فيديو الدرس: تفاعلات الإسترات الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف تفاعلات الإسترات، ونتوقع النواتج المتكونة. وسنركز على التحلل المائي، والتصبن، والتحلل بالأمونيا، والبلمرة والأسترة المتبادلة.

الإستر هو أحد مشتقات حمض كربوكسيلي. ويحتوي على مجموعة كربونيل ومجموعة ألكوكسي. تحضر عادة الإسترات عن طريق أسترة فيشر، وهو تفاعل كيميائي بين حمض كربوكسيلي وكحول في وجود حمض لإنتاج إستر وماء. وخلال هذا التفاعل، تحل مجموعة الألكوكسي للكحول محل مجموعة الهيدروكسيل للحمض الكربوكسيلي، ما يؤدي إلى إنتاج إستر وماء. وتكون تفاعلات أسترة فيشر في الواقع في حالة اتزان مع التحلل المائي للإستر.

التحلل المائي هو أحد أنواع التفاعلات الكيميائية حيث يتفاعل الماء مع مركب ما، وهو ما يؤدي إلى كسر رابطة أو أكثر. في عملية التحلل المائي للإستر، تنكسر الرابطة الأحادية التي تربط كربون مجموعة الكربونيل بالأكسجين. وخلال هذا التفاعل، تحل مجموعة الهيدروكسيل للماء محل جزء الألكوكسي للإستر، ما يؤدي إلى إنتاج حمض كربوكسيلي وكحول. ولتحريك الاتزان ناحية الحمض الكربوكسيلي والكحول، يجب استخدام كمية فائضة من الماء. تفاعل التحلل المائي للإستر الذي يكون في حالة اتزان مع أسترة فيشر يستخدم فيه حمض الكبريتيك عاملًا حفازًا. وعليه، فإن هذا التفاعل هو تحلل مائي للإستر محفز بالحمض.

يمكن أيضًا أن يحدث التحلل المائي للإستر في وجود قاعدة. وعلى الرغم من تصنيف هذا التفاعل بأنه تفاعل تحلل مائي، تستخدم قاعدة قوية بوصفها المتفاعل بدلًا من الماء. وتكون هذه القاعدة القوية في المعتاد محلولًا مائيًّا لهيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم. ويحدث هذا التفاعل عن طريق الحث بدلًا من التحفيز لأن القاعدة تتفاعل مع الإستر ولا تسترجع. في حالة التحلل المائي للإستر في وجود قاعدة، تنكسر الرابطة الأحادية التي تربط كربون مجموعة الكربونيل بالأكسجين، كما هو الحال في تفاعل التحلل المائي المحفز بالحمض. وينتج كحول من مجموعة الألكوكسي، ويتكون ملح كربوكسيلات.

لاحظ أن التحلل المائي للإستر في وجود قاعدة لا ينتج حمضًا كربوكسيليًّا، وإنما ينتج قاعدته المرافقة. ولإنتاج حمض كربوكسيلي، يلزم حدوث تفاعل ثان مع حمض الهيدروكلوريك. وعلى عكس التحلل المائي للإستر المحفز بالحمض، لا يكون التحلل المائي القاعدي للإستر في تفاعل اتزان. وعليه، فإن التحلل المائي القاعدي للإستر يؤدي إلى مردود أكبر مقارنة بالتحلل المائي للإستر المحفز بالحمض.

الآن وبعد أن استعرضنا التفاعل العام للتحلل المائي في وجود قاعدة، دعونا نتناول هذا التفاعل باستخدام جزيء إستر كبير. موضح أمامنا هنا عينة من ثلاثي الجليسريد الموجود في زيت جوز الهند. ثلاثي الجليسريد هو ثلاثي إستر يوجد في الدهون والزيوت النباتية والحيوانية. عندما يتفاعل ثلاثي الجليسريد مع قاعدة قوية، يحدث تفاعل تحلل مائي. وتنكسر الروابط الأحادية بين الكربون والأكسجين للإسترات الثلاثة، ما يؤدي إلى إنتاج الجليسرول وثلاثة أملاح كربوكسيلات.

أملاح الكربوكسيلات التي لها سلاسل هيدروكربونية طويلة تسمى أيضًا أملاح الأحماض الدهنية، والاسم الأكثر شيوعًا لها هو الصابون. ويمكن استخدامها لإزالة الدهون والزيوت غير القطبية من البشرة أو الأطباق أو الملابس. وتفاعل ثلاثي الجليسريد مع قاعدة قوية هو تفاعل تحلل مائي قاعدي للإستر، ولكن الاسم الأكثر شيوعًا له هو التصبن. التصبن هو نوع من التفاعلات الكيميائية يتضمن التحلل المائي القاعدي للإستر الموجود في الدهون أو الزيوت أو الليبيدات الأخرى، ويحولها إلى صابون وكحولات.

تناولنا كيفية التحلل المائي للإستر في وجود الأحماض والقواعد. والآن دعونا نلق نظرة على تفاعل مختلف مشابه للتحلل المائي. التحلل بالأمونيا هو تفاعل كيميائي تتفاعل فيه الأمونيا مع أحد المركبات، ما يؤدي إلى كسر رابطة أو أكثر. في تحلل الإستر بالأمونيا، الرابطة التي تنكسر هي الرابطة الأحادية بين الكربون والأكسجين في الإستر، كما هو الحال في التحلل المائي. ونواتج تحلل الإستر بالأمونيا هي أميد أولي وكحول. الأميد الأولي هو مجموعة وظيفية تحتوي على كربونيل مرتبط بذرة نيتروجين تحتوي على مستبدلين للهيدروجين.

دعونا نتناول تفاعل تحلل الإستر بالأمونيا الذي يتضمن بروبانوات الميثيل. خلال هذا التفاعل، تحل الأمونيا محل مجموعة الألكوكسي للإستر لإنتاج البروباناميد، وهو أميد أولي، والميثانول في الكحول. ويمكن إضافة الأمونيا المستخدمة في هذا التفاعل إلى وعاء التفاعل في صورة غاز، أو سائل، أو مذابة في الماء.

التفاعل الأخير الذي نود تناوله يتضمن تكوين البولي إسترات. البولي إستر، كما يوحي الاسم، يحتوي على العديد من الإسترات. بصورة أكثر تحديدًا، البولي إستر هو بوليمر يحتوي على مجموعة إستر وظيفية في كل مونومر متكرر. أحد البولي إسترات الشائعة هو بولي إيثيلين تيرفثالات، واختصاره ‪PET‬‏ أو ‪PETE‬‏. ويمكن استخدام البولي إيثيلين تيرفثالات لإنتاج ملابس خالية من التجاعيد ومقاومة للماء، وزجاجات ماء ومواد تعبئة قابلة لإعادة التدوير، بالإضافة إلى العديد من المنتجات الأخرى. يمكن إنتاج هذا البولي إستر عن طريق تفاعل حمض التيرفثاليك مع الإيثيلين جليكول.

يحتوي حمض التيرفثاليك على مجموعتي حمض كربوكسيلي وظيفيتين. ويمكن أن تخضع كل مجموعة من هاتين المجموعتين للأسترة مع إحدى مجموعتي الهيدروكسيل للإيثيلين جليكول. وبعد ذلك، يمكن أن تخضع مجموعة الهيدروكسيل الأخرى للإيثيلين جليكول للأسترة مع جزيء آخر من حمض التيرفثاليك. وهذا التفاعل المتكرر يكون البولي إستر. موضح هنا التفاعل الكلي لحمض التيرفثاليك مع الإيثيلين جليكول. لاحظ أن هذا التفاعل يتطلب عاملًا حفازًا حمضيًّا، ويكون الماء ناتجًا ثانويًّا له.

يمكن أيضًا إنتاج البولي إيثيلين تيرفثالات عن طريق البدء بالإيثيلين جليكول وإستر ثنائي ميثيل تيرفثالات. سيتفاعل كل من الإستر والكحول بطريقة مشابهة لتفاعل الحمض الكربوكسيلي والكحول. في هذا التفاعل، ستحل مجموعة الألكوكسي للكحول محل مجموعة الألكوكسي للإستر. ويمكن أن يحدث التفاعل مع كلتا مجموعتي الإستر لثنائي ميثيل تيرفثالات وكلتا مجموعتي الهيدروكسيل للإيثيلين جليكول. يعد هذا التفاعل مثالًا على الأسترة المتبادلة، وهو تفاعل كيميائي يتفاعل فيه كحول مع إستر، ما يؤدي إلى استبدال مجموعة الألكوكسي وإنتاج إستر مختلف. وفي هذه الحالة، الإستر الجديد الناتج هو البولي إستر بولي (إيثيلين تيرفثالات). لاحظ أن تفاعل ثنائي ميثيل تيرفثالات والإيثيلين جليكول يتطلب عاملًا حفازًا حمضيًّا، بالضبط مثل التفاعل الذي يتضمن حمض التيرفثاليك. لكن الناتج الثانوي لهذا التفاعل هو الميثانول بدلًا من الماء.

تناولنا في هذا الفيديو العديد من التفاعلات التي تتضمن الإسترات. وقبل أن نلخص ما تعلمناه، دعونا نلق نظرة على بعض الأسئلة التدريبية.

املأ الفراغات. ينتج عن التحلل المائي للإسترات باستخدام هيدروكسيد الصوديوم كل من (فراغ) والكحولات، في حين ينتج التحلل بالأمونيا للإسترات كلًّا من (فراغ) والكحولات.

الإستر مركب يحتوي على مجموعة كربونيل مرتبطة بمجموعة ألكوكسي. وتخضع الإسترات لمجموعة متنوعة من التفاعلات. أحد هذه التفاعلات هو التحلل المائي، وهو تفاعل كيميائي يتفاعل فيه الماء مع أحد المركبات، ما يؤدي إلى كسر رابطة أو أكثر. وقد يكون التحلل المائي للإستر محفزًا بالحمض أو في وجود قاعدة. في هذا السؤال، نعلم من المعطيات أن التحلل المائي للإسترات يستخدم فيه هيدروكسيد الصوديوم الذي له الصيغة الكيميائية ‪NaOH‬‏. هيدروكسيد الصوديوم قاعدة قوية. إذن دعونا نستعرض تفاعل التحلل المائي القاعدي للإستر.

التحلل المائي هو تفاعل كيميائي يتفاعل فيه الماء مع أحد المركبات، ولكن لا يظهر الماء ضمن المتفاعلات في تفاعل التحلل المائي القاعدي. يرجع ذلك إلى أنه في حالة التحلل المائي القاعدي للإستر، مجموعة الهيدروكسيل للقاعدة هي التي تتفاعل في الواقع مع الإستر، وليس الماء. والرابطة التي تنكسر خلال هذا التفاعل هي الرابطة الأحادية بين الكربون والأكسجين للإستر. وتصبح مجموعة الألكوكسي للإستر كحولًا، بينما تصبح مجموعة الكربونيل للإستر جزءًا من مركب أيوني يحتوي على أنيون كربوكسيلات وكاتيون فلزي. ونظرًا لاستخدام هيدروكسيد الصوديوم في هذا التفاعل، فإن هذا المركب هو كربوكسيلات الصوديوم.

التفاعل الآخر المذكور في السؤال هو التحلل بالأمونيا. التحلل بالأمونيا هو تفاعل كيميائي تتفاعل فيه الأمونيا مع أحد المركبات، ما يؤدي إلى كسر رابطة أو أكثر. عندما تتفاعل الأمونيا مع إستر، تنكسر الرابطة الأحادية بين الكربون والأكسجين للإستر، كما هو الحال في التحلل المائي. وخلال هذا التفاعل، تحل الأمونيا محل مجموعة الألكوكسي للإستر. وينتج عن ذلك كحول ومركب يحتوي على مجموعة كربونيل مرتبطة بذرة نيتروجين. تسمى هذه المجموعة الوظيفية بالأميد.

نعلم الآن أنه ينتج عن التحلل المائي للإسترات باستخدام هيدروكسيد الصوديوم كل من كربوكسيلات الصوديوم والكحولات، في حين ينتج التحلل بالأمونيا للإسترات كلًّا من الأميدات والكحولات. وبناء على ذلك، يجب أن نملأ الفراغ الأول بكربوكسيلات الصوديوم والفراغ الثاني بالأميدات.

الأسبرين هو أحد أكثر الأدوية استخدامًا على مستوى العالم. يوضح الشكل بنية الأسبرين. في ظروف الرطوبة، يمكن أن يخضع الأسبرين للتحلل المائي ليكون حمض الساليسيليك وحمضًا آخر. أي البنى الآتية تمثل حمض الساليسيليك؟

لدينا هنا بنية الأسبرين، ويسمى أيضًا حمض الأسيتيل ساليسيليك. يحتوي جزيء الأسبرين على حلقة بنزين بها مستبدل حمض كربوكسيلي ومستبدل إستر. وعلمنا من المعطيات أن الأسبرين يمكن أن يخضع للتحلل المائي. التحلل المائي هو تفاعل كيميائي يتفاعل فيه الماء مع أحد المركبات، ما يؤدي إلى كسر رابطة أو أكثر. لا يمكن أن تخضع حلقات البنزين والأحماض الكربوكسيلية إلى التحلل المائي، أما الإسترات فيمكنها ذلك.

قد يكون التحلل المائي للإستر محفزًا بالحمض أو في وجود قاعدة. لا يحدد السؤال إذا ما كان التحلل المائي للأسبرين يحدث في وجود حمض أو قاعدة. لكن بما أن الأسبرين حمض، فيمكنه أن يكون متفاعلًا وعاملًا حفازًا في تفاعل التحلل المائي. إذن علينا أن نستعرض ما يحدث خلال التحلل المائي للإستر المحفز بالحمض. خلال هذا التفاعل، تنكسر الرابطة الأحادية بين الكربون والأكسجين للإستر، وتحل مجموعة الهيدروكسيل لجزيء ماء محل مجموعة الألكوكسي للإستر. وينتج عن ذلك حمض كربوكسيلي وكحول.

بالنظر إلى بنية الأسبرين، يمكننا تحديد الرابطة الأحادية بين الكربون والأكسجين للإستر. وهذه هي الرابطة التي ستنكسر أثناء التحلل المائي. يمكن أن تحل مجموعة الهيدروكسيل لجزيء ماء محل جزء الألكوكسي للإستر الموضح باللون الأزرق. سينتج جزيئان عند إجراء التحلل المائي للأسبرين. وسيحتوي أحدهما على مجموعة حمض كربوكسيلي كانت موجودة في جزيء الأسبرين الأصلي، ومجموعة هيدروكسيل مكونة حديثًا. وسيحتوي الجزيء الثاني على مجموعة حمض كربوكسيلي مكونة حديثًا. علمنا من معطيات السؤال أن ناتجي التحلل المائي للأسبرين هما حمض الساليسيليك وحمض آخر غير مسمى. إذن علينا أن نحدد أي من خيارات الأجوبة تمثل حمض الساليسيليك.

يمكننا ملاحظة أن جميع خيارات الأجوبة تحتوي على حلقة بنزين. وهذا يشير إلى أن ناتج التحلل المائي للأسبرين الذي يحتوي على حلقة بنزين هو حمض الساليسيليك. وبمقارنة البنية مع خيارات الأجوبة، سنلاحظ أنها تتطابق مع البنية الواردة في الخيار (ج). ومن ثم، فإن إجابة السؤال «أي البنى الآتية تمثل حمض الساليسيليك؟» هي (ج).

في الجزء التالي من السؤال، سنحتفظ بالمعلومات ذات الصلة فقط على الشاشة.

ما اسم الحمض الآخر الناتج؟ (أ) حمض البيوتانويك، (ب) حمض الميثانويك، (ج) حمض البنزويك، (د) حمض الإيثانويك، (هـ) حمض البروبانويك.

يطلب منا السؤال تسمية هذا الجزيء، وهو حمض كربوكسيلي. لتسمية حمض كربوكسيلي، نسمي أولًا أطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون تحتوي على كربون الكربوكسيل. وكربون الكربوكسيل هو كربون الحمض الكربوكسيلي. وأطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون تحتوي على كربون الكربوكسيل يبلغ طولها ذرتي كربون. ومن ثم، تسمى سلسلة ذرات الكربون بالإيثان؛ حيث تعني البادئة «إيثـ» وجود ذرتي كربون، والجزء «ـان» يشير إلى أنه ألكان.

بعد ذلك، نضع كلمة حمض قبل الاسم ثم نضيف اللاحقة «ـويك» في نهايته للإشارة إلى أن الجزيء حمض كربوكسيلي. وهذا يعطينا الاسم «حمض الإيثانويك». إذن، إجابة السؤال «ما اسم الحمض الآخر الناتج؟» هي الخيار (د)، حمض الإيثانويك.

دعونا الآن نلخص ما تعلمناه. التحلل المائي للإستر هو تفاعل بين إستر والماء يؤدي إلى كسر الرابطة الأحادية بين الكربون والأكسجين للإستر. قد يكون هذا التفاعل محفزًا بالحمض أو في وجود قاعدة. التحلل المائي للإستر المحفز بالحمض ينتج عنه حمض كربوكسيلي وكحول. وهذا التفاعل يكون في حالة اتزان مع أسترة حمض كربوكسيلي. أما في التحلل المائي للإستر في وجود قاعدة، فيتفاعل الإستر مع مجموعة هيدروكسيل قاعدة قوية مثل هيدروكسيد الصوديوم، وليس مع الماء. وينتج عن هذا التفاعل كربوكسيلات فلز وكحول.

التصبن هو التحلل المائي القاعدي للإستر الموجود في الدهون أو الزيوت أو الليبيدات الأخرى لإنتاج صابون وكحولات. التحلل بالأمونيا هو تفاعل إستر مع أمونيا لإنتاج أميد أولي وكحول. الإسترات الثنائية مثل ثنائي ميثيل تيرفثالات، ومركبات الديول مثل الإيثيلين جليكول، يمكن أن تخضع للأسترة المتبادلة لتكوين البولي إسترات.