Khi thay nhóm –OH của nhóm carboxyl trong phân tử carboxylic acid bằng nhóm –OR' (R' là gốc hydrocarbon) ta được ester. Công thức tổng quát của ester đơn chức là RCOOR', trong đó R có thể là H hoặc gốc hydrocarbon, còn R' bắt buộc khác H (nếu R' là H thì chất đó lại là acid).
Nhóm chức ester là nhóm –COO–, gồm một liên kết đôi C=O và một liên kết đơn C–O. Chính cặp liên kết này quyết định toàn bộ tính chất hoá học của ester: nguyên tử carbon của nhóm C=O mang một phần điện tích dương nên bị nước, ion OH– hay ion RO– tấn công.
Ester no, đơn chức, mạch hở có công thức phân tử chung là CnH2nO2 với n lớn hơn hoặc bằng 2. Lưu ý công thức này trùng với công thức của carboxylic acid no đơn chức mạch hở, nên C2H4O2 có thể là HCOOCH3 hoặc CH3COOH — muốn phân biệt phải dựa vào tính chất chứ không dựa vào công thức phân tử.
Tên ester đọc theo thứ tự: tên gốc hydrocarbon R' + tên gốc acid RCOO– với đuôi "ate". Đây là thứ tự ngược với thứ tự viết công thức, nên rất hay nhầm.
| Công thức | Tên gọi | Acid tạo ester | Alcohol tạo ester |
|---|---|---|---|
| HCOOCH3 | methyl formate | HCOOH (formic acid) | CH3OH |
| CH3COOCH3 | methyl acetate | CH3COOH | CH3OH |
| CH3COOC2H5 | ethyl acetate | CH3COOH | C2H5OH |
| C2H5COOCH3 | methyl propanoate | C2H5COOH | CH3OH |
| CH3COOC6H5 | phenyl acetate | CH3COOH | C6H5OH (phenol) |
Giữa các phân tử ester không tạo được liên kết hydrogen với nhau, vì phân tử ester không còn nguyên tử H linh động gắn với O. Hệ quả là nhiệt độ sôi của ester thấp hơn hẳn alcohol và carboxylic acid có phân tử khối tương đương. Thứ tự nhiệt độ sôi cần nhớ: ester nhỏ hơn alcohol nhỏ hơn carboxylic acid.
Ester ít tan trong nước (nhóm –COO– chỉ nhận liên kết hydrogen từ nước chứ không cho được), nhẹ hơn nước, đa số là chất lỏng dễ bay hơi và có mùi thơm đặc trưng: isoamyl acetate mùi chuối chín, ethyl butanoate mùi dứa, benzyl acetate mùi hoa nhài. Vì vậy ester được dùng làm hương liệu và dung môi.
| Môi trường | Phương trình dạng chung | Đặc điểm | Sản phẩm |
|---|---|---|---|
| Acid loãng, đun nóng | RCOOR' + H2O ⇌ RCOOH + R'OH | Thuận nghịch, không hoàn toàn | Acid và alcohol |
| Base (dung dịch NaOH, KOH), đun nóng | RCOOR' + NaOH → RCOONa + R'OH | Một chiều, xảy ra hoàn toàn | Muối và alcohol |
Thuỷ phân trong môi trường base gọi là phản ứng xà phòng hoá. Phản ứng một chiều vì acid sinh ra bị base trung hoà ngay thành muối, sản phẩm bị lấy đi liên tục nên cân bằng không thể quay lại.
Trường hợp đặc biệt — ester của phenol. Với CH3COOC6H5, sản phẩm alcohol lẽ ra là phenol C6H5OH, nhưng phenol có tính acid yếu nên phản ứng tiếp với NaOH tạo sodium phenolate. Kết quả là thu được hai muối và nước, và tỉ lệ mol phản ứng là 1 ester ứng với 2 NaOH:
CH3COOC6H5 + 2NaOH → CH3COONa + C6H5ONa + H2O
Ester của alcohol được điều chế bằng phản ứng ester hoá: đun carboxylic acid với alcohol, xúc tác H2SO4 đặc.
RCOOH + R'OH ⇌ RCOOR' + H2O
Phản ứng thuận nghịch nên hiệu suất luôn nhỏ hơn 100%. Muốn tăng hiệu suất phải chuyển dịch cân bằng sang phải: dùng dư một chất rẻ tiền, chưng cất lấy ester ra khỏi hỗn hợp, hoặc dùng H2SO4 đặc vừa xúc tác vừa hút nước. Riêng ester của phenol không điều chế được theo cách này do phenol phản ứng rất kém với carboxylic acid; phải dùng anhydride acetic (CH3CO)2O.
Bước 1 — ghép công thức. Acetic acid là CH3COOH, ethanol là C2H5OH. Khi ester hoá, nhóm –OH của acid bị thay bằng nhóm –OC2H5 lấy từ alcohol, sản phẩm là CH3COOC2H5 và một phân tử nước.
Bước 2 — gọi tên. Tên ester đọc theo thứ tự ngược với thứ tự viết: trước hết gọi gốc alcohol C2H5– là "ethyl", sau đó gọi gốc acid CH3COO– là "acetate". Tên đầy đủ là ethyl acetate. Phân tử khối bằng 4·12 + 8·1 + 2·16 = 88.
Bước 3 — phản ứng với NaOH. Đây là phản ứng xà phòng hoá, một chiều và xảy ra hoàn toàn: CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH.
Lưu ý: sản phẩm là muối sodium acetate chứ không phải acetic acid, vì acid sinh ra bị NaOH trung hoà ngay. Nếu thuỷ phân trong H2SO4 loãng thì mới thu được acetic acid, và khi đó phản ứng là thuận nghịch nên không bao giờ hết ester.
Bước 1 — tính phân tử khối và số mol ester. Ethyl acetate CH3COOC2H5 có công thức phân tử C4H8O2, phân tử khối bằng 4·12 + 8·1 + 2·16 = 88. Số mol ester là 8,8 : 88 = 0,1 mol.
Bước 2 — viết phương trình và lập tỉ lệ. CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH. Ester đơn chức của alcohol nên tỉ lệ mol là 1 : 1 : 1 : 1. Vậy số mol muối CH3COONa cũng bằng 0,1 mol, và số mol NaOH cần dùng cũng là 0,1 mol.
Bước 3 — tính khối lượng muối. Phân tử khối của CH3COONa bằng 2·12 + 3·1 + 2·16 + 23 = 82. Khối lượng muối là 0,1 · 82 = 8,2 gam.
Bước 4 — kiểm tra bằng bảo toàn khối lượng: khối lượng ester cộng khối lượng NaOH là 8,8 + 0,1·40 = 12,8 gam; khối lượng muối cộng khối lượng ethanol là 8,2 + 0,1·46 = 8,2 + 4,6 = 12,8 gam. Hai vế bằng nhau nên kết quả đáng tin.
Bước 1 — nhận dạng. Gốc gắn với nguyên tử oxygen của nhóm ester ở đây là gốc phenyl C6H5–, tức đây là ester của phenol, không phải ester của alcohol. Đây là trường hợp đặc biệt duy nhất của bài mà tỉ lệ mol không còn là 1 : 1.
Bước 2 — phân tích hai giai đoạn. Giai đoạn một, ester bị thuỷ phân cho muối sodium acetate và phenol: CH3COOC6H5 + NaOH → CH3COONa + C6H5OH. Giai đoạn hai, phenol có tính acid yếu nên tiếp tục phản ứng với NaOH: C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O.
Bước 3 — gộp lại thành một phương trình: CH3COOC6H5 + 2NaOH → CH3COONa + C6H5ONa + H2O. Tỉ lệ mol ester : NaOH là 1 : 2, nên với 0,1 mol ester cần tối thiểu 0,2 mol NaOH.
Bước 4 — kết luận sản phẩm. Thu được hai muối là CH3COONa (0,1 mol) và C6H5ONa (0,1 mol), cùng 0,1 mol nước. Không thu được alcohol nào, cũng không còn phenol tự do nếu NaOH dùng đủ hoặc dư. Đây chính là dấu hiệu nhận biết ester của phenol trong đề thi: thuỷ phân cho hai muối và nước.