"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Сложные эфиры образуются при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами и содержат группу –COO–. К ним относятся и жиры — триестеры глицерина и высших карбоновых кислот. Состав и строение молекул определяют свойства веществ: например, насыщенные жиры чаще твёрдые, а масла с ненасыщенными цепями обычно жидкие. Этерификация позволяет получать эфиры, а гидролиз жиров — глицерин и мыла. Понимание этих реакций помогает связать свойства органических веществ с их строением.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сложный эфир — производное карбоновой кислоты и спирта, содержащее функциональную группу –COO–. Его общая структурная формула — R–COO–R′, где R — остаток кислоты, а R′ — остаток спирта. Например, CH₃COOC₂H₅ — этилацетат, а HCOOCH₃ — метилформиат. Такая запись показывает, какие части молекулы соединены через группу –COO–.
Реакция этерификации — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом, в результате которой образуются сложный эфир и вода. Её записывают так: кислота + спирт ⇄ эфир + вода. Серная кислота ускоряет установление равновесия; концентрированная кислота также связывает воду. Это помогает получать эфир, но не превращает обратимую реакцию в необратимую.
Жир — сложный эфир глицерина и высших карбоновых кислот. Глицерин имеет три гидроксильные группы, поэтому в молекуле жира к его остатку присоединены остатки трёх кислот. Например, тристеарин образован глицерином и остатками стеариновой кислоты, а триолеин — остатками олеиновой. Такое строение объясняет, почему жиры относят к триестерам.
Омыление — щелочной гидролиз жира, при котором он распадается на глицерин и соли высших карбоновых кислот. Если щёлочь — гидроксид натрия или калия, образуются соответствующие натриевые или калиевые соли. Эти соли называют мылами. Понятие омыления важно отличать от простого смешивания жира со щёлочью: здесь происходит химическая реакция.
При этерификации гидроксильная часть спирта и часть карбоксильной группы кислоты превращаются в воду, а оставшиеся части соединяются в группу –COO–. Поэтому среди продуктов одновременно появляются сложный эфир и вода. Серная кислота выступает катализатором: она ускоряет прямую и обратную реакции, так что равновесие устанавливается быстрее. Если концентрированная кислота связывает часть воды, равновесие смещается в сторону образования эфира.
Название сложного эфира помогает увидеть его состав: сначала указывают спиртовой остаток, затем кислотный. Например, в CH₃COOC₂H₅ группа C₂H₅ происходит от этанола, а CH₃COO — от уксусной кислоты, поэтому вещество называют этилацетатом, или этиловым эфиром уксусной кислоты. Чтобы определить строение по формуле, находят –COO– и разделяют молекулу на части по обе стороны этой группы. Это позволяет установить, из каких спирта и кислоты мог образоваться эфир.
Жиры называют триестерами, потому что молекула глицерина содержит три гидроксильные группы. Каждая из них может вступить в реакцию с карбоксильной группой высшей кислоты и образовать сложноэфирную связь. В итоге к остатку глицерина присоединяются три кислотных остатка, которые могут быть одинаковыми или разными. Поэтому в одной молекуле жира насчитывают три связи –COO–, а не одну.
Агрегатное состояние жира зависит от строения углеводородных цепей кислотных остатков. Насыщенные цепи не имеют двойных связей и обычно укладываются плотнее, поэтому взаимодействия между молекулами сильнее и температуры плавления выше. Ненасыщенные цепи содержат двойные связи, часто имеют изгибы и хуже упаковываются. Поэтому жиры с большим количеством ненасыщенных остатков чаще жидкие при комнатной температуре и называются маслами.
При кислотном гидролизе сложный эфир реагирует с водой и распадается на карбоновую кислоту и спирт; процесс обратен этерификации. При щелочном гидролизе жир реагирует с щёлочью, образуя глицерин и соли кислотных остатков. Эти соли и есть мыла. Их молекулы имеют часть, взаимодействующую с водой, и углеводородную часть, способную удерживать жир; поэтому загрязнение можно распределить в воде и смыть.
| Признак | Сложные эфиры | Жиры | Примеры |
|---|---|---|---|
| Общая структурная формула | R–COO–R′ | Остаток глицерина с тремя группами –OOC–R | CH₃COOC₂H₅; тристеарин |
| Исходные вещества | Карбоновая кислота и спирт | Глицерин и высшие карбоновые кислоты | Уксусная кислота и этанол; глицерин и стеариновая кислота |
| Количество сложноэфирных групп | Обычно одна | Три | Этилацетат — одна; тристеарин — три |
| Реакция образования | Этерификация, обратимая | Этерификация глицерина тремя кислотными остатками | Кислота + спирт ⇄ эфир + вода |
| Физическое состояние | Многие низкомолекулярные эфиры — летучие жидкости | Насыщенные жиры чаще твёрдые, ненасыщенные — жидкие | Этилацетат — жидкость; растительное масло — жидкость |
| Гидролиз | Кислотный: кислота и спирт | Щелочной: глицерин и соли кислот | Омыление тристеарина даёт стеарат натрия |
| Практическое применение | Растворители, ароматизаторы, сырьё для получения других веществ | Пища, производство мыла и косметики | Этилацетат; пищевые масла и жиры |
Сначала найдите в строках строение и число сложноэфирных групп — это помогает отличить обычный эфир от жира. Затем сравните образование и гидролиз: по продуктам реакции удобно проверять, верно ли вы составили уравнение. Примеры в последнем столбце показывают, как общие признаки проявляются у конкретных веществ.
Условие. Запишите уравнение реакции уксусной кислоты с этанолом, назовите продукт и укажите условия. Сначала определяем остатки реагентов, затем составляем эфир и проверяем баланс атомов. Вода обязательно входит в число продуктов этерификации.
Ответ. CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O; продукт — этилацетат. Условия: нагревание и кислотный катализатор, обычно серная кислота.
Условие. Из 12 г уксусной кислоты и избытка этанола получить массу этилацетата при выходе 80%. Этанол взят с избытком, значит, количество продукта ограничено количеством кислоты. Сначала считаем теоретическую массу, затем учитываем, что фактический выход меньше неё.
Ответ. При выходе 80% образуется 14,08 г этилацетата.
Условие. Найдите массу NaOH для полного омыления 89 г тристеарина и массы глицерина и стеарата натрия. Важно учитывать три сложноэфирные группы: на одну молекулу жира требуется три молекулы щёлочи. По этому же соотношению определяем количество обоих продуктов.
Ответ. Требуется 12 г NaOH; образуются 9,2 г глицерина и 91,8 г стеарата натрия.
Иногда сложными эфирами называют продукты реакции спирта с любой кислотой. Такую ошибку допускают, потому что слово «кислота» воспринимают слишком широко; в этой теме рассматривают карбоновые кислоты. Проверьте формулу: для сложного эфира характерна группа R–COO–R′.
Этерификацию путают с нейтрализацией, ожидая получить соль. Это происходит потому, что обе реакции связаны с кислотой, но реагенты и продукты у них разные. В уравнении этерификации должны быть спирт, сложный эфир и вода, а не соль.
В структуре жира иногда рисуют только одну сложноэфирную связь. Причина — перенос строения обычного сложного эфира на молекулу целиком без учёта глицерина. Проверьте себя: у глицерина три гидроксильные группы, значит, в триестере должно быть три сложноэфирные связи.
Омыление принимают за растворение жира в щёлочи. Ошибка возникает потому, что жир действительно смешивают со щёлочным раствором, но при этом идёт химический гидролиз. В продуктах обязательно укажите глицерин и соли высших карбоновых кислот; образование мыльных солей подтверждает, что записана реакция омыления.
Для понимания темы нужны знания о строении и свойствах спиртов, карбоновых кислот, глицерина и высших карбоновых кислот: из этих веществ образуются эфиры и жиры. Реакции этерификации и гидролиза продолжают изучение превращений органических веществ и показывают связь строения с составом и свойствами. Позже эти знания помогут разобраться в строении липидов, биологической роли пищевых жиров, получении мыла и действии моющих средств.
Почему сложные эфиры нельзя называть обычными эфирами?
У сложных эфиров есть группа –COO–, связанная с остатками кислоты и спирта. У простых эфиров кислород соединяет два углеводородных остатка по схеме R–O–R′, поэтому это другой класс веществ.
Почему реакция этерификации является обратимой?
В ходе реакции образуются сложный эфир и вода, но они могут взаимодействовать и снова давать кислоту и спирт. Поэтому со временем устанавливается равновесие, при котором прямой и обратный процессы идут одновременно.
Чем жиры отличаются от других сложных эфиров?
Жиры — это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. В молекуле глицерина три гидроксильные группы, поэтому в ней образуются три сложноэфирные связи.
Почему растительные масла обычно жидкие, а животные жиры твёрдые?
В растительных маслах часто много остатков ненасыщенных кислот: их цепи содержат двойные связи и хуже укладываются плотно. Поэтому такие жиры плавятся при более низкой температуре. В животных жирах обычно больше насыщенных кислот, чьи цепи плотнее упаковываются.
Почему продукты щелочного гидролиза жиров называют мылами?
При гидролизе жир реагирует со щёлочью, образуя глицерин и соли высших карбоновых кислот. Натриевые и калиевые соли таких кислот — это мыла; их молекулы помогают удалять жир и загрязнения водой.
Сложные эфиры. Жиры
