Сложный эфир бутановой кислоты. Сложные эфиры — номенклатура, получение, химические свойства. Жиры. Мыла. Применение сложных эфиров
Номенклатура
Названия сложных эфиров производят от названия, углеводородного радикал а и названия кислоты, в котором вместо окончания "-овая кислота" используют суффикс "ат" (как и в названиях неорганических солей: карбонат натрия, нитрат хрома), например:
(Фрагменты молекул и соответствующие им фрагменты названий выделены одинаковым цветом.)
Сложные эфиры обычно рассматривают как продукты реакции между кислотой и спиртом, например, бутилпропионат можно воспринимать как результат взаимодействия пропионовой кислоты и бутанола.
Если используют тривиальное название исходной кислоты, то в название соединения включают слово «эфир» , например, С 3 Н 7 СООС 5 Н 11 – амиловый эфир масляной кислоты.
Гомологческий ряд
Изомерия
Для сложных эфиров характерны три вида изомерии:
1. Изомерия углеродной цепи, начинается по кислотному остатку с бутановой кислоты, по спиртовому остатку - с пропилового спирта, например:
2. Изомерия положения сложноэфирной группировки -СО-О- . Этот вид изомерии начинается со сложных эфиров, в молекулах которых содержится не менее 4 атомов углерода, например:
3. Межклассовая изомерия, сложные эфиры (алкилалканоаты) изомерны предельным монокарбоновым кислотам; например:
Для сложных эфиров, содержащих непредельную кислоту или непредельный спирт, возможны еще два вида изомерии: изомерия положения кратной связи; цис-транс-изомерия.
Физические свойства
Сложные эфиры низших гомологов кислот и спиртов - бесцветные легкокипящие жидкости с приятным запахом; используются как ароматические добавки к пищевым продуктам и в парфюмерии. В воде сложные эфиры растворяются плохо.
Способы получения
1. Извлечение из природных продуктов
2. Взаимодействие кислот со спиртами (реакции этерификации); например:
Химические свойства
1. Наиболее характерны для сложных эфиров реакции кислотного или щелочного гидролиза (омыление). Это реакции, обратные реакциям этерификации. Например:
2. Восстановление (гидрирование) сложных зфиров, в результате которого образуются спирты (один или два); например:
Сложные эфиры
– функциональные производные карбоновых
кислот,
в молекулах которых гидроксильная группа (-ОН) замещена на остаток спирта (-OR
)
Сложные эфиры карбоновых кислот – соединения с общей формулой
R–COOR" ,где R и R" – углеводородные радикалы.
Сложные эфиры предельных одноосновных карбоновых кислот имеют общую формулу:
Физические свойства:
· Летучие, бесцветные жидкости
· Плохо растворимы в воде
· Чаще с приятным запахом
· Легче воды
Сложные
эфиры содержатся в цветах, фруктах, ягодах. Они определяют их специфический
запах.
Являются составной частью эфирных масел (известно около 3000 эф.м. –
апельсиновое, лавандовое, розовое и т. д.)
Эфиры низших карбоновых кислот и низших одноатомных спиртов имеют приятный запах цветов, ягод и фруктов. Эфиры высших одноосновных кислот и высших одноатомных спиртов – основа природных восков. Например, пчелиный воск содержит сложный эфир пальмитиновой кислоты и мирицилового спирта (мирицилпальмитат):
CH 3 (CH 2) 14 –CO–O–(CH 2) 29 CH 3
|
Аромат. Структурная формула. |
Название сложного эфира |
|
Яблоко
|
Этиловый эфир 2-метилбутановой кислоты |
|
Вишня
|
Амиловый эфир муравьиной кислоты |
|
Груша
|
Изоамиловый эфир уксусной кислоты |
|
Ананас |
Этиловый эфир масляной кислоты (этилбутират) |
|
Банан
|
Изобутиловый эфир уксусной кислоты (у изоамилацетата так же напоминает запах банана) |
|
Жасмин
|
Бензиловыйэфир уксусной (бензилацетат) |
Краткие названия сложных эфиров строятся по названию радикала (R") в остатке спирта и названию группы RCOO - в остатке кислоты. Например, этиловый эфир уксусной кислоты CH 3 COO C 2 H 5 называется этил ацетат .
Применение
· В качестве отдушек и усилителей запаха в пищевой и парфюмерной (изготовление мыла, духов, кремов) промышленности;
· В производстве пластмасс, резины в качестве пластификаторов.
Пластификаторы – вещества, которые вводят в состав полимерных материалов для придания (или повышения) эластичности и (или) пластичности при переработке и эксплуатации.
Применение в медицине
В конце XIX - начале ХХ века, когда органический синтез делал свои первые шаги, было синтезировано и испытано фармакологами множество сложных эфиров. Они стали основой таких лекарственных средств, как салол, валидол и др. Как местнораздражающее и обезболивающее средство широко использовался метилсалицилат, в настоящее время практически вытесненный более эффективными средствами.
Получение сложных эфиров
Cложные эфиры могут быть получены при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации ). Катализаторами являются минеральные кислоты.
Видео «Получение уксусноэтилового эфира»
Видео «Получение борноэтилового эфира»
Реакция этерификации в условиях кислотного катализа обратима. Обратный процесс – расщепление сложного эфира при действии воды с образованием карбоновой кислоты и спирта – называют гидролизом сложного эфира .
RCOOR" + H 2 O (H+) ↔ RCOOH + R"OH
Гидролиз в присутствии щелочи протекает необратимо (т.к. образующийся отрицательно заряженный карбоксилат-анион RCOO – не вступает в реакцию с нуклеофильным реагентом – спиртом).
Эта реакция называется омылением сложных эфиров (по аналогии со щелочным гидролизом сложноэфирных связей в жирах при получении мыла).
Важнейшими представителями сложных эфиров являются жиры.
Жиры, масла
Жиры – это сложные эфиры глицерина и высших одноатомных . Общее название таких соединений – триглицериды или триацилглицерины, где ацил – остаток карбоновой кислоты -C(O)R. В состав природных триглицеридов входят остатки насыщенных кислот (пальмитиновой C 15 H 31 COOH, стеариновой C 17 H 35 COOH) и ненасыщенных (олеиновой C 17 H 33 COOH, линолевой C 17 H 31 COOH). Высшие карбоновые кислоты, которые входят в состав жиров имеют всегда четное количество атомов углерода (С 8 – С 18) и неразветвленный углеводородный остаток. Природные жиры и масла – это смеси глицеридов высших карбоновых кислот.
Состав и строение жиров могут быть отражены общей формулой:
Этерификация — реакция образования сложных эфиров.
В состав жиров могут входить остатки как предельных, так и непредельных карбоновых кислот в различных сочетаниях.
В обычных условиях жиры, содержащие в своем составе остатки непредельных кислот, чаще всего бывают жидкими. Их называют маслами
. В основном, это жиры растительного происхождения — льняное, конопляное, подсолнечное и другие масла (исключения пальмовое и кокосовое масла – твердые в обычных условиях). Реже встречаются жидкие жиры животного происхождения, например рыбий жир. Большинство природных жиров животного происхождения при обычных условиях – твердые (легкоплавкие) вещества и содержат в основном остатки предельных карбоновых кислот, например бараний жир.
Состав жиров определяет их физические и химические свойства.
Физические свойства жиров
Жиры нерастворимы в воде, не имеют четкой температуры плавления и значительно увеличиваются в объеме при плавлении.
Агрегатное состояние жиров твердое, это связано с тем, что в состав жиров входят остатки предельных кислот и молекулы жиров способны к плотной упаковке. В состав масел, входят остатки непредельных кислот в cis – конфигурации, следовательно плотная упаковка молекул невозможна, и агрегатное состояние – жидкое.
Химические свойства жиров
Жиры (масла) являются сложными эфирами и для них характерны реакции сложных эфиров.
Понятно, что для жиров, содержащих остатки ненасыщенных карбоновых кислот, характерны все реакции непредельных соединений. Они обесцвечивают бромную воду, вступают в другие реакции присоединения. Наиболее важная в практическом плане реакция – гидрирование жиров. Гидрированием жидких жиров получают твердые сложные эфиры. Именно эта реакция лежит в основе получения маргарина — твердого жира из растительных масел. Условно этот процесс можно описать уравнением реакции:
Все жиры, как и другие сложные эфиры, подвергаются гидролизу:
Гидролиз сложных эфиров- обратимая реакция. Чтобы в сторону образования продуктов гидролиза, его проводят в щелочной среде (в присутствие щелочей или Na 2 CO 3). В этих условиях гидролиз жиров протекает обратимо, и приводит к образованию солей карбоновых кислот, которые называются . жиров в щелочной среде называют омылением жиров .
При омылении жиров образуются глицерин и мыла – натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот:
Омыление – щелочной гидролиз жиров, получение мыла.
Мыла – смеси натриевых (калиевых) солей высших предельных карбоновых кислот (натриевое мыло – твердое, калиевое — жидкое).
Мыла являются поверхностно-активными веществами (сокращенно: ПАВами, детергентами). Моющее действие мыла связано с тем, что мыла эмульгируют жиры. Мыла образуют мицеллы с загрязняющими веществами (условно — это жиры с различными включениями).
Липофильная часть молекулы мыла растворяется в загрязняющем веществе, а гидрофильная часть оказывается на поверхности мицеллы. Мицеллы заряжены одноименно, следовательно отталкиваются, при этом загрязняющее вещество и вода превращается в эмульсию (практически – это грязная вода).
В воде также происходит мыла, при этом создается щелочная среда.
Мыла нельзя использовать в жесткой и морской воде, так как образующиеся при этом стеараты кальция (магния) в воде нерастворимы.
Сложные эфиры содержат функциональную группу:
где R и R" - одинаковые или различные радикалы.
Сложные эфиры также можно рассматривать как производные кислот, у которых атом водорода в карбоксильной группе замещен на углеводородный радикал (R"):
Физические свойства
Сложные эфиры низших карбоновых кислот и спиртов представляют собой летучие, нерастворимые в воде жидкости. Многие из них имеют приятный запах. Так, например, бутилбутират имеет запах ананаса, изоамилацетат - груши и т.д.
Сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов - воскообразные вещества, не имеют запаха, в воде не растворимы. Приятный аромат цветов, ягод в значительной степени обусловлен присутствием в них тех или иных сложных эфиров.
Жиры широко распространены в природе. Наряду с углеводородами и белками они входят в состав всех растительных и животных организмов и составляют одну из основных частей нашей пищи.
По агрегатному состоянию при комнатной температуре жиры делятся на жидкие и твердые. Твердые жиры, как правило, образованы предельными кислотами, жидкие жиры (их часто называют маслами) - непредельными. Жиры растворимы в органических растворителях и нерастворимы в воде.
Основные методы получения сложных эфиров:
Этерификация - взаимодействие карбоновых кислот и спиртов, например получение этилацетата из уксусной кислоты и этилового спирта:
СН 3 COOH + C 2 H 5 OH = СН 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
Химические свойства
1. Реакция гидролиза или омыления.
Как уже было сказано выше, реакция этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот будет протекать обратная реакция, называемая гидролизом, в результате которой образуются исходные жирные кислоты и спирт:
Реакция гидролиза катализируется и щелочами; в этом случае гидролиз необратим:
так как получающаяся карбоновая кислота со щелочью образует соль:
СН 3 – COOH + NaOH → СН 3 – COONa + H 2 O
2. Реакция присоединения.
Сложные эфиры, имеющие в своем составе непредельную кислоту или спирт, способны к реакциям присоединения. Например, при каталитическом гидрировании они присоединяют водород.
3. Реакция восстановления.
Восстановление сложных эфиров водородом приводит к образованию двух спиртов:
4. Реакция образования амидов.
Под действием аммиака сложные эфиры превращаются в амиды кислот и спирты:
СН 3 -CO-O С 2 Н 5 + NH 3 → СН 3 -CO-NH 2 + С 2 Н 5 OH.
56) Жиры - это смеси сложных эфиров, образованных трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами. Общая формула жиров, где R - радикалы высших жирных кислот:
Чаще всего в состав жиров входят предельные кислоты: пальмитиновая С 15 Н 31 СООН и стеариновая С 17 Н 35 СООН, и непредельные кислоты: олеиновая С 17 Н 33 СООН и линолевая С 17 Н 31 СООН.
Общее название соединений карбоновых кислот с глицерином - триглицериды.
Гидролиз жиров в технике (омыление жиров). Жиры имеют большое техническое значение: они служат необходимым материалом для получения мыла и глицерина. Мылами называют соли высших жирных кислот, растворы которых обладают моющим действием. Наибольшее распространение имеют натриевые мыла, применяющиеся в технике и в быту в качестве моющих средств. Сущность мыловарения состоит в омылении жиров раствором гидроксида натрия при нагревании. При этом жиры расщепляются на глицерин и мыло.
Гидролиз, или омыление, жиров происходит под действием воды (обратимо) или щелочей (необратимо):
Итак: мыла - это соли высших карбоновых кислот. Обычные мыла состоят главным образом из смеси солей пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла, калиевые соли - жидкие мыла.
Для разделения образовавшейся смеси глицерина и мыла добавляют водный раствор хлорида натрия, в котором, как в электролите с одноименным ионом натрия, мыло растворяется очень плохо. В результате происходит расслаивание: сверху слой раствора мыла, а снизу раствор глицерина и хлорида натрия. Раствор мыла разливают в формы, где оно затвердевает. Водный раствор глицерина упаривают, отделяют от хлорида натрия и очищают перегонкой.
Для варки мыла используют различные жиры: сало, масло и др. В настоящее время для производства мыла используется непищевое сырье. Необходимые для этого кислоты получают в промышленном масштабе путем окисления углеводородов, входящих в состав парафина.
Химические свойства
1. Гидролиз в кислой среде
Применение жиров
Жиры используют в пищу. Некоторые масла используют для изготовления косметических средств (кремов, масок, мазей).
Ряд жиров имеют лекарственное значение: касторовое, облепиховое масло, рыбий жир, гусиный жир.
Жиры сельдевых рыб, тюлений жир используют для подкормки сельскохозяйственных животных.
Высыхающие растительные масла используют для производства олиф.
Сырьем для производства маргарина являются многие растительные масла и китовый жир.
Животные жиры идут на производство мыла, стеариновых свечей.
Жиры используют для получения глицерина, смазочных материалов.
класс соединений на основе минеральных (неорганических) или органических карбоновых кислот, у которых атом водорода в НО-группе замещен органической группой R . Прилагательное «сложные» в названии эфиров помогает отличить их от соединений, именуемых простыми эфирами.Если исходная кислота многоосновная, то возможно образование либо полных эфиров замещены все НО-группы, либо кислых эфиров частичное замещение. Для одноосновных кислот возможны только полные эфиры (рис.1).
Рис. 1. ПРИМЕРЫ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ на основе неорганической и карбоновой кислоты
Номенклатура сложных эфиров. Название создается следующим образом: вначале указывается группа R , присоединенная к кислоте, затем название кислоты с суффиксом «ат» (как и в названиях неорганических солей: карбонат натрия, нитрат хрома). Примеры на рис. 2
Если используют тривиальное (см . ТРИВИАЛЬНЫЕ НАЗВАНИЯ ВЕЩЕСТВ ) название исходной кислоты, то в название соединения включают слово «эфир», например, С 3 Н 7 СООС 5 Н 11 амиловый эфир масляной кислоты.
Классификация и состав сложных эфиров. Среди изученных и широко применяемых сложных эфиров большинство представляют соединения, полученные на основе карбоновых кислот. Сложные эфиры на основе минеральных (неорганических) кислот не столь разнообразны, т.к. класс минеральных кислот менее многочисленен, чем карбоновых (многообразие соединений один из отличительных признаков органической химии ).Когда число атомов С в исходных карбоновой кислоте и спирте не превышает 68, соответствующие сложные эфиры представляют собой бесцветные маслянистые жидкости, чаще всего с фруктовым запахом. Они составляют группу фруктовых эфиров. Если в образовании сложного эфира участвует ароматический спирт (содержащий ароматическое ядро), то такие соединения обладают, как правило, не фруктовым, а цветочным запахом. Все соединения этой группы практически нерастворимы в воде, но легко растворимы в большинстве органических растворителей. Интересны эти соединения широким спектром приятных ароматов (табл. 1), некоторые из них вначале были выделены из растений, а позже синтезированы искусственно.
| Табл. 1. НЕКОТОРЫЕ СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ , обладающие фруктовым или цветочным ароматом (фрагменты исходных спиртов в формуле соединения и в названии выделены жирным шрифтом) | ||
| Формула сложного эфира | Название | Аромат |
| СН 3 СООС 4 Н 9 | Бутил ацетат | грушевый |
| С 3 Н 7 СООСН 3 | Метил овый эфир масляной кислоты | яблочный |
| С 3 Н 7 СООС 2 Н 5 | Этил овый эфир масляной кислоты | ананасовый |
| С 4 Н 9 СООС 2 Н 5 | Этил | малиновый |
| С 4 Н 9 СООС 5 Н 11 | Изоамил овый эфир изовалериановой кислоты | банановый |
| СН 3 СООСН 2 С 6 Н 5 | Бензил ацетат | жасминовый |
| С 6 Н 5 СООСН 2 С 6 Н 5 | Бензил бензоат | цветочный |
Третья группа жиры. В отличие от предыдущих двух групп на основе одноатомных спиртов
ROH , все жиры представляют собой сложные эфиры, спирта глицерина НОСН 2 СН(ОН)СН 2 ОН. Карбоновые кислоты, входящие в состав жиров, как правило, имеют углеводородную цепь с 919 атомами углерода. Животные жиры (коровье масло, баранье, свиное сало) пластичные легкоплавкие вещества. Растительные жиры (оливковое, хлопковое, подсолнечное масло) вязкие жидкости. Животные жиры, в основном, состоят из смеси глицеридов стеариновой и пальмитиновой кислоты (рис. 3А,Б). Растительные масла содержат глицериды кислот с несколько меньшей длиной углеродной цепи: лауриновой С 11 Н 23 СООН и миристиновой С 13 Н 27 СООН. (как и стеариновая и пальмитиновая это насыщенные кислоты). Такие масла могут долго храниться на воздухе, не меняя своей консистенции, и потому называются невысыхающими. В отличие от них, льняное масло содержит глицерид ненасыщенной линолевой кислоты (рис. 3В). При нанесении тонким слоем на поверхность такое масло под действием кислорода воздуха высыхает в ходе полимеризации по двойным связям, при этом образуется эластичная пленка, не растворимая в воде и органических растворителях. На основе льняного масла изготавливают натуральную олифу.
Рис. 3. ГЛИЦЕРИДЫ СТЕАРИНОВОЙ И ПАЛЬМИТИНОВОЙ КИСЛОТЫ (А И Б) компоненты животного жира. Глицерид линолевой кислоты (В) компонент льняного масла.
Сложные эфиры минеральных кислот (алкилсульфаты, алкилбораты, содержащие фрагменты низших спиртов С 18) маслянистые жидкости, эфиры высших спиртов (начиная с С 9) твердые соединения.
Химические свойства сложных эфиров. Наиболее характерно для эфиров карбоновых кислот гидролитическое (под действием воды) расщепление сложноэфирной связи, в нейтральной среде оно протекает медленно и заметно ускоряется в присутствии кислот или оснований, т.к. ионы Н + и НО катализируют этот процесс (рис. 4А), причем гидроксильные ионы действуют более эффективно. Гидролиз в присутствии щелочей называют омылением. Если взять количество щелочи, достаточное для нейтрализации всей образующейся кислоты, то происходит полное омыление сложного эфира. Такой процесс проводят в промышленном масштабе, при этом получают глицерин и высшие карбоновые кислоты (С 1519) в виде солей щелочных металлов, представляющих собой мыло (рис. 4Б). Содержащиеся в растительных маслах фрагменты ненасыщенных кислот, как и любые ненасыщенные соединения, могут быть прогидрированы, водород присоединяется к двойным связям и образуются соединения, близкие к животным жирам (рис. 4В). Этим способом в промышленности получают твердые жиры на основе подсолнечного, соевого или кукурузного масла. Из продуктов гидрирования растительных масел, смешанных с природными животными жирами и различными пищевыми добавками, изготавливают маргарин.Основной способ синтеза взаимодействие карбоновой кислоты и спирта, катализируемое кислотой и сопровождаемое выделением воды. Эта реакция обратна показанной на рис. 3А. Чтобы процесс шел в нужном направлении (синтез сложного эфира), из реакционной смеси дистиллируют (отгоняют) воду. Специальными исследованиями с применением меченых атомов удалось установить, что в процессе синтеза атом О, входящий в состав образующейся воды, отрывается от кислоты (отмечено красной пунктирной рамкой), а не от спирта (нереализующийся вариант выделен синей пунктирной рамкой).
По такой же схеме получают сложные эфиры неорганических кислот, например, нитроглицерин (рис. 5Б). Вместо кислот можно использовать хлорангидриды кислот, метод применим как для карбоновых (рис. 5В), так и для неорганических кислот (рис. 5Г).
Взаимодействие солей карбоновых кислот с галоидалкилами
RCl также приводит к сложным эфирам (рис. 5Г), реакция удобна тем, что она необратима выделяющаяся неорганическая соль сразу удаляется из органической реакционной среды в виде осадка. Применение сложных эфиров. Этилформиат НСООС 2 Н 5 и этилацетат Н 3 СООС 2 Н 5 используются как растворители целлюлозных лаков (на основе нитроцеллюлозы и ацетилцеллюлозы).Сложные эфиры на основе низших спиртов и кислот (табл. 1) используют в пищевой промышленности при создании фруктовых эссенций, а сложные эфиры на основе ароматических спиртов в парфюмерной промышленности.
Из восков изготавливают политуры, смазки, пропиточные составы для бумаги (вощеная бумага) и кожи, они входят и в состав косметических кремов и лекарственных мазей.
Жиры вместе с углеводами и белками составляют набор необходимых для питания пищевых продуктов, они входят в состав всех растительных и животных клеток, кроме того, накапливаясь в организме, играют роль энергетического запаса. Из-за низкой теплопроводности жировой слой хорошо предохраняет животных (в особенности, морских китов или моржей) от переохлаждения.
Животные и растительные жиры представляют собой сырье для получения высших карбоновых кислот, моющих средств и глицерина (рис. 4), используемого в косметической промышленности и как компонент различных смазок.
Нитроглицерин (рис. 4) известный лекарственный препарат и взрывчатое вещество, основа динамита.
На основе растительных масел изготавливают олифы (рис. 3), составляющие основу масляных красок.
Эфиры серной кислоты (рис. 2) используют в органическом синтезе как алкилирующие (вводящие в соединение алкильную группу) реагенты, а эфиры фосфорной кислоты (рис. 5) как инсектициды, а также добавки к смазочным маслам.
Михаил Левицкий
ЛИТЕРАТУРА Карцова А.А. Покорение вещества. Органическая химия . Издательство Химиздат, 1999Пустовалова Л.М. Органическая химия . Феникс, 2003
Статьи по теме
