In questo esperimento di chimica organica si va ad osservare la reazione tra vari acidi carbossilici e alcoli, sintetizzando piccole quantità di diversi esteri, utilizzati nella formulazione di profumi e aromi artificiali. I vari esteri sintetizzati vengono poi “annusati” dagli studenti per riconoscere i diversi aromi. La reazione che viene utilizzata è la tipica reazione di esterificazione nota con il nome di esterificazione di Fischer. La reazione avviene mettendo a reagire a caldo un acido carbossilico ed un alcol in presenza di un catalizzatore acido, in questo caso acido solforico. L’esterificazione acido-catalizzata è reversibile e quindi controllando le condizioni di reazione, è possibile usare l’esterificazione di Fischer per preparare esteri in alte rese.
Scheda sintetica delle attività
Si fanno reagire vari acidi carbossilici presenti in laboratorio con alcuni alcoli. In particolare in tale esperienza si fa reagire l’acido acetico, propionico e benzoico con l’alcol metilico, etilico e propilico. In tal modo si formano degli esteri, che hanno dei diversi aromi, che si cerca di far identificare agli studenti. La reazione avviene mettendo a reagire a caldo un acido carbossilico ed un alcol in presenza di un catalizzatore acido, in questo caso acido solforico.
Risorse necessarie
Acido acetico $CH_3COOH$;
acido propionico $CH_3CH_2COOH$;
acido benzoico $C_6H_5COOH$;
acido solforico al 98% $H_2S0_4$;
metanolo $CH_3OH$;
etanolo $CH_3CH_2OH$;
n-propanolo $CH_3(CH_2)2OH$;
n-butanolo $CH_3(CH_2)3OH$:
bicarbonato di sodio $NaHCO_3$;
provette;
pipette Pasteur;
becher per bagnomaria;
piastra riscaldante;
pinze di legno.
Prerequisiti necessari
Conoscere il gruppo funzionale degli acidi carbossilici, degli alcoli e degli esteri;
conoscere la loro reattività;
conoscere la funzione di un catalizzatore.
Obiettivi di apprendimento
Comprendere il meccanismo di sintesi degli esteri dai loro acidi e alcoli precursori;
comprendere che gli esteri hanno la caratteristica di emanare un aroma/profumo.
Dotazioni di sicurezza
Indossare camice, guanti e occhiali;
fare le aggiunte di alcol sotto cappa.
Svolgimento
Realizzazione
I ragazzi vengono suddivisi in 8 gruppi e ciascun gruppo aggiungerà ad uno specifico acido carbossilico uno specifico alcool secondo la tabella riportata.
Mettere 1 goccia di acido solforico concentrato in una provetta
aggiungere 15 gocce (o una spatolata) di un acido carbossilico fra quelli indicati nella tabella sottostante
aggiungere sotto cappa 10 gocce di uno degli alcool della tabella sottostante.
ATTENZIONE: i vapori possono essere tossici.
riscaldare a bagnomaria fino all’ebollizione;
dopo un minuto rimuovere la provetta utilizzando le pinze in legno;
riempire la provetta fino a metà con bicarbonato di sodio 1M. Dovrebbe formarsi un sottile strato di estere sulla superficie della soluzione;
annusare il prodotto “sventagliando” delicatamente con la mano (figura 1).
NON mettere il naso direttamente sopra la provetta.
Figura 1: come far pervenire l'aroma per poterlo odorare
ripetere la procedura con il secondo estere;
confrontare gli odori degli esteri preparati dal vostro gruppo e dagli altri gruppi.
Osservazioni
Riportare in tabella 1 il tipo di odore che ogni gruppo è riuscito ad identificare. Tabella 1
Conclusioni
Ogni gruppo ha preparato due esteri diversi che hanno aroma diverso. Si sono fatte tipiche reazioni di esterificazioni a caldo, in presenza del catalizzatore acido solforico, in particolare questa reazione acido-catalizzata è denominata esterificazione di Fischer. La reazione generale è mostrata in figura 1.
Figura 1: reazione generale di formazione degli esteri
Si può fare scrivere ad ogni gruppo i reagenti e i prodotti delle rispettive reazioni chimiche effettate.
Il bicarbonato si aggiunge per neutralizzare l'acido solforico caustico e l'acido carbossilico in eccesso che coprirebbe con il suo odore quello dell'estere. Inoltre, l'aggiunta di una soluzione acquosa provoca la stratificazione dell'estere insolubile in superficie.
Si può far osservare anche che l’acqua prodotta nella reazione deriva dall’OH del gruppo carbossilico e dall’H del gruppo alcolico, come si vede dalla reazione di figura 2. Figura 2: origine dell'acqua prodotta nella reazione
Si può fa notare che, trattandosi di una reazione di equilibrio, la sottrazione di acqua e l'eccesso di alcol servono a spostare l'equilibrio di reazione verso i prodotti finali.
Si può decidere anche di andare più in dettaglio spiegando ai ragazzi il seguente meccanismo di reazione.
La reazione è una sostituzione nucleofila acilica ($SnAc$) che avviene in due fasi. Nella prima avviene un'addizione dell'alcol (nucleofilo debole) all'acido carbossilico protonato. Successivamente, si ha l'eliminazione dell'acqua (gruppo uscente) dall'intermedio tetracoordinato formatosi. L'atomo di ossigeno carbonilico viene protonato da parte del protone dell'acido solforico. In questo modo il carbonio carbonilico risulta ulteriormente polarizzato positivamente e può subire l'attacco nucleofilo da parte dell'ossidrile dell'alcol, con la formazione di un intermedio tetraedrico. Si ha quindi uno spostamento di un protone dall'ossidrile alcolico all'ossidrile acido (prototropia), permettendo l'eliminazione di una molecola d'acqua e la formazione di un estere protonato sull'ossigeno carbonilico. Infine, la deprotonazione dell'estere, porta alla formazione del prodotto finale e del catalizzatore acido.
Note e storia
Gli aromi sono la classe più numerosa di additivi alimentari. Attualmente sono disponibili oltre mille aromi naturali e sintetici. La maggior parte di essi sono concentrati o estratti da prodotti il cui aroma è quello desiderato. Molto spesso questi aromi sono miscele complesse costituite da decine o centinaia di composti. Un certo numero di aromi, tra cui gli esteri, sono anche sintetizzati industrialmente. Molti di questi aromi sintetici rappresentano i componenti principali degli "aromi naturali" e l’aggiunta di uno o qualcuno di questi è sufficiente a produrre gelati, bevande o dolciumi "naturalmente" aromatizzati.
Andrea Mondin, Università di Padova, Corso di aggiornamento per docenti “Dal doppio legame al DNA Fingerprinting”, Appunti di lezione, LS Fermi Padova, 16 novembre 2016.
