3. Propiedades, preparación y usos de los éteres (adhesivos)

Ésteres: propiedades, estructura, usos, ejemplos

Los ésteres son compuestos orgánicos que presentan un componente de ácido carboxílico y otro de alcohol. Su fórmula química general es RCO2R’ o RCOOR’. El lado derecho, RCOO, corresponde al grupo carboxilo, mientras que el derecho, OR’ es el alcohol. Los dos comparten un átomo de oxígeno y comparten cierta semejanza con los éteres (ROR’).

Por esta razón el acetato de etilo, CH3COOCH2CH3, el más simple de los éster, se consideró como el éter del ácido acético o  de vinagre, y de allí el origen etimológico del nombre ‘éster’. De modo que un éster consiste de la sustitución del hidrógeno ácido del grupo COOH, por un grupo alquilo proveniente de un alcohol.

¿Dónde se encuentran los ésteres? Desde los suelos de la química orgánica, son muchas sus fuentes naturales. El agradable olor de las frutas, como las de las bananas, peras y manzanas, es producto de la interacción de los ésteres con muchos otros componentes. Asimismo se los encuentra en forma de triglicéridos en aceites o grasas.

Nuestro organismo fabrica triglicéridos a partir de los ácidos grasos, los cuales poseen cadenas carbonadas largas, y el alcohol glicerol. Lo que diferencia unos ésteres de otros reside tanto en R, la cadena del componente ácido, como de R’, la del componente alcohólico.

Un éster de bajo peso molecular debe tener pocos carbonos en R y R’, mientras que otros, como las ceras, tienen muchos carbonos especialmente en R’, el componente alcohólico, y por lo tanto altos pesos moleculares.

Sin embargo, no todos los ésteres son estrictamente orgánicos. Si se sustituye el átomo de carbono del grupo carbonilo por uno de fósforo, entonces se tendrá RPOOR’. Este se conoce como un éster fosfato, y son de crucial importancia en la estructura del ADN.

Así, siempre que un átomo pueda enlazarse eficientemente al carbono o al oxígeno, como el azufre (RSOOR’), puede formar en consecuencia un éster inorgánico.

Propiedades

Los ésteres no son ácidos ni alcoholes, por lo que no se comportan como tales. Sus puntos de fusión y ebullición, por ejemplo, son menores que aquellos con pesos moleculares similares, pero más cercanos en valores a los de los aldehído y las cetonas.

El ácido butanoico, CH3CH2CH2COOH, tiene un punto de ebullición de 164ºC, mientras que el acetato de etilo, CH3COOCH2CH3, de 77.1ºC.

Aparte del reciente ejemplo, los puntos de ebullición del 2-metilbutano, CH3CH(CH3)CH2CH3, del acetato de metilo, CH3COOCH3, y del 2-butanol, CH3,CH(OH)CH2CH3, son los siguientes: 28, 57 y 99ºC. Los tres compuestos tienen pesos moleculares 72 y 74 g/mol.

Los ésteres de bajos pesos moleculares tienden a ser volátiles y a tener olores agradables, razón por la que su contenido en las frutas les confiere sus fragancias familiares. Por otro lado, cuando sus pesos moleculares son altos, son sólidos cristalinos incoloros e inodoros, o dependiendo de su estructura, exhibir características grasosas.

Solubilidad en agua

Los ácidos carboxílicos y los alcoholes suelen ser solubles en agua, a menos que posean un alto carácter hidrofóbico en sus estructuras moleculares. Lo mismo ocurre con los ésteres. Cuando R o R’ son cadenas cortas, el éster puede interactuar con las moléculas de agua mediante fuerzas dipolo-dipolo y de fuerzas de London.

Esto se debe a que los ésteres son aceptores de puentes de hidrógeno. ¿Cómo? Por sus dos átomos de oxígeno RCOOR’. Las moléculas de agua formar puentes de hidrógeno con cualquiera de estos oxígenos. Pero cuando las cadenas R o R’ son muy largas, éstas repelen al agua de su entorno, imposibilitando su disolución.

Un ejemplo evidente de esto ocurre con los ésteres de triglicéridos. Sus cadenas laterales son largas y hacen que los aceites y las grasas sean insolubles en el agua, a menos que estén en contacto con un solvente menos polar, más afín a dichas cadenas.

Reacción de hidrólisis

Los ésteres también pueden reaccionar con las moléculas de agua en los que se conoce como reacción de hidrólisis. Sin embargo, requieren de un medio lo suficientemente ácido o básico para promover el mecanismo de dicha reacción:

RCOOR’ + H2O <=> RCOOH + R’OH

(Medio ácido)

La molécula de agua se adiciona al grupo carbonilo, C=O. La hidrólisis ácida se resume en la sustitución de cada R’ del componente alcohólico por un OH proveniente del agua. Nótese también cómo el éster se “rompe” en sus dos componentes: el ácido carboxílico, RCOOH y el alcohol R’OH.

RCOOR’ + OH– => RCOO– + R’OH

(Medio básico)

Cuando la hidrólisis se realiza en un medio básico, ocurre una reacción irreversible conocida como saponificación. Esta es muy empleada y es la piedra angular en la elaboración de jabones artesanales o industriales.

El RCOO– es el anión carboxilato, estable, el cual se asocia electrostáticamente con el catión predominante en el medio.

Si la base que se utiliza es NaOH, se forma la sal RCOONa. Cuando el éster es un triglicérido, que por definición tiene tres cadenas laterales R, se forman tres sales de ácidos grasos, RCOONa, y el alcohol glicerol.

Reacción de reducción

Los ésteres son compuestos altamente oxidados. ¿Qué quiere decir? Significa que tiene varios enlaces covalentes con el oxígeno. Al eliminar los enlaces C-O, ocurre una ruptura que termina separando a los componentes ácidos y alcohólicos; y más aún, el ácido se reduce a una forma menos oxidada, a un alcohol:

RCOOR’ => RCH2OH + R’OH

Esta es la reacción de reducción. Se necesita de un agente reductor fuerte, como el hidruro de litio y aluminio, LiAlH4, y de un medio ácido que promueva la migración de electrones. Los alcoholes son las formas más reducidas, es decir, las que tienen menos enlaces covalentes con el oxígeno (tan solo uno: C–OH).

Los dos alcoholes, RCH2OH + R’OH, provienen de las dos cadenas respectivas del éster original RCOOR’. Este es un método de síntesis de alcoholes de valor agregado a partir de sus ésteres. Por ejemplo, si se quisiera fabricar un alcohol de una fuente de ésteres exótica, ésta sería una buena ruta para dicho propósito.

Reacción de transesterificación

Los ésteres pueden transformarse en otros si reaccionan en medio ácidos o básicos con alcoholes:

RCOOR’ + R’’OH <=> RCOOR’’ + R’OH

Estructura


La imagen superior representa la estructura general de todos los ésteres orgánicos. Nótese que R, el grupo carbonilo C=O, y OR’, forman un triángulo plano, producto de la hibridación sp2 del átomo de carbono central. Sin embargo, los demás átomos pueden adoptar otras geometrías, y sus estructuras dependen de la naturaleza intrínseca de R o R’.

Si R o R’ son cadenas alquílicas simples, por ejemplo, del tipo (CH2)nCH3, éstas lucirán zigzagueadas en el espacio. Este es el caso del Butanoato de pentilo, CH3CH2CH2COOCH2CH2CH2CH2CH3.

Pero en cualquiera de los carbonos de esas cadenas podría encontrarse una ramificación o insaturación (C=C, C≡C), los cuales modificarían la estructura global del éster. Y por esta razón sus propiedades físicas, como la solubilidad y sus puntos de ebullición y fusión, varían con cada compuesto.

Por ejemplo, las grasas insaturadas presentan dobles enlaces en sus cadenas R, los cuales influyen negativamente en las interacciones intermoleculares. Como resultado, descienden sus puntos de fusión, hasta ser líquidas, o aceites, a temperatura ambiente.

Aceptor de puentes de hidrógeno

Aunque en la imagen resalte más el triángulo del esqueleto de los ésteres, son las cadenas R y R’ las responsables de la diversidad en sus estructuras.

Sin embargo, al triángulo sí se le amerita una característica estructural de los ésteres: son aceptores de puentes de hidrógeno. ¿Cómo? Mediante el oxígeno de los grupos carbonilo y alcóxido (el –OR’).

Estos tienen pares de electrones libres, los cuales pueden atraer los átomos de hidrógeno cargados parcialmente positivos de las moléculas de agua.

Por lo tanto, es un tipo especial de interacciones dipolo-dipolo. Las moléculas de agua se acercan al éster (si no lo impiden las cadenas R o R’) y se forman los puentes C=O—H2O, o OH2—O-R’.