Vaihtoesteröinti

Yleinen esimerkki vaihtoesteröinnistä

Vaihtoesteröinti eli transesteröinti on kemiallinen reaktio, jossa esterin orgaaninen ryhmä R vaihdetaan toiseen orgaaniseen ryhmään R'' esterin ja alkoholin välisellä reaktiolla. Reaktio vaatii tyypillisesti katalyytikseen hapon tai emäksen.^[1][2] Vaihtoesteröinnillä on synteettisen hienokemianteollisuuden tuotteiden lisäksi useita muitakin tärkeitä sovelluskohteita muun muassa polymeeri- ja biopolttoaineteollisuudessa sekä margariinin valmistuksessa^[3].

Reagenssit ja mekanismi

Vaihtoesteröinti tapahtuu alkoholin ja esterin välisenä reaktiona. Reaktiota katalysoivat sekä hapot että emäkset ja reaktiomekanismi riippuu käytettävästä katalyytistä. Happokatalyytteinä voidaan käyttää proottisia happoja kuten rikkihappoa, p-tolueenisulfonihappoa tai happamia ioninvaihtoon käytettäviä hartseja tai Lewis-happoja kuten harvinaisten maametallien, sinkin, tinan ja titaanin komplekseja.^[2][4][5] Vaihtoesteröinnin mekanismi muistuttaa paljon esterin hydrolyysin mekanismia.^[1][2] Happokatalysoidussa vaihtoesteröinnissä esterin karboksyyliryhmän happiatomi protonoituu, tehden karbonyyliryhmästä elektrofiilisemman. Nukleofiilinen alkoholi reagoi karbonyyliryhmän kanssa muodostaen tetraedrimäisen välivaiheen, joka hajoaa muodostaen uuden esterin ja alkoholin.^[1]

Happokatalysoitu vaihtoesteröinti.

Emäskatalysoidussa vaihtoesteröinnissä emäs muodostaa alkoholista nukleofiilisemman alkoksidin. Alkoksidi reagoi esterin karbonyyliryhmän hiiliatomin kanssa muodostaen tetraedrimäisen välivaiheen, joka hajoaa vaihtoesteröinnin tuotteiksi.

Emäskatalysoitu esteröinti.

Vaihtoesteröinti on tasapainoreaktio ja hyvän saannon aikaansaamiseksi ja tasapainon ajamiseksi tuotteiden puolelle on usein katalyytin lisäksi käytettävä toisen tuotteen poistamista reaktioseoksesta. Vaihtoesteröitäessä metyyli- ja etyyliestereistä muodostuu alhaisessa lämpötilassa haihtuvaa metanolia tai etanolia, jotka voidaan tislata pois reaktioseoksesta.^[2][4]

Vaihtoesteröinnin käyttökohteita

Vaihtoesteröinnillä voidaan tuottaa useita estereitä, joita käytetään joko sellaisenaan tai muiden yhdisteiden valmistamiseen. Suuressa mittakaavassa vaihtoesteröintiä käytetään muun muassa polymeeriteollisuudessa, kuten valmistettaessa polyetyleenitereftalaattia dimetyylitereftalaatin ja glykolin välisellä vaihtoesteröinnillä. Menetelmää käytetään myös diolien ja karbonaattiestereiden välisissä reaktioissa, joissa muodostuu polykarbonaatteja.^[1][4]

Vaihtoesteröinti on myös tärkeässä osassa biodieselien valmistusta. Biodieseliä valmistetaan triglyserideistä, joissa glyseroliin on esteröitynyt pitkäketjuisia rasvahappoja. Biodieselin valmistuksessa triglyseridit reagoivat emäksisissä olosuhteissa esimerkiksi natriumhydroksidin katalysoimana muodostaen rasvahappometyyliestereitä, joita käytetään biopolttoaineina. Katalyytteinä voidaan käyttää myös happoja, mutta niiden haittapuolena on usein selvästi emäskatalysoitua reaktiota pienempi reaktionopeus.^[6]

Lähteet

1. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren: Organic Chemistry, s. 209–210. Oxford University Press, 2012. ISBN 978-0-19-927029-3 (englanniksi)
2. Michael B. Smith & Jerry March: March's Advanced Organic Chemistry, s. 1419–1421. John Wiley & Sons, 2007. ISBN 978-0-471-72091-1 (englanniksi)
3. Toistaako kasviöljyjen kovetuksen historia itseään? www.duodecimlehti.fi. Viitattu 18.3.2024.
4. Wilhelm Riemenschneider & Hermann M. Bolt: ”Esters, Organic”, ”Esters, Organic”, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. New York: John Wiley & Sons, 2005. doi:10.1002/14356007.a09_565.pub2
5. Takanori Iwasaki, Yusuke Maegawa, Takashi Ohshima & Kazushi Mashima: Esterification, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2012. Viitattu 7.8.2014
6. Dmitry Yu. Murzin, Päivi Mäki-Arvela & Irina L. Simakova: Triglycerides and Oils for Biofuels, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2012. Viitattu 7.8.2014