"Химия (базовый уровень)", Нифантьев Э.Е., Оржековский П.А.
Сложные эфиры — органические вещества с группой –COO–, которые образуются при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами. Многие из них летучи и обладают характерными запахами, поэтому их используют в ароматизаторах и органическом синтезе. К сложным эфирам относятся и жиры — продукты взаимодействия глицерина с высшими карбоновыми кислотами. Чтобы разобраться в теме, нужно понять строение эфиров, обратимость их образования и особенности гидролиза.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сложный эфир — производное карбоновой кислоты, в котором атом водорода гидроксильной группы замещён углеводородным радикалом; общая формула — R–COO–R′. Здесь R–COO– представляет кислотную часть, а R′ — остаток спирта. Формула помогает отличить эфир от кислоты и понять, из каких частей построена его молекула.
Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом с образованием сложного эфира и воды. Например, этановая кислота и этанол дают этилэтаноат и воду. Это понятие нужно, чтобы описывать получение эфиров и записывать соответствующие уравнения.
Гидролиз сложного эфира — реакция эфира с водой, при которой образуются карбоновая кислота и спирт; в щелочной среде образуются соль кислоты и спирт. Слово «гидролиз» указывает на расщепление вещества водой. Различие продуктов позволяет понять, почему кислотный и щелочной гидролиз записывают по-разному.
Жир — сложный эфир глицерина и высших карбоновых кислот. Глицерин — многоатомный спирт, в молекуле которого три группы –OH, поэтому он может образовать три эфирные связи. Это определение связывает свойства жиров с общей химией сложных эфиров.
Группа –COO– объясняет, почему сложный эфир можно рассматривать как продукт взаимодействия кислоты и спирта. В карбоновой кислоте есть фрагмент –COOH, а спирт содержит группу –OH; при образовании эфира они преобразуются в связанный фрагмент –COO–. Остатки R и R′ сохраняются в молекуле, поэтому формула показывает происхождение обеих её частей.
При этерификации гидроксильная группа кислоты и атом водорода спирта соединяются в молекулу воды, а оставшиеся части образуют эфир. Реакция обратима, потому что в присутствии воды эфир может снова расщепляться на кислоту и спирт. Кислотный катализатор ускоряет обе стороны превращения, помогая реакции идти быстрее; он не меняет набор конечных веществ.
Физические свойства эфиров зависят от длины и строения углеводородных радикалов. Небольшие молекулы обычно летучи, а при увеличении молекулярной массы летучесть уменьшается и вещества чаще становятся жидкими или твёрдыми. Из-за отсутствия группы –OH эфиры хуже взаимодействуют с водой, чем спирты и кислоты сходного размера, поэтому обычно растворяются в ней плохо. Некоторые низкомолекулярные эфиры имеют заметный фруктовый или цветочный запах.
Связи в сложном эфире могут расщепляться при взаимодействии с водой, поэтому эфиры вступают в гидролиз. В кислой среде устанавливается обратимое равновесие между эфиром, водой, кислотой и спиртом. В щелочной среде кислота сразу превращается в соль, которая не образует эфир простым обратным ходом; поэтому щелочной гидролиз практически необратим. Такое расщепление жиров щёлочью называют омылением.
В молекуле глицерина три группы –OH, и каждая может соединиться с остатком высшей карбоновой кислоты. Поэтому жир обычно имеет три эфирные связи и образуется из глицерина и трёх кислотных остатков. Если преобладают остатки насыщенных кислот, молекулы плотнее упаковываются, и жир часто твёрдый. Двойные связи в остатках ненасыщенных кислот мешают плотной упаковке, поэтому масла обычно жидкие.
Сопоставляйте столбцы, чтобы увидеть, какие признаки общие для эфиров и жиров, а какие относятся только к жирам. В строке о продуктах щелочного гидролиза проследите, как строение жира связано с получением глицерина и соли кислоты. Таблица также помогает выбрать подходящую реакцию для решения задач.
| Характеристика | Сложные эфиры | Жиры |
|---|---|---|
| Общая формула или строение | R–COO–R′ | Три сложные эфирные связи глицерина с остатками высших карбоновых кислот |
| Исходные вещества для получения | Карбоновая кислота и спирт | Глицерин и высшие карбоновые кислоты |
| Основная реакция получения | Этерификация | Этерификация трёх групп –OH глицерина |
| Физические свойства | Часто плохо растворяются в воде; некоторые летучи и имеют запах | В воде не растворяются; бывают твёрдыми и жидкими |
| Характерная химическая реакция | Гидролиз | Щелочной гидролиз (омыление) |
| Продукты щелочного гидролиза | Спирт и соль карбоновой кислоты | Глицерин и соли высших карбоновых кислот |
| Применение | Ароматизаторы и органический синтез | Пищевые продукты, сырьё для получения мыла |
Задача 1. Назовите сложный эфир состава CH₃COOC₂H₅ и укажите, из каких веществ он образован. Разделите формулу по группе –COO–: слева находится остаток кислоты, справа — радикал спирта. Такой способ позволяет не перепутать название эфира с названием исходной кислоты.
Ответ: этилэтаноат, образованный этановой кислотой и этанолом. Название отражает два исходных компонента: кислотный остаток и этильную группу.
Задача 2. Составьте уравнение реакции этерификации этановой кислоты и этанола и укажите условия. Сначала определите продукты: эфир содержит кислотный остаток CH₃COO– и этильный радикал, а отделившиеся H и OH дают воду. Затем проверьте, что число атомов каждого элемента одинаково слева и справа.
Ответ: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O; реакцию проводят при нагревании в присутствии кислоты-катализатора. Знак ⇄ показывает, что одновременно возможны образование эфира и обратное превращение.
Задача 3. При омылении жира образовались глицерин и стеарат натрия. Определите массу стеарата натрия, если вступило заданное количество жира n(жира). В молекуле жира три остатка стеариновой кислоты, поэтому на один моль жира образуется три моля соли. Для численного результата подставьте данное в условии количество вещества.
Ответ: m(стеарата натрия) = 918n(жира) г, если количество жира задано в молях. Для конкретного значения массы нужно подставить количество вещества из условия; молярная масса самого жира для расчёта по количеству вещества здесь не требуется.
Сложный эфир иногда принимают за соль карбоновой кислоты, потому что оба вещества содержат фрагмент, связанный с группой –COO. Но в эфире с кислородом соединён углеводородный радикал, а в соли — катион, например Na⁺. Проверьте формулу: наличие металла указывает на соль, а не на сложный эфир.
В уравнении этерификации могут записать воду среди исходных веществ или забыть её среди продуктов. Ошибка возникает, если не проследить, откуда берутся атомы воды: OH отходит от кислоты, а H — от спирта. Для самопроверки посчитайте атомы до и после реакции и убедитесь, что вода записана справа.
Кислотный и щелочной гидролиз иногда считают одинаковыми по продуктам, поскольку в обоих случаях эфир расщепляется. Однако в щелочной среде кислота реагирует со щёлочью и превращается в соль, а не остаётся свободной кислотой. Проверьте, какие условия указаны в задаче: при наличии щёлочи в продуктах должна быть соль карбоновой кислоты.
Жиры порой называют полимерами или обычными углеводородами, потому что они состоят из длинных углеродных цепей и не смешиваются с водой. Но в них есть эфирные связи, а основой молекулы служит глицерин, соединённый с высшими карбоновыми кислотами. Чтобы проверить себя, найдите в описании или формуле фрагмент –COO– и помните о трёх остатках кислот.
Для изучения эфиров нужны знания о строении карбоновых кислот и спиртов, их функциональных группах и правилах составления уравнений реакций. Этерификация и гидролиз связывают эти темы в пару прямого и обратного превращений. Жиры соединяют химию сложных эфиров с темами о мылах, моющих средствах и биологической роли липидов. Понимание строения эфиров пригодится при изучении органического синтеза, пищевых ароматизаторов и превращений веществ в организме.
Почему сложные эфиры называют сложными?
Название связано с тем, что молекула содержит остатки двух веществ — карбоновой кислоты и спирта. При этом сложный эфир не является смесью этих веществ: их части соединены в одной молекуле через группу –COO–.
Чем сложный эфир отличается от соли карбоновой кислоты?
В сложном эфире с группой –COO– связан углеводородный радикал, а в соли — катион металла или другой положительный ион. Например, CH₃COOC₂H₅ — эфир, а CH₃COONa — соль.
Почему реакция этерификации обратима?
В ходе реакции кислота и спирт образуют эфир и воду, но вода может взаимодействовать с эфиром и возвращать исходные вещества. Поэтому в системе устанавливается равновесие, которое можно смещать, например удаляя воду.
Почему при щелочном гидролизе образуется мыло?
При расщеплении жира щёлочью высшие карбоновые кислоты сразу превращаются в соли натрия или калия. Такие соли высших кислот и называют мылом.
Почему одни жиры твёрдые, а другие жидкие?
На агрегатное состояние влияют состав кислотных остатков и строение их цепей. Остатки насыщенных кислот обычно способствуют образованию твёрдых жиров, а остатки ненасыщенных кислот с двойными связями чаще встречаются в жидких маслах.
§ 23. Сложные эфиры
