What are Esters?

KEY POINTS

• Esters are a functional group commonly encountered in organic chemistry. They are characterized by a carbon bound to three other atoms: a single bond to a carbon, a double bond to an oxygen, and a single bond to an oxygen. The singly bound oxygen is bound to another carbon.

• Ester names are derived from the parent alcohol and the parent acid. While simple esters are often called by their common names, all esters can be named using the systematic IUPAC name, based on the name for the acid followed by the suffix "-oate."

Cont.

• The odors of flowers and the odors and flavors of fresh fruits are a result of a complex mixture of many chemical compounds, but one of the major constituents is a type of compound called an ester. 

Nomenclature

The word "ester" was coined in 1848 by German chemist Leopold Gmelin, probably as a contraction of the German Essigäther, meaning acetic ether.Ester names are derived from the parent alcohol and acid. 

In the case of esters formed from common carboxylic acids,  more  colloquial  terms  are  sometimes  used.  For example,  ethanoic  acid  is  more  commonly  known  as  acetic acid,  and  thus  its  esters  contain  "acetate"  instead  of "ethanoate" in their names. Other such substitutions include "formate"  instead of "methanoate," "propionate"  instead of "propanoate,"  and  "butyrate"  instead  of  "butanoate."

Properties of Esters*Polar-Less than alcohols, carboxylic acids-Soluble in water*Smell Fruity*Can form Polymers

Esters are more polar than ethers, but less so than alcohols. They participate inhydrogen bonds as hydrogen bond acceptors, but cannot act as hydrogen bond donors, unlike their parent alcohols and carboxylic acids. This ability to participate in hydrogen bonding confers some water-solubility, depending on the length of the alkyl chains attached. Since they have no hydrogens bonded to oxygens, as alcohols and carboxylic acids do, esters do not self-associate. Consequently, esters are more volatile than carboxylic acids of similar molecular weight.

Condensed Structural Formula

Name Melting Point (°C)

Boiling Point (°C)

Aroma

HCOOCH3 methyl formate −99 32

HCOOCH2CH3 ethyl formate −80 54 rum

CH3COOCH3 methyl acetate −98 57

CH3COOCH2CH3 ethyl acetate −84 77

CH3CH2CH2COOCH3 methyl butyrate −85 102 apple

CH3CH2CH2COOCH2CH3 ethyl butyrate −101 121 pineapple

CH3COO(CH2)4CH3 pentyl acetate −71 148 pear

CH3COOCH2C6H5isopentyl acetate −79 142 banana

CH3CH2CH2COO(CH2)4CH3 benzyl acetate −51 215 jasmine

CH3CH2CH2COOCH4CH3 pentyl  −73 185 apricot

Preparation of Esters

The most common way to make simple esters is by Fischer Esterification, named after the German chemist Emil Fischer, who won the Nobel Prize in Chemistry in 1902. Fischer esterification involves mixing a carboxylic acid and an alcohol with a small amount of acid. This mixture is generally refluxed for a brief time to drive the reaction to completion. This is the process you will be using today.

Esterification is the chemical process for making esters, which are compounds of the chemical structure R-COOR', where R and R' are either alkyl or aryl groups. The most common method for preparing esters is to heat a carboxylic acid, R-CO-OH, with an alcohol, R'-OH, while removing the water that is formed. A mineral acid catalyst is usually needed to make the reaction occur at a useful rate.

Esters are produced when carboxylic acids are heated with alcohols in the presence of an acid catalyst. The catalyst is usually concentrated sulphuric acid. Dry hydrogen chloride gas is used in some cases, but these tend to involve aromatic esters (ones where the carboxylic acid contains a benzene ring).

Making esters from carboxylic acids

Saponification

This is the process by which an ester is hydrolyzed in the presence of a base. The products of this reaction are the alcohol and the salt of the carboxylic acid used to create the ester. An example of this reaction is presented below: 

Making an ester – Higher tier

You can make a variety of esters by reacting different carboxylic acids with different alcohols.

ethanol + ethanoic acid → ethyl ethanoate + water

methanol + butanoic acid → methyl butanoate + water

A catalyst is needed to speed up the reaction. Concentrated sulfuric acid is often used.

Introduction to Esters’ Reactions• Esters can be converted into other esters (transesterification), 

the parent carboxylic acid (hydrolysis) or amides  (see above).– Transesterification : heat with alcohol and acid catalyst– Hydrolysis : heat with aq. acid or base (e.g. aq. H2SO4 or aq. 

NaOH) (see hydrolysis of esters for more details)– Amide preparation :  heat with the amine, methyl  or ethyl 

esters are the most reactiveHydrolysis of Esters

Naming EstersSystematic names of esters are based on the name of 

the corresponding carboxylic acid. Remember esters look like this:

The alkyl group is named like a substituent using the -yl ending. This is followed by a space. The acyl portion of the name (what is left over) is named by replacing the -ic acid suffix of the corresponding carboxylic acid with -ate.

* Look for the organic acid and alcohol used during the esterification reaction.

Example:

1-methylethyl propanoate

1. methyl hexanoate2. propyl pentanoate

Benzyl and Phenyl

Benzyl - can be seen as a phenyl attached to a CH2 before attaching to the parent compound.

Phenyl - the phenyl group or phenyl ring (often abbreviated as -Ph) is the functional group with the formula C6H5 

- This functional group differs from the benzyl functional group in that benzyls have an extra CH2.

Right or Wrong??

1.

3.

2.

Cyclic Esters

A cyclic ester is called a lactone. IUPAC names of lactones are derived by adding the term lactone at the end of the name of the parent hydroxycarboxylic acid it came from. 

Lactones

Lactones are usually named according to the precursor acid molecule (aceto = 2 carbons, propio = 3, butyro = 4, valero = 5, capro = 6, etc.), with a -lactone suffix and a Greek letter prefix that specifies the number of carbons in the heterocyle — that is, the distance between the relevant -OH and the -COOH groups along said backbone. The first carbon atom after the carbon in the -COOH group on the parent compound is labelled α, the second will be labeled β, and so forth. Therefore, the prefixes also indicate the size of the lactone ring: α-lactone = 3-membered ring, β-lactone = 4-membered, γ-lactone = 5-membered, etc.

The other suffix used to denote a lactone is -olide, used in substance class names like butenolide, macrolide, cardenolide or bufadienolide

Caprolactone

Butyrolactone

Propiolactone

Uses and Examples of EstersThere are various uses of esters.

1. Esters that are have fragrant odors are used as a constituent of perfumes, essential oils, food flavorings, cosmetics, etc

2. Esters are used as an organic solvent3. Natural esters are found in pheromones4. Naturally occurring fats and oils are fatty acid esters of glycerol5. Phospoesters form the backbone of DNA molecules6. Nitrate esters, such as nitroglycerin, are known for their explosive 

properties7. Polyesters are used to make plastics8. Esters are used to make surfactants

 E.g. soap, detergents