§ 8. Сложные эфиры

Определения и обозначения

Сложный эфир — органическое соединение, в котором углеводородный радикал связан с остатком карбоновой кислоты через фрагмент –COO–. Общая формула сложных эфиров — R–COO–R′, где R–COO– соответствует кислотной части, а R′ — углеводородному остатку спирта. Такая запись помогает увидеть, из каких частей построена молекула и какие вещества могли вступить в реакцию.

Функциональная группа сложных эфиров — фрагмент –COO–, который определяет принадлежность соединения к этому классу. Функциональная группа — характерная часть молекулы, от которой зависят её химические превращения. Умение находить –COO– нужно, чтобы отличать эфиры от других органических веществ.

Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом, при которой образуются сложный эфир и вода. Например, кислота и спирт соединяются с образованием нового вещества, но при подходящих условиях эфир может снова реагировать с водой. Понятие нужно, чтобы понимать способ получения эфиров и их связь с кислотами и спиртами.

Номенклатура сложных эфиров — правила составления их названий по кислотному и спиртовому остаткам. Сначала называют часть, связанную с кислородом и происходящую от спирта, затем указывают кислотную часть, например этилэтаноат. Такая схема позволяет по названию восстановить состав эфира и определить исходные вещества.

Как это устроено

В молекуле R–COO–R′ кислотная часть содержит карбонильный углерод — атом углерода, соединённый двойной связью с кислородом. Именно этот углерод входит в остаток кислоты, поэтому фрагмент R–COO– нельзя ошибочно отнести целиком к спирту. Остаток R′ связан с кислородом и образуется из спирта после удаления водорода у его группы –OH. Такое разделение показывает, как из двух исходных молекул складывается одна молекула эфира.

При этерификации гидроксильная группа кислоты теряет –OH, а спирт — атом водорода своей группы –OH. Эти части соединяются в молекулу воды, а оставшиеся части исходных веществ связываются через кислород и карбонильный углерод. Поэтому уравнение реакции содержит воду среди продуктов: R–COOH + R′–OH ⇄ R–COO–R′ + H₂O. Двойная стрелка показывает, что превращение может идти в обе стороны.

Чтобы составить формулу эфира, нужно сохранить кислотный фрагмент R–COO– и присоединить к его кислороду остаток спирта R′. Например, этановая кислота CH₃COOH и этанол CH₃CH₂OH дают CH₃COOCH₂CH₃ и воду. В названии сначала указывают спиртовой остаток — этил, затем кислотную часть — этаноат: этилэтаноат. Если известна формула эфира, её можно разобрать в обратном порядке и определить исходные кислоту и спирт.

У низших сложных эфиров небольшие молекулы, поэтому им сравнительно легко переходить в газообразное состояние; это называют летучестью. Многие из них обладают характерными запахами, так как их молекулы попадают в воздух и достигают обонятельных рецепторов. Группа –COO– может взаимодействовать с водой, но углеводородные остатки плохо смешиваются с ней. Поэтому растворимость низших эфиров ограничена и уменьшается при увеличении углеводородной части молекулы.

При гидролизе вода расщепляет связь в группе –COO–, и эфир превращается обратно в кислоту и спирт. Это обратная по отношению к этерификации реакция, поэтому её продукты соответствуют веществам, из которых эфир был получен. Если гидролиз проводить в щелочной среде, кислота сразу взаимодействует со щёлочью и образует соль. В результате органическими продуктами становятся соль карбоновой кислоты и спирт.

Сложные эфиры: строение, получение и свойства

В таблице собраны признаки, которые помогают распознавать эфиры и предсказывать их превращения. При решении задачи сначала определите группу –COO– и разделите формулу на кислотную и спиртовую части, а затем выберите подходящую строку о реакции. Так проще не перепутать продукты гидролиза водой и щелочью.

Разбор задач

Задача 1. Запишите общую формулу сложного эфира и укажите функциональную группу в формуле CH₃COOCH₃. Нужно сопоставить данную формулу с общим видом R–COO–R′. Это позволит установить и класс вещества, и границы его функциональной группы.

1. Записываем общий вид сложного эфира: R–COO–R′. Буквы R и R′ обозначают углеводородные остатки.
2. В CH₃COOCH₃ выделяем фрагмент –COO–. Слева от него находится CH₃–, а справа — CH₃–.

Ответ: общая формула — R–COO–R′, функциональная группа в CH₃COOCH₃ — –COO–.

Задача 2. Составьте уравнение реакции этерификации уксусной кислоты этанолом и назовите образующийся эфир. Сначала записываем формулы исходных веществ: CH₃COOH и CH₃CH₂OH. Затем учитываем, что при соединении кислоты и спирта образуются эфир и вода.

1. Кислотный остаток уксусной кислоты — CH₃COO–, спиртовой остаток этанола — –CH₂CH₃. Соединяем их через кислород, получаем CH₃COOCH₂CH₃.
2. Добавляем H₂O и обозначаем обратимость реакции двойной стрелкой: CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇄ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O. Проверяем баланс: атомы углерода, водорода и кислорода по обе стороны равны.
3. Спиртовой остаток называется этил, а остаток уксусной кислоты — ацетат; название продукта — этилацетат, или этилэтаноат.

Ответ: CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇄ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O; образуется этилацетат (этилэтаноат).

Задача 3. Запишите уравнение щелочного гидролиза этилпропаноата и назовите органические продукты. Формула эфира — CH₃CH₂COOCH₂CH₃: пропаноатная часть связана с остатком этанола. При щелочном гидролизе кислотная часть переходит в соль, поэтому продуктом будет не пропановая кислота.

1. Расщепляем эфир водой в присутствии щёлочи: кислотная часть образует соль, спиртовая — этанол.
2. Для гидроксида натрия уравнение имеет вид CH₃CH₂COOCH₂CH₃ + NaOH → CH₃CH₂COONa + CH₃CH₂OH. Проверяем, что число атомов каждого элемента и заряд сбалансированы.
3. CH₃CH₂COONa — пропаноат натрия, соль пропановой кислоты; CH₃CH₂OH — этанол. Следовательно, оба органических продукта — пропаноат натрия и этанол.

Ответ: CH₃CH₂COOCH₂CH₃ + NaOH → CH₃CH₂COONa + CH₃CH₂OH; продукты — пропаноат натрия и этанол.

Типичные ошибки

Путаница сложного эфира с простым возникает из-за того, что в названиях обоих классов есть слово «эфир». У простого эфира кислород соединяет два углеводородных остатка, например R–O–R′, а у сложного есть фрагмент –COO–. Проверяйте, присутствует ли рядом с кислородом карбонильный углерод: если нет, формула не соответствует сложному эфиру.

Иногда кислотный остаток ошибочно принимают только за углеводородную цепь, не включая карбонильный углерод. Так бывает, когда формулу читают по частям, не сопоставляя её с исходной кислотой. Найдите в эфире участок R–COO– и убедитесь, что углерод C входит именно в него; остаток спирта находится по другую сторону кислорода.

Этерификацию порой записывают как необратимую реакцию или забывают указать воду. Причина ошибки — внимание только к основному органическому продукту. Сверьте уравнение с исходными группами –OH: удалённые –OH кислоты и H спирта дают H₂O, а двойная стрелка указывает на обратимость превращения.

При щелочном гидролизе вместо соли иногда записывают карбоновую кислоту, как при гидролизе водой. Это происходит, если не учесть, что кислота взаимодействует со щёлочью. Проверьте, присутствует ли в уравнении NaOH или другая щёлочь: тогда кислотную часть следует записать в форме соли, например R–COONa, а не R–COOH.

Связь с другими темами

Для изучения сложных эфиров нужны знания о строении и названиях карбоновых кислот и спиртов, а также понятия углеводородного радикала и функциональной группы. Эти основы помогают разбирать формулу эфира на части и составлять названия. Далее тема пригодится при изучении жиров: это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Этерификация и гидролиз также помогают понимать превращения функциональных групп в органических реакциях.

Что запомнить

• Общая формула сложного эфира — R–COO–R′.
• Функциональная группа сложных эфиров — –COO–.
• Этерификация кислоты спиртом сопровождается образованием воды.
• Этерификация — обратимая реакция.
• При гидролизе сложного эфира образуются кислота и спирт.
• При щелочном гидролизе вместо кислоты образуется её соль.