費歇爾酯化反應機理

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介紹

費歇爾酯化反應機理指的是在強酸催化劑存在下，羧酸和醇合成酯的過程。費歇爾酯化反應通常被稱為費歇爾-施佩爾酯化反應，以發明它的科學家亞瑟·施佩爾和埃米爾·費歇爾的名字命名。該反應需要醇和熱的參與才能進行。他們在 1895 年首次描述了費歇爾酯化反應。

費歇爾酯化過程通常是可逆的。$\mathrm{H_{2}SO_{4}}$、對甲苯磺酸以及包括 $\mathrm{C_{3}F_{9}O_{9}S_{3}Sc}$（三氟甲磺酸鈧）在內的路易斯酸是費歇爾酯化反應機理中常用的催化劑。

這在很大程度上是一種熱力學控制的機理，其中最穩定的酯由於其穩定性而成為主要產物。當存在多個反應位點以及需要避免的副產物酯時，這可能是一個重要的特徵。另一方面，涉及酸酐和醯氯的快速反應通常是動力學控制的。

費歇爾酯化反應機理是什麼意思？

費歇爾酯化反應是指羧酸和醇在酸催化劑存在下發生的反應。最終產物是酯和水。這個過程是一個在熱的存在下發生的可逆反應。特別是強酸如對甲苯磺酸、路易斯酸和硫酸已被用作催化劑。

費歇爾酯化反應的機理

在過量的醇和強酸催化劑存在下，該過程將羧酸轉化為酯作為最終產物，以及水作為副產物。機理中有多個步驟：

• 酸催化劑最初充當羰基氧的親核試劑，使其能夠發生乙醇的親核進攻。

• 醇對羰基發起親核進攻。醇的 𝑂 原子的孤對電子與羰基碳鍵合，破壞其與另一個 𝑂 原子的 π 鍵。鍵中的電子向上轉移到 𝑂，中和其正電荷。然後生成一個氧鎓離子。

• 之後，從氧鎓離子到 𝑂𝐻 基團發生質子交換，最終形成一個非常活躍的位點。它可以分為兩個步驟：首先，醇去質子化氧鎓離子，生成三元絡合物，然後 𝑂𝐻 基團接受醇的質子。

• 在 1,2 消除水之後，生成了質子化的酯。一個 𝑂 原子在碳之間形成 π 鍵，釋放水。

• 剩餘的帶正電的 𝑂 去質子化，生成所需的酯。

費歇爾酯化反應機理的優點

費歇爾酯化相對於所有傳統酯化方法的基本優勢在於其簡單性。當酸敏感官能團不是問題時，可以使用簡單的酸性條件；可以使用 $\mathrm{H_{2}SO_{4}}$；可以以延長反應時間為代價加入更溫和的酸。但由於化學物質相當“直接”，因此在垃圾和試劑毒性方面對環境的影響非常小。烷基鹵化物有可能成為溫室氣體甚至臭氧消耗物質，以及環境汙染物。醯氯暴露於大氣水分時會釋放氯化氫氣體，具有很強的毒性，並且與水和其他親核試劑反應迅速；它們從除首選醇之外的其他親核試劑中自由淬滅；即使其最常用的製備途徑也考慮到了有害 $\mathrm{CO}$ 或 $\mathrm{SO_{2}}$ 氣體的釋放。

費歇爾酯化反應機理的缺點

費歇爾酯化過程的主要缺點是其熱力學可逆性和通常緩慢的反應速率，根據反應引數，反應速率可以從幾周到幾年不等。當其他官能團似乎對強酸有反應性時，替代方案可能很成問題，在這種情況下，也可能選擇其他催化酸。如果得到的酯似乎比水和試劑都具有較低的沸點，則它可能會蒸發而不是水；這種情況很常見，因為沒有質子官能團的酯與它們的質子親本反應物相比具有較低的沸點。當酯產物可以與試劑分離純化時，純化和萃取會得到簡化；然而，反應速率會降低，因為在這種情況下總反應溫度受到限制。然後，反應混合物應該被密封並輕輕加熱，並且通常需要提供大量的起始原料。

費歇爾酯化反應機理的例子

脂肪族酯

芳香族酯

結論

費歇爾酯化反應確實是一種將羧酸轉化為酯的化學過程。在反應過程中存在過量的醇和活性酸催化劑。產物和反應物在整個反應過程中處於平衡狀態。費歇爾酯化反應機理通常涉及多個步驟，第一步是形成醯基酶中間體。

然後，醇攻擊該中間體，導致酯鍵的形成。該機理以酶從酯產物中釋放而結束。在水的存在下，會生成酯，為了避免這種可逆反應，必須持續去除酯。平衡是費歇爾酯化的固有侷限性之一。然而，在酯化反應中，𝐻2𝑆𝑂4 可能是最常用和有效的酸催化劑。羧酸與硫酸的比例應為 1:1。

常見問題

1. 費歇爾酯化的用途是什麼？

該過程主要用於生成酯，酯用於製造各種產品，如油漆、樹脂等。除了其合成和生物用途外，酯化反應還被用於製造香料或風味。

2. 為什麼在費歇爾酯化裝置中使用乾燥管？

由於副產物中包含水，因此在裝置中需要乾燥管。水會導致反應逆轉，這是不希望發生的。

3. 如何提高費歇爾酯化的產率？

可以透過提高反應物的濃度來提高酯的產率。根據勒夏特列原理，過量的其中一種試劑會使反應向右移動，從而提高酯的合成或酯的產率。

4. 酯化作用有什麼作用？

酯化可以提高脂肪酸的揮發性，減少氣相中的二聚作用，以及減少粘附性。它促進了最大限度的配置、提取和樣品檢測。已經提出了諸如異丙基、乙基、異丁基、正丁基和甲基等脂肪酸酯。

5. 為什麼酯化需要很長時間？

因為酯是混合物中唯一不能形成 𝐻 鍵的組分，並且具有最少的分子間相互作用。相對較大的酯形成速度較慢。在某些情況下，可能需要將加熱的混合物在溢流下放置一段時間以生成平衡混合物。