・フィッシャーのエステル化反応

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【目次】

(1) 実験操作

(2) 理論

(3) 結果

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(1) 実験操作

�@ 200 mLビーカーに水を7分目程度まで入れ、ガスバーナーで約80℃程度に加熱する。

�A 50 mLビーカーに2%炭酸水素ナトリウム水溶液を約30 mL入れる。

�B 約2 mLのエタノールと約1 mLの酢酸を試験管に入れる。

�C �Bの試験管に濃硫酸を約0.3 mL(6滴程度)加えて、少し振り混ぜる。

�D �Cの試験管を約80℃の温水に浸して、時々振り混ぜながら、約5分間加熱する。

�E 反応が終わったら、流水で試験管の周りを冷やす。

�F �Eの試験管に�Aの炭酸水素ナトリウム水溶液を駒込ピペットで約5 mL加え、よく振り混ぜる。

�G �Fの試験管を静置させて、液が二層に分かれるのを待つ。

�H �Gの試験管の上の層(油層)だけを注意深く駒込ピペットで少量取り、シャーレに移す。

�I 移し終わったら、生成物の香りをかいでみる。(リンゴ、バナナ、洋ナシ、パイナップルのいずれかの臭いがする)

�J 別のアルコールとカルボン酸で、手順�B〜�Iを繰り返す。

表.1 実験で用いるアルコールとカルボン酸の組み合わせ

組み合わせ	アルコール	カルボン酸
I	エタノール C2H5OH	酢酸 CH3COOH
II	ペンタノール C5H11OH	酢酸 CH3COOH
III	メタノール CH3OH	酪酸 C3H7COOH
IV	ペンタノール C5H11OH	酪酸 C3H7COOH

(2) 理論

　カルボン酸の多くは、一般的に強い悪臭を持ちます。例えば、酢酸CH3COOHは食酢の刺激臭を持ち、酪酸C3H7COOHは腐ったバターまたは銀杏の悪臭を持ちます。また、アルコールの多くは、一般的に｢鼻を突く｣と形容される臭気を持ちます。しかしながら、任意のカルボン酸とアルコールを縮合させたエステルは、心地よい芳香を持つようになるため、香水や香料としての用途があります。例えば、低分子量のエステルは、心地よい果実臭を持ち、ギ酸エチルHCOOC2H5はパイナップル、酢酸プロピルCH3COOC3H7はバナナの芳香を持ちます。

エステルRCOOR’は、カルボン酸RCOOHの誘導体であり、ヒドロキシ基(-OH)の水素原子Hが、アルキル基R’に置き換えられています。カルボン酸RCOOHとアルコールR’OHを、濃硫酸H2SO4などの酸触媒存在下で加熱すると、エステルRCOOR’と水H2Oが生成し、反応物との間に平衡反応が成立します(有機反応機構(カルボン酸とその誘導体の反応)を参照)。この反応は、1895年にドイツの化学者であるエミール・フィッシャーによって報告されたので、「フィッシャーのエステル化反応(Fischer esterification)」と呼ばれています。この反応では、硫酸H2SO4から生じる水素イオンH⁺ が触媒として働くとともに、生成する水H2Oが濃硫酸H2SO4の脱水作用によって反応系から除かれるので、図.1の平衡がより右側へ進められます。

図.1  フィッシャーのエステル化反応

この反応は、混合物の状態で平衡に達するため、エステルを高い収率で得ることは、一般的に難しいです。そこで、カルボン酸かアルコールのどちらかの反応物を過剰量反応させたり、水を系外へ除去させたりすることで、平衡をエステル側へ偏らせる手法がとられます。この実験では、アルコールを過剰量入れることで、平衡をエステル側に偏らせています。

(3) 結果

　実験で用いたカルボン酸とアルコールの臭気を、次の表.2に示します。酪酸は特に臭気が強いので、衣服に付かないように、十分注意して取り扱いましょう。

表.2  実験で用いたカルボン酸とアルコールの臭気

試薬	臭気
酢酸 CH3COOH	お酢
酪酸 C3H7COOH	銀杏、足の悪臭
メタノール CH3OH	かすかなアルコール臭
エタノール C2H5OH	消毒液
ペンタノール C5H11OH	青臭いアルコール臭

また、実験で生成したエステルの芳香を、次の表.3に示します。この実験は定量的なものではないので、操作�Hでは、エステル層だけを注意深く取るようにしましょう。

表.3  実験で生成したエステルの芳香

用いたカルボン酸 RCOOH	用いたアルコール R’OH	生成したエステル RCOOR’	エステルの芳香
酢酸 CH3COOH	エタノール C2H5OH	酢酸エチル CH3COOC2H5	パイナップル
酢酸 CH3COOH	ペンタノール C5H11OH	酢酸ペンチル CH3COOC2H5	バナナ
酪酸 C3H7COOH	メタノール CH3OH	酪酸メチル C3H7COOCH3	リンゴ
酪酸 C3H7COOH	ペンタノール C5H11OH	酪酸ペンチル C3H7COOC5H11	洋ナシ

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