن رابطة بين و المجاورة لـ ، ويتم تكوين رابطة الإستر . وفيما يلي مخطط هذا التفاعل:

السلسلة المكوَّنة من خمس ذرات كربون الموجودة في 5-هيدروكسي حمض البنتانويك هى سلسلة مستمرة مع المجموعتين الوظيفيتين عند أحد طرفَي السلسلة. ومن ثَمَّ، ينتج اللاكتون المكوَّن من ست ذرات؛ تتضمَّن ذرات الكربون الخمس، وذرة الأكسجين، من مجموعة الكحول الوظيفية.

ومن الواضح الآن أن البنية الناتجة هي الخيار د.

يُستخدم حمض الكبريتيك المركَّز عاملًا حفَّازًا للتفاعل، لكنه يُستخدم أيضًا عاملًا لنزع الماء وتحسين مردود الإستر. وفَوْر تكوين الإستر، يجب استخلاصه من خليط التفاعل، الذي سيحتوي على كحول وحمض كربوكسيلي غير متفاعلَيْن وحمض كبريتيك.

يتكوَّن اسم الإستر من جزأين يمثِّلان الكحول والحمض الكربوكسيلي، أو الجزيئات الرئيسية المستخدَمة لتكوينه. لإيجاد الجزيئات المستخدَمة لتكوين الإستر، يجب كسر الرابطة . الجزء الذي يحتوي على هو جانب الحمض الكربوكسيلي.

إحلال مجموعة هيدروكسي محل مجموعة الألكوكسي ينتج عنه الحمض الكربوكسيلي الأصلي. جزء الألكوكسي هو جانب الكحول. إضافة إلى سيُنتج الكحول الأصلي.

يوضِّح الشكل الآتي كيفية إيجاد الكحول والحمض الكربوكسيلي الأصليين لإستر عام.

يوضِّح الشكل الآتي مثالًا لكيفية إيجاد الحمض الكربوكسيلي والكحول الأصليين لإستر.

من الواضح أن المركبات المستخدَمة لتكوين الإستر هي حمض الإيثانويك، وهو ما يُعرَف أيضًا بحمض الأسيتيك، والميثانول. يمكن استخدام اسم الجزيئات الأصلية لتسمية الإستر. يأتي اسم الإستر من اسم الكحول، مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـيل». والجزء الآخر من الاسم يأتي من الحمض الكربوكسيلى مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـوات». وإذا استكملنا المثال الموضَّح سابقًا، يصبح «الميثانول» «ميثيل»، ويصبح «حمض الإيثانويك» «إيثانوات». ومن ثَمَّ، نجد أن اسم الإستر هو «إيثانوات الميثيل». وبما أن حمض الإيثانويك يُشار إليه أيضًا بحمض الأسيتيك، فقد يُطلَق أيضًا على الإستر اسم أسيتات الميثيل. لاحظ هنا أنه في هذه الحالة، نُضيف اللاحقة «ـات» بدلًا من «ـوات».

ويُتَّبَع نمط التسمية نفسه مع كحولات أخرى عند تسمية الإسترات؛ فمثلًا «الإيثانول» يصبح «إيثيل»، و«البروبانول» يصبح «البروبيل». وإذا استُخدم الفينول لتكوين إستر، فإن اسم الإستر يكون «فينيل».

وهذا يُشابه حالة الأحماض الكربوكسيلية، مثل حمض الإيثانويك الذي يصبح «إيثانوات» عند تسمية الإسترات، وكلٌّ من حمض الميثانويك وحمض البروبانويك وحمض البيوتانويك يصبح «ميثانوات» و«بروبانوات» و«بيوتانوات». من الجدير بالملاحظة أيضًا أنه كما يُطلَق على «حمض الإيثانويك» «حمض الأسيتيك»، يمكن أن نُطلِق على «الإيثانوات» أيضًا «أسيتات»، وبما أن «حمض الميثانويك» يُسمَّى عادةً «حمض الفورميك»، فإن «الميثانوات» يمكن أن تُسمَّى أيضًا «فورمات». على سبيل المثال، قد يُطلَق أيضًا على الإستر ميثانوات الميثيل اسم «فورمات الميثيل».

إذا استُخدم حمض البنزويك لتكوين إستر، فإن اسم الإستر سيحتوي على «بنزوات».

مثال ٢: تسمية إستر من الصيغة البنائية

أيُّ الأسماء الآتية يُطلَق على الإستر الموضَّح؟

1. بنزوات الإيثيل
2. بنزوات الفينيل
3. بنزوات البروبيل
4. بروبانوات الفينيل
5. ميثانوات البنزيل

الحل

ينقسم اسم الإستر إلى جزأين يمثِّلان جزيئاته الأصلية: الكحول والحمض الكربوكسيلي المستخدَمين لتكوينه. يجب تقسيم الجزيء عند رابطة لفصل الجزيء إلى حمض كربوكسيلي وكحول. الجزء الذي يحتوي على هو جانب الحمض الكربوكسيلي. إحلال مجموعة هيدروكسي محل مجموعة الألكوكسي يُعطينا الحمض الكربوكسيلي الأصلي. وجزء البروبوكسي هو جانب الكحول. إضافة إلى يُعطينا الكحول الأصلي.

يأتي جزء من اسم الإستر من الكحول، مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـيل». والكحول المستخدَم لتكوين الإستر هو البروبانول؛ لأنه يحتوي على ثلاث ذرات من الكربون؛ ومن ثَمَّ، فإن كلمة «بروبيل» هي جزء من اسم الإستر.

ويأتي الجزء الآخر من اسم الإستر من الحمض الكربوكسيلي ويتضمَّن تغيُّر الجزء الأخير من الاسم إلى «ـوات». والحمض الكربوكسيلي المستخدَم في تكوين الإستر هو حمض البنزويك؛ ومن ثَمَّ، فإن «البنزوات» هو الجزء الآخر من اسم الإستر.

إذن الإجابة عن هذا السؤال هي ج؛ بنزوات البروبيل.

من الجدير بالملاحظة أن الاسم يُكتب بطريقة عكسية فى الإنجليزية عن طريقة كتابة الصيغة البنائية المختصرة. الصيغة العامة للإستر هي ؛ حيث الجزء الأول يأتي من الحمض الكربوكسيلي الأصلي، والجزء الثاني يأتي من الكحول الأصلي. والعكس صحيح عند تسمية الإستر بالإنجليزية. يتكوَّن اسم الإستر من الكحول الأصلي والحمض الكربوكسيلى الأصلي المكوِّنين له.

يجب ألَّا تكون قادرًا على تسمية الإستر من صيغته المختصرة فحسب، بل عليك أيضًا أن تكون قادرًا على توقُّع ناتج تفاعل الأسترة.

معظم الإسترات القصيرة السلسلة سوائل ذات رائحة حلوة، وتقل رائحتها وتصبح شمعية عندما تزيد كتلتها المولية. عادةً ما يكون للإسترات درجات غليان أقل من الكحولات والأحماض الكربوكسيلية التي لها كتلة مولية مشابهة؛ حيث لا يمكن تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئات الإستر. وهذا لأن الكحولات والأحماض الكربوكسيلية تحتوي على مجموعات الهيدروكسيل، ولكن الإسترات لا تحتوي على ذلك.

يوضِّح الجدول الآتي مجموعتين من ثلاثة أنواع تختلف درجة غليانها على الرغم من أن لها الكتلة المولية نفسها. يرجع السبب في اختلاف درجات الغليان فيما بينها إلى قدراتها المختلفة على تكوين روابط هيدروجينية. لا يمكن أن تتكوَّن روابط هيدروجينية بين جزيئات الإستر، لكنها يمكن أن تتكوَّن بين جزيئات الكحول والحمض الكربوكسيلي. وهذا هو السبب في أن درجة غليان ميثانوات الميثيل أقل من البروبانول وحمض الإيثانويك، وأن درجة غليان إيثانوات الميثيل أقل من نقطة غليان البيوتانول وحمض البروبانويك.

فيما يلي مخطط يوضِّح الروابط الهيدروجينية في الكحولات والأحماض الكربوكسيلية.

كما أن عدم وجود روابط هيدروجينة في الإسترات يُعَد أيضًا سبب زيادة قابليتها للتطاير.

ومع ذلك، يمكن أن تكوِّن الإسترات روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء، كما هو موضَّح في الآتي؛ ومن ثَمَّ، فإن الإسترات الصغيرة قابلة للذوبان في الماء إلى حدٍّ ما.

لكن القابلية للذوبان تتناقص بزيادة طول السلسلة، ومعظم الإسترات تُعَد غير قابلة للذوبان. السلاسل الكربونية غير قطبية وكارهة للماء؛ ومن ثَمَّ، إذا كان لجزيء الإستر سلسلة كربونية طويلة، فلن يتمكَّن سوى جزء صغير من الجزيء من تكوين رابطة هيدروجينية مع الماء، وهو ما يجعله غير قابل للذوبان.

الدهون والزيوت إسترات طويلة السلسلة؛ ولهذا فهي غير قابلة للذوبان في الماء.

الإسترات ذات الكتلة المولية المنخفضة بوجهٍ عام لها رائحة حلوة، لكن عندما تزيد كتلتها المولية، فإنها تصبح بلا رائحة. الإسترات هي المسئولة عن رائحة ومذاق العديد من الورد والفواكه، ويمكننا أيضًا إيجادها في الفيرومونات. وهي تُستخدم منكِّهات للمأكولات والمشروبات وفي إنتاج العطور. كما أنها تُستخدم عادةً مذيبات صناعية. يوضِّح الجدول الآتي الاستخدامات المختلفة لمجموعة من الإسترات.

إضافةً إلى ذلك، تتألَّف الزيوت النباتية والحيوانية في الأساس من مركب ثلاثي إسترات طبيعي يُسمَّى ثلاثي الجليسريد. ثلاثي الإسترات عبارة عن جزيئات تحتوي على ثلاث مجموعات من الإسترات، وثلاثي الجليسريد عبارة عن إسترات أحماض دهنية للجليسرول. فيما يلي تفاعل الأسترة الذي يُنتِج ثلاثي الجليسريد (الزيوت والدهون):

يتراوح طول السلسلة الكربونية في الأحماض الدهنية بين 4 و24 ذرة كربون، وعادةً ما تكون مستمرة مع وجود عدد زوجي من ذرات الكربون، ويمكن أن تكون مشبعة أو غير مشبعة. يمكن استخدام الزيوت والدهون في إنتاج الديزل الحيوي.

تُستخدم البولي إسترات في المواد البلاستيكية والألياف، على سبيل المثال، يُستخدم البولي إستر (إيثيلين تيرفثالات) في صناعة الأقمشة والأدوات البلاستيكية مثل زجاجات المياه. وله أيضًا استخدامات في مجال الطب؛ حيث يُستخدم في صناعة الخيوط الجراحية، وهي خيوط تُستخدم في الغُرَز، وعمليات ترقيع الأوعية الدموية التي تُستخدم لاستبدال الأوعية الدموية التالفة.

ويتضح تكوينها في مخطط التفاعل الآتي:

يمكن اختصار البولي (إيثيلين تيرفثالات) في صورة PET أو PETE. ويُشار إليه، في قطاع صناعة الملابس، باسم البولي إستر أو الداكرون، ويمكن معرفة وجوده في بعض الأدوات البلاستيكية عن طريق رقم «1» مرسوم داخل مثلث كما هو موضَّح في الآتي.

في العصور القديمة، كان الناس يمضغون لحاء الصفصاف للتخلُّص من الآلام، ووُجِد أن العنصر الفعَّال فيها هو حمض الساليسيليك. على الرغم من فوائد حمض الساليسيليك، فإنه يسبِّب آثارًا جانبية ضارة؛ ومن ثَمَّ، أجرى العلماء تفاعلًا بينه وبين حمض الإيثانويك (حمض الأسيتيك)، وبذلك نتج إستر يُسمَّى حمض الأسيتيل ساليسيليك له آثار جانبية طفيفة. يُعرَف حمض الأسيتيل ساليسيليك أيضًا باسم الأسبرين، ويُستخدم بشكلٍ أساسي مسكِّنًا للألم. ويمكن استخدامه أيضًا خافضًا للحرارة، وهو دواء يُستخدم للتخلُّص من الحُمَّى أو تخفيفها. وعند تناوله بجرعات منخفضة يوميًّا، يمكن أن يقي من الجلطات والأزمات القلبية. لسوء الحظ، فإن استخدام الأسبرين يبطِّئ من إنتاج المخاط الواقي لجدار المعدة، وبذلك تُصبح المعدة أكثر عرضةً للضرر الناتج عن الأحماض المعدية، وتحدث قرح المعدة.

جزء الفينول من حمض الساليسيليك هو الذي يتفاعل لإنتاج الأسبرين، فهو يتصرَّف كالكحول، ويتفاعل مع الأحماض الكربوكسيلية لتكوين إستر الأسبرين. على الرغم من أن الفينولات تحتوي على ؛ ومن ثَمَّ تتفاعل، فإن الكحولات الأليفاتية تتفاعل بشكلٍ أفضل.

لكن بما أن حمض الساليسيليك يحتوي أيضًا على مجموعة وظيفية خاصة بحمض الكربوكسيل، فإنه يمكن أن يتفاعل أيضًا مع الكحولات لتكوين إسترات. ومثالُ ذلك تفاعُلُه مع الميثانول لتكوين زيت المروخ (ساليسيلات الميثيل)، الذي يمكن أيضًا استخدامه للتخلُّص من الآلام وإعطاء نكهة النعناع للعلكة والحلوى. فيما يلي تفاعلات حمض الساليسيليك لإنتاج إسترَيْن مختلفَيْن لهما استخدامات مختلفة.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه عن الإسترات وخواصها.