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授業実践記録(化学)

エステルの合成・分解とヨードホルム反応

桐蔭学園中等教育学校 若松 宏文

1.はじめに

脂肪酸とアルコールから,酸を触媒としてエステルが生成される。この中にはフルーツの香りを有するものが多くある。今回はこの身近な香料の成分であるエステルを簡単に合成させる。さらに,合成したエステルをけん化して,脂肪酸のナトリウム塩とアルコールに分解する反応も確認する。いずれの反応においても,においと液相から確認できるので,生徒に好評の実験である。また,特定の構造をもつ物質に対して反応するヨードホルム反応についても,酢酸とエタノールが陽性か陰性か確認する。

2.実験の方法

[必要な器具]

300mLビーカー,試験管,ガラス管付きゴム栓,温度計,試験管ばさみ,駒込ピペット,保護メガネ,三脚,セラミック付金網,マッチ

実験1 酢酸エチルの合成

〔準備〕 エタノール,酢酸,濃硫酸
〔方法〕
  • (1)300mLビーカーに水(お湯を用意してある)を入れ,80℃くらいにする。
  • (2)酢酸2mLとエタノール2mLを試験管にとり,これに濃硫酸を0.5mL加えて良く振り混ぜる。
  • (3)(2)の試験管にガラス管付きゴム栓をして,図のように300mLビーカーに入れ,時々試験管を振り混ぜながら6分間加熱する。これを2つの試験管を使って同時に行う。(写真では1つのみ)
    実験2実験3でそれぞれ使うため。
  写真1 湯浴中で加熱
(直火で行わない)
 
  • (4)ガラス管付きゴム栓を外して,純水を5mL加える。
    このとき,油状の層ができる。これが合成したエステルである。
  • (5)においを確認し,上澄み液(エステルが存在)を,駒込ピペットを使って別の試験管に1mLずつとっておく(実験2実験3で使うため)。残りは廃液に捨てる。
  写真2 純水を入れると2層に分かれる
〔考察〕 (4)のにおいと状態について
  • ★においは「果実臭(接着剤・パイナップルのようなにおい)」がする。
  • ★液相の状態は2層に分かれ,上澄み液が酢酸エチル主成分の液体。
  • ★上層は2mL弱できる。

実験2 酢酸エチルの加水分解(けん化)

〔準備〕 実験1で合成した酢酸エチル,5mol/L水酸化ナトリウム水溶液,6mol/L硫酸
〔方法〕
  • (1)実験1で合成した酢酸エチル1mLの入った試験管に5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を5mL加える。ここで2層に分かれるはず。
  • (2)実験1同様,80℃のお湯に入れて,時々試験管を振り混ぜながら,5分間加熱する。
  • (3)試験管を取り出して,時々よく振り混ぜながら2分間冷却し,においを確認する。この段階で油層はほぼ消える。
    ※ここで,油層がほぼ消えるまでよく降り混ぜるようにする。
  • (4)6mol/Lの硫酸を5mL加え,よく振り混ぜて静置し,さらに2分後,再びにおいを確認する。
〔考察〕 (3)と(4)のにおいについて
  • ★(3)のにおいはほとんど無臭だが,エタノールのにおいが若干する。
  • ★油層が消えた段階で酢酸エチルはけん化され,酢酸ナトリウムとエタノールに分解されている。
  • ★(4)のにおいは刺激臭がする。酢酸が生成したことがわかる。

実験3 ヨードホルム反応の実験

〔準備〕 エタノール,酢酸,実験1で合成した酢酸エチル
ヨウ素ヨウ化カリウム水溶液,5mol/L水酸化ナトリウム水溶液
〔方法〕
  • (1)ヨウ素ヨウ化カリウム水溶液(KI 1g,I 0.4gに水5mLを加えたもの)を3本用意する。
  • (2)エタノール,酢酸,合成した酢酸エチルの各溶液を1mLずつ,(1)の試験管に入れる。
  • (3)それぞれの試験管を80℃のお湯の中に入れて3分ほど温める。
  • (4)試験管を取り出し,それぞれに水酸化ナトリウム水溶液をヨウ素の色が消えるまで1滴ずつ加える(変化しないものもある)。
〔考察〕 (4)のときのエタノール,酢酸,酢酸エチルの試験管内の変化について
  • ★(1)~(3)までの過程では変化が見られないが,(4)で水酸化ナトリウム水溶液を1滴ずつ加えていくと,エタノールが反応してくる。
  • ★エタノールは黄色沈殿が生成。ヨードホルムのにおいがする。
  • ★酢酸は反応せず。
  • ★酢酸エチルは本来反応しないはずだが,ヨードホルム反応は鋭敏な反応のため,合成した酢酸エチルの液体中(油層側)に含まれるエタノールにも反応を示し,黄色沈殿ができる。
 
写真3 ヨードホルム反応の様子
左:酢酸 右:エタノール(合成した酢酸エチルも同様の反応を示す)

3.指導上の留意点

  • ★すべての実験は50分もあれば終わるが,ヨウ素ヨウ化カリウム水溶液はあらかじめ作っておくと良い。なお,溶液を作るときに指につくと黄色くなり取れにくくなるので注意が必要。
  • ★温度は多少高くても問題ない。高くなり過ぎないように注意する。
  • ★喚起に注意する必要がある。
  • ★エタノールなどの可燃性のもの,強塩基,強酸の取り扱いにも注意が必要である。
  • ★実験の一通りの反応については,先に学習してから行っており,実験を行うことで理解を深めている。

4.生徒の様子,感想など

  • ○エステルの合成,分解反応は,液相の様子や,においからわかることと,失敗もほとんどないので,全班楽しめたように思う。
  • ○ヨードホルム反応は,エタノールの反応が鋭敏で,水酸化ナトリウム水溶液を1滴ずつ垂らすたびに黄色に着色されるのでわかりやすいが,ヨードホルムのにおいはわかりにくいように感じる。
  • ○一部のクラスでは,酢酸と1-ペンタノールでエステルを合成する実験も行った(酢酸エチルを合成する実験とほぼ同じ方法)。こちらの方が香りも良く,生徒には好評であった。
  • ○盛りだくさんの内容であり,エステルの合成と分解だけでも良いかもしれない。

5.参考文献

○原色図解 理科実験大事典 化学編 (全教図)

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