"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Сложные эфиры — вещества, в которых соединены части карбоновой кислоты и спирта; многие из них имеют приятный запах и используются в парфюмерии и производстве. Жиры — особая группа таких эфиров, образованных глицерином и высшими карбоновыми кислотами. Главное в теме — научиться узнавать группу –COO–, понимать обратимость получения эфиров и различать гидролиз жиров водой и их омыление щёлочью.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сложные эфиры — производные карбоновых кислот, в молекулах которых атом водорода гидроксильной группы заменён углеводородным радикалом. Их общая формула — R–COO–R′, где R — радикал кислотной части, а R′ — радикал спиртовой части. Формула помогает увидеть, из каких частей составлена молекула, и отличить сложный эфир от других классов веществ.
Реакция этерификации — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом, при которой образуются сложный эфир и вода. Её схематически записывают так: кислота + спирт ⇄ сложный эфир + вода. Это понятие нужно, чтобы описывать получение эфиров и учитывать возможность обратного превращения.
Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Глицерин имеет три гидроксильные группы, поэтому в одной молекуле жира образуются три сложноэфирные связи. Определение показывает, почему жиры относят к эфирам и почему в их превращениях участвуют три остатка кислот.
Омыление — щелочной гидролиз жиров, при котором образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот. Соли таких кислот входят в состав мыла, что и объясняет название реакции. Термин помогает не спутать продукты действия щёлочи с продуктами гидролиза водой.
Группа –COO– связывает сложный эфир сразу с двумя классами веществ. Часть –CO– происходит от карбоновой кислоты, а атом кислорода рядом с радикалом R′ соответствует части спирта, утратившего водород гидроксильной группы. Поэтому формулу эфира можно мысленно разделить на кислотный остаток и углеводородный радикал спирта, но группу –COO– нельзя свести к простому атому кислорода.
При этерификации кислота и спирт перестраивают связи: от кислотной части и гидроксильной группы спирта образуется молекула воды, а оставшиеся фрагменты соединяются через кислород. Реакция обратима, потому что вода способна расщепить сложноэфирную связь и восстановить исходные вещества. Если продукты не удаляются из смеси, прямое и обратное превращения идут одновременно; поэтому уравнение обозначают знаком ⇄, а не стрелкой в одну сторону.
Название сложного эфира отражает происхождение обеих его частей. Сначала называют углеводородный радикал, который был частью спирта, а затем — остаток карбоновой кислоты; например, CH₃COOC₂H₅ называется этилацетатом, или этиловым эфиром уксусной кислоты. Чтобы назвать вещество, найди в формуле фрагмент R′ у кислородного атома, затем определи кислотный остаток по части R–COO–.
Жиры — разновидность сложных эфиров, потому что три гидроксильные группы одной молекулы глицерина могут соединиться с тремя молекулами высших карбоновых кислот. Так возникает три сложноэфирные связи, а кислотные остатки могут быть одинаковыми или разными. Именно поэтому жир нельзя считать эфиром только одной кислоты и одного спирта: его основа — триатомный спирт глицерин, связанный с тремя кислотными остатками.
Жидкие масла обычно содержат больше остатков ненасыщенных кислот, а твёрдые жиры — больше насыщенных. В двойных связях цепи кислотных остатков имеют изгибы, поэтому молекулам труднее плотно расположиться; температура плавления смеси снижается. При гидролизе водой жир распадается на глицерин и кислоты, а при действии щёлочи кислоты сразу превращаются в соли: это омыление. Для одной молекулы жира нужны три молекулы щёлочи, поскольку разрушаются три сложноэфирные связи.
| Признак | Сложные эфиры | Жиры |
|---|---|---|
| Общая структурная формула | R–COO–R′ | C₃H₅(OOCR)₃ — условная запись триэфира глицерина |
| Из каких веществ образуются | Из карбоновой кислоты и спирта | Из глицерина и высших карбоновых кислот |
| Характерная функциональная группа | –COO– | Три группы –COO– в молекуле |
| Пример вещества | Этилацетат CH₃COOC₂H₅ | Тристеарин C₅₇H₁₁₀O₆ |
| Физическое состояние и свойства | Многие летучи, имеют характерные запахи; растворимость в воде обычно невелика | Масла обычно жидкие, жиры обычно твёрдые; не смешиваются с водой |
| Гидролиз | Образуются кислота и спирт | Образуются глицерин и кислоты; со щёлочью — соли кислот |
| Применение | Ароматизаторы, растворители, сырьё для органического синтеза | Пища, производство мыла и других продуктов переработки |
Сначала сравнивайте формулы и исходные вещества: так легче увидеть, что жир содержит три эфирные связи, а не одну. Затем сопоставьте состав и физические свойства, помня, что слова «обычно» и «часто» важны: состояние зависит от состава конкретного вещества. Строка о гидролизе помогает выбрать правильные продукты реакции и отличить действие воды от омыления.
Условие: запишите реакцию уксусной кислоты с этанолом и назовите эфир. Требуется узнать кислотную и спиртовую части, а затем записать продукт вместе с водой. Поскольку этерификация обратима, в уравнении ставим знак ⇄.
Ответ: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O; продукт — этилацетат.
Условие: из 6,0 г уксусной кислоты при избытке этанола получают эфир; реакция проходит полностью. В уравнении коэффициенты кислоты и эфира равны единице, поэтому их количества вещества одинаковы. Сначала находим количество кислоты, затем по молярной массе эфира вычисляем его массу.
Ответ: теоретически можно получить 8,8 г этилацетата.
Условие: 89 г тристеарина полностью реагируют с избытком гидроксида натрия. При омылении одна молекула жира даёт одну молекулу глицерина и три молекулы стеарата натрия. Уравнение реакции: C₅₇H₁₁₀O₆ + 3NaOH → C₃H₈O₃ + 3C₁₈H₃₅O₂Na.
Ответ: глицерина получится 9,2 г, стеарата натрия — 91,8 г.
Сложные эфиры путают с простыми, потому что в названиях обоих классов есть слово «эфир». Но в сложном эфире группа –COO–, а в простом — только –O– между радикалами. Проверьте формулу: если рядом с кислородом есть карбонильный фрагмент C=O, перед вами сложный эфир.
Иногда в уравнении этерификации забывают воду или ставят стрелку только в одну сторону. Это происходит, если воспринимать реакцию как простое соединение молекул, не учитывая отщепление частей, образующих воду. Проверьте баланс атомов и помните, что гидролиз может вернуть кислоту и спирт, поэтому реакция обратима.
Жир ошибочно представляют эфиром одной кислоты и одного спирта. Причина — перенос общей схемы сложного эфира на жир без учёта трёх гидроксильных групп глицерина. Для самопроверки изобразите фрагмент глицерина и убедитесь, что он связан с тремя остатками кислот через три группы –COO–.
При омылении вместо соли записывают свободную кислоту или используют только одну молекулу щёлочи. Так бывает, если не учитывать щелочную среду и три эфирные связи жира. Запишите продукты как глицерин и соли карбоновых кислот, а затем проверьте: на одну молекулу жира требуется три молекулы NaOH или KOH.
Чтобы разобраться в теме, нужно знать строение карбоновых кислот и спиртов, включая глицерин: именно их фрагменты соединяются при образовании эфиров. При составлении уравнений пригодятся правила расстановки коэффициентов и представления об обратимых реакциях. Количественные задачи опираются на количество вещества и молярную массу: n = m/M, m = nM. Позже эти знания помогут объяснить превращение жиров в мыло и связать органическую химию с пищевыми веществами и органическим синтезом.
Почему жиры относят к сложным эфирам?
Молекула глицерина содержит три гидроксильные группы, каждая из которых может реагировать с карбоновой кислотой. В результате образуются три сложноэфирные связи, поэтому жир является триэфиром глицерина и высших карбоновых кислот.
Чем сложный эфир отличается от простого эфира?
В сложном эфире есть группа –COO–, включающая атом углерода, связанный с кислородом двойной связью. В простом эфире атом кислорода соединяет два углеводородных радикала: его группу записывают как –O–.
Почему реакция этерификации обратима?
Сложный эфир и вода могут снова взаимодействовать и образовывать исходные кислоту и спирт. Поэтому в одной системе одновременно возможны прямая реакция и обратный гидролиз, а итог зависит от условий и соотношения веществ.
Что образуется при гидролизе жира водой и при омылении щёлочью?
При гидролизе водой жир распадается на глицерин и высшие карбоновые кислоты. При омылении вместо кислот образуются их соли, поскольку реакция идёт со щёлочью.
От чего зависит, будет жир твёрдым или жидким?
Состояние зависит от состава остатков кислот и температуры плавления жира. Остатки ненасыщенных кислот обычно затрудняют плотную упаковку молекул и способствуют жидкому состоянию; жиры с большей долей насыщенных остатков чаще твёрдые.
14. Сложные эфиры и жиры
