Bài học

Phản ứng ester hoá và thuỷ phân ester

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình phản ứng ester hoá (thuận nghịch) và phản ứng thuỷ phân ester trong môi trường acid cũng như môi trường base, giải thích được vì sao xà phòng hoá là phản ứng một chiều trong khi ester hoá và thuỷ phân trong acid là thuận nghịch, và tính được khối lượng chất theo hiệu suất phản ứng.

Kiến thức nền cần nhớ

Lớp 10–11, em đã học cân bằng hoá học và nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: khi một yếu tố (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thay đổi, cân bằng dịch chuyển theo chiều chống lại sự thay đổi đó. Chương 1 vừa nhắc lại cấu tạo ester $RCOOR'$ gồm gốc acid và gốc alcohol nối qua $-COO-$ . Bài này ghép hai kiến thức lại để hiểu phản ứng tạo ra và phá vỡ liên kết ester.

Lớp 10–11, em đã học cân bằng hoá học và nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier: khi một yếu tố (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) thay đổi, cân bằng dịch chuyển theo chiều chống lại sự thay đổi đó. Chương 1 vừa nhắc lại cấu tạo ester $RCOOR'$ gồm gốc acid và gốc alcohol nối qua $-COO-$. Bài này ghép hai kiến thức lại để hiểu phản ứng tạo ra và phá vỡ liên kết ester.

Khởi động

Nếu chỉ đun nóng acetic acid với ethanol theo đúng tỉ lệ mol 1:1, dù đun bao lâu, hỗn hợp sau phản ứng vẫn luôn còn lẫn acid và alcohol dư, chưa bao giờ chuyển hết thành ester. Vì sao phản ứng này không bao giờ đạt hiệu suất 100% chỉ bằng cách đun nóng đơn thuần?

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng ester hoá là phản ứng thuận nghịch giữa carboxylic acid và alcohol, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, đun nóng:

$RCOOH + R'OH \underset{H_2SO_4 đặc,\ t^\circ}{\rightleftharpoons} RCOOR' + H_2O$

Vì phản ứng thuận nghịch, để tăng hiệu suất tạo ester, người ta áp dụng nguyên lý Le Chatelier theo ba cách: dùng dư một chất đầu (thường dùng dư alcohol vì rẻ và dễ tách); chưng cất tách ester ra khỏi hỗn hợp ngay khi tạo thành (ester thường dễ bay hơi hơn); hoặc dùng $H_2SO_4$ đặc vừa xúc tác vừa hút bớt nước sinh ra, giảm nồng độ sản phẩm nước.

Thuỷ phân trong môi trường acid là phản ứng ngược lại của ester hoá, cũng thuận nghịch:

$RCOOR' + H_2O \underset{H^+,\ t^\circ}{\rightleftharpoons} RCOOH + R'OH$

Thuỷ phân trong môi trường base (phản ứng xà phòng hoá) lại là phản ứng một chiều, xảy ra hoàn toàn:

$RCOOR' + NaOH \xrightarrow{t^\circ} RCOONa + R'OH$

Vì sao xà phòng hoá không thuận nghịch trong khi hai phản ứng trên đều thuận nghịch? Vì sản phẩm $RCOONa$ là muối carboxylate — anion $RCOO^-$ đã ổn định về điện tích, không còn khả năng phản ứng ngược lại với alcohol để tái tạo ester trong điều kiện phản ứng. Base $OH^-$ bị tiêu thụ hoàn toàn để trung hoà acid sinh ra, kéo phản ứng đi hết theo một chiều — khác hẳn thuỷ phân trong acid, nơi $H^+$ chỉ đóng vai trò xúc tác chứ không bị tiêu hao.

**Phản ứng ester hoá** là phản ứng thuận nghịch giữa carboxylic acid và alcohol, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, đun nóng: $$RCOOH + R'OH \underset{H_2SO_4 đặc,\ t^\circ}{\rightleftharpoons} RCOOR' + H_2O$$ Vì phản ứng thuận nghịch, để tăng hiệu suất tạo ester, người ta áp dụng nguyên lý Le Chatelier theo ba cách: dùng dư một chất đầu (thường dùng dư alcohol vì rẻ và dễ tách); chưng cất tách ester ra khỏi hỗn hợp ngay khi tạo thành (ester thường dễ bay hơi hơn); hoặc dùng $H_2SO_4$ đặc vừa xúc tác vừa hút bớt nước sinh ra, giảm nồng độ sản phẩm nước. **Thuỷ phân trong môi trường acid** là phản ứng ngược lại của ester hoá, cũng thuận nghịch: $$RCOOR' + H_2O \underset{H^+,\ t^\circ}{\rightleftharpoons} RCOOH + R'OH$$ **Thuỷ phân trong môi trường base (phản ứng xà phòng hoá)** lại là phản ứng **một chiều, xảy ra hoàn toàn**: $$RCOOR' + NaOH \xrightarrow{t^\circ} RCOONa + R'OH$$ Vì sao xà phòng hoá không thuận nghịch trong khi hai phản ứng trên đều thuận nghịch? Vì sản phẩm $RCOONa$ là muối carboxylate — anion $RCOO^-$ đã ổn định về điện tích, không còn khả năng phản ứng ngược lại với alcohol để tái tạo ester trong điều kiện phản ứng. Base $OH^-$ bị tiêu thụ hoàn toàn để trung hoà acid sinh ra, kéo phản ứng đi hết theo một chiều — khác hẳn thuỷ phân trong acid, nơi $H^+$ chỉ đóng vai trò xúc tác chứ không bị tiêu hao.

Trong công nghiệp, ethyl acetate — một trong những ester được sản xuất với sản lượng lớn nhất thế giới — được điều chế liên tục bằng cách cho acetic acid phản ứng với ethanol dư trong tháp phản ứng có chưng cất đồng thời: hơi ester và nước bay lên được tách khỏi hỗn hợp lỏng ngay lập tức, đẩy cân bằng liên tục theo chiều thuận mà không cần dừng phản ứng để tách sản phẩm theo từng mẻ như trong phòng thí nghiệm.

Nhìn theo góc độ cân bằng hoá học đã học ở lớp 10–11: phản ứng ester hoá có hằng số cân bằng $K$ xác định ở mỗi nhiệt độ, không phụ thuộc lượng chất ban đầu. $H_2SO_4$ đặc và việc đun nóng KHÔNG làm thay đổi $K$ — chúng chỉ giúp hệ **đạt tới trạng thái cân bằng nhanh hơn** (tăng tốc độ phản ứng cả chiều thuận lẫn chiều nghịch) chứ không kéo cân bằng dịch chuyển. Muốn thật sự tăng hiệu suất tại cân bằng, phải tác động vào nồng độ chất theo đúng ba biện pháp Le Chatelier đã nêu ở trên (dùng dư một chất, tách sản phẩm, hút nước) — đây là điểm học sinh hay lẫn lộn giữa "phản ứng nhanh hơn" và "hiệu suất cao hơn", hai khái niệm độc lập với nhau. Trong công nghiệp, ethyl acetate — một trong những ester được sản xuất với sản lượng lớn nhất thế giới — được điều chế liên tục bằng cách cho acetic acid phản ứng với ethanol dư trong tháp phản ứng có chưng cất đồng thời: hơi ester và nước bay lên được tách khỏi hỗn hợp lỏng ngay lập tức, đẩy cân bằng liên tục theo chiều thuận mà không cần dừng phản ứng để tách sản phẩm theo từng mẻ như trong phòng thí nghiệm.

Ví dụ

Viết phương trình ester hoá và thuỷ phân trong base của cùng một ester

1
Viết phương trình phản ứng ester hoá giữa $CH_3COOH$ và $C_2H_5OH$ , và phản ứng thuỷ phân $CH_3COOC_2H_5$ trong dung dịch $NaOH$ đun nóng.
Viết phương trình phản ứng ester hoá giữa $CH_3COOH$ và $C_2H_5OH$, và phản ứng thuỷ phân $CH_3COOC_2H_5$ trong dung dịch $NaOH$ đun nóng.
2
$CH_3COOH + C_2H_5OH \underset{H_2SO_4 đặc,\ t^\circ}{\rightleftharpoons} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$
$CH_3COOH + C_2H_5OH \underset{H_2SO_4 đặc,\ t^\circ}{\rightleftharpoons} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$
3
$CH_3COOC_2H_5 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + C_2H_5OH$
$CH_3COOC_2H_5 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + C_2H_5OH$
4
Hai phản ứng trên tạo ra và phá vỡ cùng một liên kết ester nhưng khác bản chất: phản ứng đầu thuận nghịch (dấu $\rightleftharpoons$ ), phản ứng sau một chiều hoàn toàn (dấu $\xrightarrow{}$ ) vì muối $CH_3COONa$ tạo thành không phản ứng ngược lại được với $C_2H_5OH$ .
Hai phản ứng trên tạo ra và phá vỡ cùng một liên kết ester nhưng khác bản chất: phản ứng đầu thuận nghịch (dấu $\rightleftharpoons$), phản ứng sau một chiều hoàn toàn (dấu $\xrightarrow{}$) vì muối $CH_3COONa$ tạo thành không phản ứng ngược lại được với $C_2H_5OH$.

Ví dụ

Tính khối lượng ester thu được theo hiệu suất

1
Đun 60 gam $CH_3COOH$ với ethanol dư, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng ethyl acetate thu được.
Đun 60 gam $CH_3COOH$ với ethanol dư, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng ethyl acetate thu được.
2
Ta có $n_{CH_3COOH} = \dfrac{60}{60} = 1$ mol.
Ta có $n_{CH_3COOH} = \dfrac{60}{60} = 1$ mol.
3
PTHH: $CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$ . Theo PT, tỉ lệ mol acid : ester là $1:1$ , nên nếu phản ứng hoàn toàn sẽ thu được $1$ mol ester.
PTHH: $CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$. Theo PT, tỉ lệ mol acid : ester là $1:1$, nên nếu phản ứng hoàn toàn sẽ thu được $1$ mol ester.
4
Vì hiệu suất chỉ đạt 80% (do phản ứng thuận nghịch, không chuyển hết), số mol ester thực tế thu được là $n_{ester} = 1 \times 80\% = 0,8$ mol.
Vì hiệu suất chỉ đạt 80% (do phản ứng thuận nghịch, không chuyển hết), số mol ester thực tế thu được là $n_{ester} = 1 \times 80\% = 0,8$ mol.
5
$M_{CH_3COOC_2H_5} = 88$ g/mol. Suy ra $m_{ester} = 0,8 \times 88 = 70,4$ gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là $70,4$ gam.
$M_{CH_3COOC_2H_5} = 88$ g/mol. Suy ra $m_{ester} = 0,8 \times 88 = 70,4$ gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là $70,4$ gam.

Ví dụ

Tính khối lượng NaOH cần dùng và muối tạo thành khi xà phòng hoá

1
Xà phòng hoá hoàn toàn 8,8 gam ethyl acetate bằng dung dịch NaOH vừa đủ. Tính khối lượng NaOH đã dùng và khối lượng muối thu được.
2
$M_{CH_3COOC_2H_5} = 88$ g/mol. Ta có $n_{ester} = \dfrac{8,8}{88} = 0,1$ mol.
$M_{CH_3COOC_2H_5} = 88$ g/mol. Ta có $n_{ester} = \dfrac{8,8}{88} = 0,1$ mol.
3
PTHH: $CH_3COOC_2H_5 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + C_2H_5OH$ . Theo PT, $n_{NaOH} = n_{muối} = n_{ester} = 0,1$ mol (phản ứng xà phòng hoá xảy ra hoàn toàn, một chiều, nên "vừa đủ" ứng đúng tỉ lệ mol $1{:}1$ ).
PTHH: $CH_3COOC_2H_5 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + C_2H_5OH$. Theo PT, $n_{NaOH} = n_{muối} = n_{ester} = 0,1$ mol (phản ứng xà phòng hoá xảy ra hoàn toàn, một chiều, nên "vừa đủ" ứng đúng tỉ lệ mol $1{:}1$).
4
$m_{NaOH} = 0,1 \times 40 = 4$ gam.
$m_{NaOH} = 0,1 \times 40 = 4$ gam.
5
$M_{CH_3COONa} = 82$ g/mol. Suy ra $m_{CH_3COONa} = 0,1 \times 82 = 8,2$ gam. Vậy cần $4$ gam NaOH và thu được $8,2$ gam natri acetate.
$M_{CH_3COONa} = 82$ g/mol. Suy ra $m_{CH_3COONa} = 0,1 \times 82 = 8,2$ gam. Vậy cần $4$ gam NaOH và thu được $8,2$ gam natri acetate.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là áp dụng hiệu suất < 100% cho CẢ phản ứng xà phòng hoá — trong khi đề bài đã cho "NaOH vừa đủ" và không nhắc hiệu suất, nghĩa là bài toán xà phòng hoá coi như phản ứng xảy ra hoàn toàn (đúng bản chất một chiều). Ngược lại, phản ứng ester hoá LUÔN cần kiểm tra hiệu suất vì bản chất thuận nghịch — quên bước nhân hiệu suất sẽ tính sai khối lượng ester.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ester hoá và thuỷ phân trong acid đều thuận nghịch ( $\rightleftharpoons$ ); xà phòng hoá (thuỷ phân trong base) là phản ứng một chiều ( $\xrightarrow{}$ ) vì tạo muối carboxylate bền; luôn nhân hiệu suất khi tính ester hoá, nhưng coi xà phòng hoá "vừa đủ" là hoàn toàn nếu đề không nói khác.

Ester hoá và thuỷ phân trong acid đều thuận nghịch ($\rightleftharpoons$); xà phòng hoá (thuỷ phân trong base) là phản ứng một chiều ($\xrightarrow{}$) vì tạo muối carboxylate bền; luôn nhân hiệu suất khi tính ester hoá, nhưng coi xà phòng hoá "vừa đủ" là hoàn toàn nếu đề không nói khác.

Chương tiếp theo mở rộng đúng hai phản ứng vừa học sang chất béo — một loại ester đặc biệt có ba nhóm chức ester trong cùng một phân tử.