8.6 Syntese og utbytte

Lukten av banan og ananas

Åpner du en pose godteri med bananaroma, kjenner du sannsynligvis lukten av isoamylacetat -- et ester. Estere er overalt i smaks- og luktverdenen, og de har den generelle strukturen R-COO-R'. De dannes fra en karboksylsyre (R-COOH) og en alkohol (R'-OH), og navngis ved å sette alkoholdelen først som alkylgruppe og syredelen med endelsen -oat. Slik blir $\text{CH}_3\text{COOCH}_3$ til metyletenoat (metylacetat) og $\text{HCOOCH}_2\text{CH}_3$ til etylmetanoat.

Estere er ikke bare kunstig godteriaroma. Naturlige estere finnes i fett og oljer (triglyserider), i vokser og i insektenes feromoner. Syntetiske estere brukes som løsemidler (etylacetat), aromastoffer, plastmykgjørere og polyestere (PET-flasker). Mange estere lukter frukt: etylbutanoat lukter ananas, isoamylacetat banan, metylbutanoat eple. Grunnen til at de lukter, er at de er relativt små, flyktige molekyler -- de mangler hydrogenbindinger seg imellom og fordamper lett opp til luktreseptorene. Men hvordan lager vi dem, og hvordan bryter vi dem ned igjen?

Å lage og bryte ned estere

Vi lager estere ved esterifisering -- en syre reagerer med en alkohol:

$$\text{R-COOH} + \text{R'-OH} \xrightleftharpoons{\text{H}_2\text{SO}_4, \Delta} \text{R-COO-R'} + \text{H}_2\text{O}$$

Legg merke til tre ting: reaksjonen er reversibel (en likevekt), den krever en syrekatalysator (H₂SO₄) og varme, og den er en kondensasjonsreaksjon der vann spaltes av. Siden det er en likevekt, kan vi bruke Le Chateliers prinsipp til å øke utbyttet av ester: tilsette overskudd av den billigste reaktanten, eller fjerne et produkt -- enten destillere bort esteren eller binde vannet med et tørkemiddel. Katalysatoren H₂SO₄ øker bare hastigheten; den forskyver ikke likevekten.

Den motsatte reaksjonen er hydrolyse -- esteren reagerer med vann og brytes tilbake. Her er det en viktig forskjell mellom to varianter. Sur hydrolyse er rett og slett reversreaksjonen av esterifisering: $\text{Ester} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Syre} + \text{Alkohol}$. Den er reversibel og langsom, og vi bruker overskudd av vann for å drive den mot produktene. Basisk hydrolyse, også kalt forsåpning, gir derimot et karboksylatsalt: $\text{Ester} + \text{NaOH} \rightarrow \text{R-COO}^-\text{Na}^+ + \text{R'-OH}$. Den er irreversibel -- fordi karboksylatsaltet er resonansstabilisert og ikke kan reagere tilbake til ester -- og raskere enn sur hydrolyse. Det er nettopp denne reaksjonen som lager såpe når fett (triglyserider) kokes med base: $\text{Triglyserid} + 3\text{NaOH} \rightarrow 3\text{ Na-karboksylat (såpe)} + \text{Glyserol}$.

Den store ideen: kondensasjon

Esterifisering er bare ett eksempel på en mektig reaksjonstype. En kondensasjonsreaksjon er en reaksjon der to molekyler kobles sammen mens et lite molekyl -- oftest vann -- spaltes av. Når du først ser dette mønsteret, dukker det opp overalt. Esterifisering kobler syre og alkohol med fraspaltning av vann. Amiddannelse kobler syre og amin: $\text{Syre} + \text{Amin} \rightarrow \text{Amid} + \text{H}_2\text{O}$. Og peptiddannelse kobler aminosyrer: $\text{Aminosyre} + \text{Aminosyre} \rightarrow \text{Dipeptid} + \text{H}_2\text{O}$.

Det siste er kanskje det viktigste av alt, for det er slik livet bygges. Når to aminosyrer kobles, dannes en peptidbinding -- som faktisk er en amidbinding (-CO-NH-) -- under fraspaltning av vann: $\text{H}_2\text{N-CHR-COOH} + \text{H}_2\text{N-CHR'-COOH} \rightarrow \text{H}_2\text{N-CHR-CO-NH-CHR'-COOH} + \text{H}_2\text{O}$. Proteinene i kroppen din er polypeptider, kjeder av hundrevis til tusenvis av aminosyrer bundet sammen på nettopp denne måten. Den samme kjemien bygger plast: en polyester dannes når en disyre reagerer med en diol, og et polyamid som nylon når en disyre reagerer med et diamin -- begge er kondensasjonspolymerer som spalter av vann for hver binding. Slik er kondensasjonsreaksjonen en rød tråd fra duftende estere via kroppens proteiner til industriens plast.

Oppsummering

Vi har sett at estere (R-COO-R') gir frukt- og blomsterlukt, finnes i fett, oljer og aromastoffer, og dannes ved esterifisering av en syre og en alkohol -- en reversibel, syrekatalysert kondensasjonsreaksjon. Med Le Chateliers prinsipp øker vi utbyttet ved overskudd av reaktant eller ved å fjerne vann.

Motsatt vei skjer hydrolyse: sur hydrolyse er reversibel og gir syre og alkohol, mens basisk hydrolyse (forsåpning) er irreversibel og gir et stabilt karboksylatsalt -- prinsippet bak såpeproduksjon. Den store ideen er at esterifisering bare er ett eksempel på en kondensasjonsreaksjon, der to molekyler kobles og vann spaltes av. Det samme mønsteret bygger amider, peptidbindinger i proteiner, og kondensasjonspolymerer som polyester og nylon. Slik knytter denne kjemien sammen alt fra godterilukt til livets proteiner og industriens plast.