Karboksilik Asit ve Ester

Açılış sahnesi

Yedinci haftanın perşembesi, ikindiye doğru. Isparta'daki laboratuvarda koridorun kapısı açılınca içeriye olgun muz kokusu yayılıyor. Mete bir saattir geri soğutucunun altında kaynattığı balonu soğutmuş, içindekini ayırma hunisine boşaltmış. Balona öğle vakti izoamil alkol, derişik asetik asit ve birkaç damla sülfürik asit koymuştu. Şimdi huniye sodyum bikarbonat çözeltisi ekliyor, musluğu açıp gazı bırakıyor; her çalkalamada kabarcıklar biraz daha azalıyor.

Alttaki sulu tabakayı akıttıktan sonra üstte berrak, yağımsı bir sıvı kalıyor. Mete onu tartıyor ve defterindeki hesapla karşılaştırıyor. Kaşları çatılıyor: "Alkolün hepsini koydum, asidi de fazlasıyla koydum. Bir saat kaynadı. Neden hepsi estere dönmedi? Hem bikarbonat neyi götürdü, ester neden onunla gitmedi?" Nilüfer Hanım balonun dibinde kalan birkaç damlayı gösteriyor: "Balonda senin koymadığın bir madde daha var. Onu bulursan ilk sorunun cevabı çıkar. İkincisinin cevabını ikinci haftadan biliyorsun".

Bu derste ne olacak

Karboksil grubunun neden bir alkol hidroksilinden yüz milyarlarca kat kolay proton bıraktığını, geride kalan anyonun yapısından çıkaracağız. Vücut sıvılarındaki organik asitlerin neden "-at" ekiyle anıldığını denge oranıyla göstereceğiz. Sonra asit ile alkolün birleşip ester kurduğu tepkimeyi, suyun hangi atomlardan çıktığını ve dengenin nasıl itildiğini izleyeceğiz. Esterin su ile yeniden ayrılmasını, bazın bu ayrılmayı neden geri dönüşsüz kıldığını ve yağlardaki üç ester bağını hesapla okuyacağız.

Metin

Anyon nereye yaslanıyor

Fonksiyonel Gruplar dersinde karboksili haritaya yerleştirirken iki sayıyı yan yana koymuştuk: etanolün pKa'sı 15,9, asetik asidinki 4,76. Bu fark ölçekte on bir birimden biraz fazladır, ama pKa logaritmik bir ölçek olduğu için asıl büyüklük sabitlerde görünür. Asetik asidin Ka'sı 10^−4,76 ≈ 1,74 × 10⁻⁵, etanolün Ka'sı 10^−15,9 ≈ 1,26 × 10⁻¹⁶'dır. Oranları 1,74 × 10⁻⁵ ÷ 1,26 × 10⁻¹⁶ ≈ 1,4 × 10¹¹ eder. Aynı karşılaştırma OpenStax'ta da yer alır; fark orada on üzeri on bir kat diye yazılır.

Proton kopunca bağ elektronları oksijende kalır. Alkoksit iyonunda bu eksi yük tek bir oksijene sıkışmıştır. Karboksilatta ise yükü taşıyan oksijenin komşusu bir karbonil karbonudur ve π elektronları iki oksijen arasında kayabilir. Serbest Radikaller dersinde eşsiz bir elektronun komşu çift bağlara yayılmasına rezonans adını vermiş, sonra benzenin altı π elektronunu da aynı fikirle okumuştuk. Burada yayılan şey bir yüktür: karboksilatın iki çizimi arasında eksi yük bir oksijenden ötekine geçer ve gerçek iyon ikisinin ortalamasıdır.

Bunun ölçülebilir bir izi vardır. Karboksilik asitte C=O ile C–OH bağlarının uzunlukları belirgin biçimde farklıdır. Wikipedia'nın karboksilat maddesi ile OpenStax, karboksilat iyonunda iki karbon–oksijen bağının eşit ya da neredeyse eşit uzunluğa geldiğini ve çift bağ ile tek bağ arasında bir yerde durduğunu yazar. Yükü iki atoma paylaştıran anyon daha kararlıdır; kararlı bir eşlenik baz, protonunu kolay bırakan bir asit demektir. Mete'nin ikinci haftada bikarbonat tüpünde gördüğü kabarcıklar bu kararlılığın sonucuydu: benzoik asit, pKa'sı 4,20 olduğu için protonunu bikarbonata vermiş ve çözünmüştü.

Laktik asit ve laktat

Henderson–Hasselbalch denklemini pKa'sı 3,86 olan laktik asitle kullanmıştık. Aynı denklem pH 7,40'ta eşlenik bazın asitten kaç kat fazla olduğunu söyler: 10^(7,40 − 3,86) = 10^3,54 ≈ 3.467. Her 3.468 molekülden yalnız biri proton taşır ve protonlu pay 1 ÷ 3.468 ≈ 0,00029 olur. Kanda "laktik asit" diye bir molekül neredeyse dolaşmaz; dolaşan laktat iyonudur. Metabolizma kitaplarının piruvik asit yerine piruvat, asetoasetik asit yerine asetoasetat, sitrik asit yerine sitrat yazmasının nedeni bir üslup tercihi değil, bu dengedir. Wikipedia'nın karboksilat maddesi glikolizin ve sitrik asit döngüsünün büyük ölçüde karboksilatlar üzerinden yürüdüğünü yazar.

Ek, adlandırmada bir kural olarak da işler. Karboksilik asitten türeyen anyonun da esterin de adı İngilizcede "-ate", Türkçede "-at" ekini alır: asetik asitten asetat, stearik asitten stearat gelir, izoamil alkolle kurulan ester de izoamil asetat olur. Alkol, Aldehit ve Keton dersinde etanolün yolculuğunun asetatta bittiğini söylemiştik; o asetat, merdivenin tepesindeki asidin hücre pH'ındaki hâliydi.

Suyun çıktığı yer

Mete'nin balonunda iki molekül birleşti: izoamil alkol (3-metilbütan-1-ol) ile asetik asit. Ürün 3-metilbütil asetattır, halk arasındaki adıyla muz yağı. PubChem'e göre molar kütleler 88,15, 60,05 ve 130,18 gram/moldür. Hesap bir eksik olduğunu gösterir: 88,15 + 60,05 = 148,20 ediyor, ester ise 130,18. Aradaki 148,20 − 130,18 = 18,02, yani bir su molekülünün kütlesidir. Nilüfer Hanım'ın sözünü ettiği, Mete'nin koymadığı madde budur.

Emil Fischer ile Arthur Speier yöntemi 1895'te Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft'ın 28. cildinde "Darstellung der Ester" başlığıyla yayımladılar; künye Crossref kaydı ve Wikipedia'nın maddesiyle karşılaştırıldı. Tepkime iki molekülü birleştirirken küçük bir molekül ayırdığı için bir kondenzasyon (yoğuşma) tepkimesidir.

Suyun oksijeni kimden gelir? Kâğıt üzerinde iki seçenek var: asit protonunu bırakıp alkolün hidroksili ayrılabilir ya da asidin hidroksili gidip alkolün yalnız hidrojeni ayrılabilir. Irving Roberts ile Harold Urey 1938'de JACS'ta yayımlanan kısa bir makalede soruyu ağır oksijenle sınadılar. Oksijen-18 taşıyan metanolü benzoik asitle tepkimeye soktular. OpenStax'ın aktardığı sonuca göre işaretli oksijen esterde kalır, oluşan su işaretsizdir. Kopan bağ asidin C–OH bağıdır: alkolün oksijeni karbonil karbonuna saldırır, suyun oksijeni asitten gelir. Önceki derste karbonile yönelen saldırının adını nükleofilik katılma koymuştuk. Burada aynı başlangıcın ardından bir ayrılma gelir ve karbon yeniden çift bağlı oksijenine döner.

Mete'nin ilk sorusunun cevabı dengededir. OpenStax, Fischer esterleşmesinin bütün basamaklarının geri dönüşlü olduğunu ve denge sabitinin 1'e yakın durduğunu yazar. Denge Sabiti dersinde (L02-P06-M05-D05) Le Chatelier ilkesiyle bir girdiyi artırmanın ya da bir ürünü ortamdan çekmenin dengeyi nasıl ürün yanına ittiğini görmüştük. Wikipedia'nın maddesi aynı iki yolu sayar: tepkenlerden birini büyük fazlalıkta kullanmak ya da oluşan suyu damıtarak uzaklaştırmak. Mete asidi fazla koymuştu ama suyu balonda bırakmıştı. Su biriktikçe ters tepkime hızlandı ve verim bir yerde durdu.

Ayırma hunisindeki ikinci soru da çözülür. Bikarbonat, tepkimeye girmemiş asetik asidin protonunu alır ve onu suda iyi çözünen asetata çevirir; karbon dioksit kabarcık olarak çıkar. Esterin ise verecek bir asidik protonu yoktur. Fonksiyonel Gruplar dersinin haritasında ester "yalnız alıcı" ve yüksüz bir grup olarak durmuştu; bu yüzden organik tabakada kalır.

Hidroliz ve sabun

Denge iki yönlüdür. Esterin üzerine bol su ve asit katalizörü konursa tepkime geri yürür ve ester yeniden asit ile alkole ayrılır.

Baz hidrolizinin neden sonuna kadar gittiği, dersin ilk kısmına dayanır. Hidroksit karbonil karbonuna saldırır ve alkoksit ayrılır. Geride bir karboksilik asit ile güçlü bir baz yan yana kalır; alkoksit asidin protonunu hemen alır. Wikipedia'nın sabunlaşma maddesi ile OpenStax aynı gerekçeyi verir: oluşan karboksilat anyonu bir alkolün saldırısına açık değildir, çünkü rezonansla dengelenmiş yükü karbonil karbonunun artı ucunu zayıflatır. Asit katalizli hidroliz bir dengede dururken bazik hidroliz karboksilatta kilitlenir.

Adı Latince sapo, yani sabun kelimesinden gelir. Hayvansal ya da bitkisel yağ sodyum hidroksitle kaynatıldığında yağın ester bağları kopar ve uzun zincirli karboksilat tuzları oluşur. Hidrofobik Etki başlıklı derste (L02-P06-M02-D06) amfipatik moleküllerin suda kuyrukları içe, başları dışa dönük miseller kurduğunu görmüştük. Sodyum stearat tam böyle bir moleküldür: on yedi karbonluk apolar kuyruğun ucunda eksi yüklü bir karboksilat başı vardır. Sabunun kiri çözmesi, sabunlaşmanın ürettiği bu başın işidir.

Üç ester bağı taşıyan molekül

Tristearinde üç zincirin üçü de stearik asittir. PubChem gliserolü 92,09, stearik asidi 284,5 gram/mol verir; Wikipedia'nın stearik asit maddesindeki değer 284,48'dir. Üç esterleşme üç su molekülü ayırır: 92,09 + 3 × 284,48 − 3 × 18,02 = 891,5. PubChem tristearini 891,5, Wikipedia'nın stearin maddesi 891,50 gram/mol verir; hesap iki kaynakla da tutar.

Stearik asidin düz zincirinin, cis bükülmesi taşıyan oleik asitten daha yüksek sıcaklıkta erimesini dağılma kuvvetleriyle açıklamıştık. Triolein, üç oleik asit zinciri taşıyan trigliserittir ve PubChem'de 885,4 gram/mol görünür. Fark 891,5 − 885,4 = 6,1'dir. Bu sayı altı hidrojen atomuna, 6 × 1,008 ≈ 6,05'e karşılık gelir: her zincirdeki tek çift bağ iki hidrojen eksiltir ve üç zincir altı eder.

Sabunlaşmanın mol hesabı da ester bağlarını sayar. Wikipedia'nın stearin ve sabunlaşma maddeleri tepkimeyi aynı biçimde yazar: bir mol tristearin üç mol sodyum hidroksitle gliserol ve üç mol sodyum stearata dönüşür. PubChem sodyum hidroksidi 39,997 gram/mol verir; bir mol tristearin için 3 × 40,00 = 120,0 gram baz gerekir. Tersten okununca bir mol bazın karşıladığı yağ 891,5 ÷ 3 ≈ 297,2 gram tristearindir. Molar kütlesi küçük olan bir trigliserit aynı kütlede daha çok ester bağı taşır ve daha fazla baz tüketir.

Hücredeki esterler

Aynı bağ vücutta başka kılıklarla karşımıza çıkar. Fonksiyonel Gruplar dersinde fosfatın bir alkole ester bağıyla takılabildiğini, pKa dersinde de fosforik asidin protonlarını basamak basamak verdiğini görmüştük. Hücre zarının fosfolipitlerinde gliserolün iki hidroksili yağ asitleriyle karboksilik ester kurar; üçüncü hidroksil ise bir fosfata bağlanır ve o fosfat öteki ucundan kolin gibi bir alkole ikinci kez bağlanır. Böyle iki ester bağı taşıyan fosfata fosfodiester denir.

Asetilkolin, kolinin asetik asitle kurduğu esterdir; PubChem'deki adı 2-asetiloksietil(trimetil)azanyumdur. Wikipedia'nın asetilkolinesteraz maddesine göre bu enzim molekülü suyla kolin ve asetata ayırır, yani bir ester hidrolizi yürütür. Trigliseritlerin ester bağlarını ise lipazlar hidroliz eder. Enzimlerin Katalitik Rolü dersinde enzimin bir tepkimenin dengesini değil hızını değiştirdiğini görmüştük. Hücrede hidrolize dengeyi kaydıran şey bol sudur; enzim yalnız yolu kısaltır.

Hunide kalan tabaka

Mete ester tabakasını küçük bir şişeye aktarıyor, etiketine "3-metilbütil asetat" yazıyor. Defterindeki denklemin sağ yanına, oka yakın bir yere, daha önce yazmadığı "+ H₂O" ekini sıkıştırıyor. Altına iki satır ekliyor: "suyu çek → sağa", "bikarbonat asidi aldı, esterin verecek protonu yok".

Nilüfer Hanım şişeyi alıp kokluyor, sonra rafın alt gözündeki sodyum hidroksit kavanozunu gösteriyor: "Bu esteri ona koysaydın muz kokusu nereye giderdi?" Mete bir süre düşünüyor ve denklemin altına ters yönde bir ok çiziyor. Okun ucuna "asetat + izoamil alkol" yazıyor, yanına küçük harflerle "geri dönmez" notunu düşüyor.

Kendini sına

1. Propanoik asidin pKa'sı 4,88'dir. pH 7,40'ta propanoatın propanoik aside oranını ve protonlu payı hesapla.
2. Etanol ile asetik asitten etil asetat oluşurken ayrılan suyun kütlesini molar kütlelerden göster. İşaretli oksijen etanoldeyse hangi üründe bulunur?
3. Fischer esterleşmesinde verimi artırmanın iki yolunu Le Chatelier ilkesiyle açıkla. Neden katalizör tek başına verimi artırmaz?
4. Bir mol triolein kaç mol sodyum hidroksitle sabunlaşır? Tristearine göre aynı kütledeki triolein neden biraz daha çok baz ister?
5. Ester hidrolizi asitli ortamda bir dengede dururken bazik ortamda neden sonuna kadar gider?

Bir sonraki derse köprü

Karboksilik asidin hidroksili bu derste bir alkolün oksijeniyle yer değiştirdi ve ester doğdu. Amin ve Amid dersinde aynı yeri bir azot alacak. Aminin azotu proton alan bir baz gibi davranırken, karbonile bağlanınca o azot neden bazlığını yitiriyor? Bir amino asidin karboksili ile ötekinin amino grubu arasında kurulan amid bağı, yani peptit bağı, suya esterden neden çok daha dayanıklı?