酸催化羧酸与醇酯化反应的计算化学研究

doi:10.12461/PKU.DXHX202405072

大学化学 >> 2025, Vol. 40 >> Issue (3): 92-99.doi: 10.12461/PKU.DXHX202405072

所属专题：理论与计算化学在化学及其交叉学科教学中的应用

酸催化羧酸与醇酯化反应的计算化学研究

冯爱利¹, 陆鑫¹, 刘鹏², 张冬菊¹

1 山东大学化学与化工学院, 济南 250100;
2 曲阜师范大学化学与化工学院, 山东曲阜 273165

收稿日期:2024-05-07 录用日期:2024-09-27 发布日期:2025-03-19
通讯作者: 刘鹏, 张冬菊 E-mail:liupeng@qfnu.edu.cn;zhangdj@sdu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22273051)；山东省高等教育本科教学改革研究项目(Z2022024,Z2022169)；山东大学教育教学改革研究项目(2024Z07,2023Y061,2023Y102)；济南市科技局“新高校20条”项目

Computational Chemistry Study of Acid-Catalyzed Esterification Reactions between Carboxylic Acids and Alcohols

Aili Feng¹, Xin Lu¹, Peng Liu², Dongju Zhang¹

1 School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China;
2 School of Chemistry and Chemical Engineering, Qufu Normal University, Qufu 273165, Shandong Province, China

Received:2024-05-07 Accepted:2024-09-27 Published:2025-03-19
Contact: Peng Liu, Dongju Zhang E-mail:liupeng@qfnu.edu.cn;zhangdj@sdu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要： 酯化反应是一类重要的化学反应类型，通常指醇与羧酸在酸催化下脱水生成酯的反应。本文以几个典型的酯化反应为例，通过量子化学计算，在分子层次上深入探讨了加成-消除、碳正离子和酰基正离子等三种常见的酯化反应机理，分析了反应的热力学和动力学性质。计算结果为理解有机化学教材中关于酯化反应的定性描述，如“酯化反应机理与羧酸和醇的类型有关”“酯化反应中酸脱羟基醇脱氢”“酯化反应速度较慢且为可逆反应”等，提供了直观物理图像和定量支持，有助于学生更深入全面地理解酯化反应。本文可作为引导本科生学习计算化学的教学案例，突出计算化学在解析物质结构与性能关系方面的重要作用。

关键词: 酯化反应, 羧酸, 醇, 反应机理, 量子化学计算

Abstract: Esterification reactions are an important class of chemical reactions, typically involving the reaction between alcohols and carboxylic acids under acid catalysis to form esters via dehydration. This paper uses several typical esterification reactions as examples and explore three common esterification mechanisms at the molecular level: addition-elimination, carbocation, and acyl cation mechanisms. Both the thermodynamic and kinetic properties of the reactions are examined. The calculated results provide intuitive physical images and quantitative support for understanding qualitative descriptions of esterification reactions found in organic chemistry textbooks, such as “The mechanism of esterification reaction depends on the types of carboxylic acids and alcohols”, “The acid eliminates the hydroxyl group, and the alcohol loses a hydrogen atom in esterification reaction”, and “Esterification reactions are slow and reversible”. These findings offer students a deeper, more comprehensive understanding of esterification reactions. This paper can serve as a teaching case to guide undergraduates in learning computational chemistry, emphasizing the important role of computational chemistry in elucidating the relationship between molecular structures and properties.

Key words: Esterification reaction, Carboxylic acid, Alcohol, Reaction mechanism, Quantum chemical calculations

冯爱利, 陆鑫, 刘鹏, 张冬菊. 酸催化羧酸与醇酯化反应的计算化学研究[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 92-99.

Aili Feng, Xin Lu, Peng Liu, Dongju Zhang. Computational Chemistry Study of Acid-Catalyzed Esterification Reactions between Carboxylic Acids and Alcohols[J]. University Chemistry, 2025, 40(3): 92-99.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.12461/PKU.DXHX202405072

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2025/V40/I3/92

参考文献

[1] Khan, Z.; Javed, F.; Shamair, Z.; Hafeez, A.; Fazal, T.; Aslam, A.; Zimmerman, W. B.; Rehman, F. J. Ind. Eng. Chem. 2021, 103, 80.
[2] Pereira, C. S. M.; Silva, V. M. T. M.; Rodrigues, A. E. Green Chem. 2011, 13, 2658.
[3] Tang, X.; Chen, E. Y.-X. Chem 2019, 5, 284.
[4] Steele, J. H.; Bozor, M. X.; Boyce, G. R. J. Chem. Educ. 2020, 97, 4127.
[5] Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry Part B: Reactions and Synthesis, 5th ed.; Springer: New York, NY, USA, 2007; pp. 252–254.
[6] 邢其毅, 裴伟伟, 徐瑞秋, 裴坚. 基础有机化学(上册). 第4版. 北京: 北京大学出版社, 2016: 530–531.
[7] Lόpez, D. E.; Suwannakarn, K.; Goodwin, J. G.; Bruce, D. A. Ind. Eng. Chem. Res. 2008, 47, 2221.
[8] Evans, D. P.; Morgan, V. G.; Watson, H. B. J. Chem. Soc. 1935, 1167.
[9] 郭志强, 王红轩, 黄素兰. 化学教学, 2023, 45 (9), 93.
[10] Newman, M. S. J. Am. Chem. Soc. 1941, 63, 2431.
[11] Davies, A. G.; Kenyon, J. Q. Rev., Chem. Soc. 1955, 9, 203.
[12] Bender, M. L. Chem. Rev. 1960, 60, 53.
[13] Jencks, W. P.; Carriuolo, J. J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, 1743.
[14] Johnson, S. L. Adv. Phys. Org. Chem. 1967, 5, 237.
[15] McClelland, R. A. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 7579.
[16] Stefanidis, D.; Jencks, W. P. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 6045.
[17] Dennington, R. D.; Keith, T. A.; Millam, J. M. GaussView, Revision 6.0.12; Semichem Inc.: Shawnee Mission, KS, USA, 2016.
[18] Frisch M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G.E.; Robb, M.A.; Cheeseman, J.R.; Scalmani, G.; Baronr, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al. Gaussian16, Revision A. 03; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, USA, 2016.
[19] Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215.
[20] Weigend, F.; Furche, F.; Ahlrichs, R. J. Chem. Phys. 2003, 119, 12753.
[21] Marenich, A. V.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6378.
[22] Portela, S.; Fernández, I. J. Org. Chem. 2022, 87, 9307.
[23] Schlegel, H. B. J. Comp. Chem. 1982, 3, 214.
[24] Fukui, K. Acc. Chem. Res. 1981, 14, 363.
[25] Glendening, E. D.; Reed, A. E.; Carpenter, J. E.; Weinhold, F. QCPE Bull. 1990, 10, 58.
[26] 李吉海, 刘金庭. 基础化学实验(Ⅱ)——有机化学实验. 第2版. 北京: 化学工业出版社, 2007: 134–135.
[27] Santaella, M. A.; Orjuela, A.; Narváez, P. C. Chem. Eng. Process. 2015, 96, 1.
[28] 聂小娃, 杨文超, 郭新. 大学化学, 2023, 38 (9), 179.
[29] Puterbaugh, W. H.; Vanselow, C. H.; Nelson, K.; Shrawder, E. J. J. Chem. Educ. 1963, 40, 349.
[30] Mohammed Jawad, A. R.; Hummadi, F. A. J. Eng. 2014, 20, 71.

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Computational Chemistry Study of Acid-Catalyzed Esterification Reactions between Carboxylic Acids and Alcohols

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[2]	柴智, 黄华山, 施旭楷, 兰羽静, 袁振韬, 晏宏. Wittig反应的立体选择性[J]. 大学化学, 2025, 40(8): 192 -201 .
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[6]	陈蓝苍鸿, 余行泰, 赵天磊, 姚奇志. 碘量法测铜实验中“异常现象”的探究[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 315 -320 .
[7]	胡廷辉, 龙俊文, 龙毅, 刘煊赫. 塑料幻灭记[J]. 大学化学, 2025, 40(7): 249 -254 .
[8]	平媛媛, 孔望清. 光催化碳氢键官能团化合成1-苯基-1,2-乙二醇[J]. 大学化学, 2025, 40(6): 238 -247 .
[9]	高利龙, 翟禹豪, 张冬冬, 黄林军, 隋坤艳. 巯基-烯烃点击聚合在高分子化学实验教学中的探索[J]. 大学化学, 2025, 40(4): 87 -93 .
[10]	邢国文, 刘广建, 常乐. 大学有机化学教学中羰基氧鎓的五类反应[J]. 大学化学, 2025, 40(4): 282 -290 .
[11]	李佳杰, 马骁聪, 郑菊芳, 万强, 周小顺, 王亚浩. 电催化有机反应机理的原位拉曼光谱研究进展[J]. 大学化学, 2025, 40(4): 261 -276 .
[12]	林子涵, 林婉真, 陈发杰. 天然多肽的电化学修饰[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 318 -327 .
[13]	赵素品, 谢静. 应用量化计算理解水分子的振动斯塔克效应[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 178 -185 .
[14]	徐慧影, 梁铭慧, 周志, 高辉, 易伟. 量子化学计算和可视化分析在弱相互作用的教学中的应用[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 199 -205 .
[15]	黄嘉博, 黎权鑫, 曹中艳, 党丽, 倪绍飞. 基于量子化学计算阐明基础化学课程中的Beckmann重排反应机制[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 153 -159 .