Какие сложные эфиры можно получить из продуктов
Сегодня, мы продолжим знакомство с различными классами органических соединений и поговорим о широко распространенных в природе сложных эфирах. Эта статья будет особенно полезна тем, кто подготавливается к сдаче ЕГЭ, изучает углубленно курс органической химии и просто тем, кому интересно вспомнить школьную программу по данной теме. Итак, приступим!
Что же такое сложные эфиры?
Сложные эфиры — это вещества, которые образуются в результате взаимодействия органических или кислородсодержащих неорганических кислот со спиртами.
Таким образом, общая формула сложных эфиров одноатомных спиртов и одноосновных карбоновых кислот:
Или:
Формулы отдельных простейших представителей класса сложных эфиров таковы:
Сложные эфиры широко распространены в природе. Специфический аромат ягод, плодов и фруктов в значительной степени обусловлен представителями этого класса органических соединений.
Сказать, что сложные эфиры играют большую роль в жизни человека — ничего не сказать. Мы сталкиваемся с ними, когда нюхаем цветок, обязанный ароматом простейшим сложным эфирам. Подсолнечное или оливковое масло — это тоже сложный эфир, но уже высокомолекулярный — так же, как и животные жиры. Мы моемся, моем и стираем средствами, которые получают химической реакцией переработки жиров, то есть сложных эфиров. Еще они используются в самых разных областях производства: с их помощью делают лекарства, краски и лаки, духи, смазки, полимеры, синтетические волокна и многое, многое другое. Однако, вопрос применения и классификации сложных эфиров, мы затронем более обширно, чуть позже. А сейчас перейдем к не менее важному вопросу.
Изомерия сложных эфиров.
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, метилбутирату изомерны метилизобутират, пропилацетат и изопропилацетат.
2. Изомерия положения сложноэфирной группировки –СО–О–. Этот вид изомерии начинается со сложных эфиров, в молекулах которых содержится не менее 4 атомов углерода, например этилацетат и метилпропионат, этилпропионат и метилбутират.
3. Межклассовая изомерия, например, метилацетату изомерна пропановая кислота, а метилформиату уксусная кислота.
Для сложных эфиров, содержащих непредельную кислоту или непредельный спирт, возможны еще два вида изомерии: изомерия положения кратной связи и цис- , транс-изомерия.
Теперь поговорим подробнее о разновидностях сложных эфиров.
Необходимо знать следующее.
Сложные эфиры жирных кислот и спиртов с длинными углеводородными радикалами, называют восками.
Напоминаю, жирные кислоты — это алифатические одноосновные карбоновые кислоты с открытой цепью, содержащиеся в этерифицированной форме в жирах, маслах и восках растительного и животного происхождения. Жирные кислоты, как правило, содержат неразветвленную цепь из чётного числа атомов углерода (от 4 до 24, включая карбоксильный) и могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными.
Важнейшими представителями природных сложных эфиров являются жиры.
Жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот.
Состав и строение жиров могут быть отображены общей формулой:
Где R – это радикалы входящие в состав высших карбоновых кислот:
– С3Н7 – масляной.
– С15H31 – пальмитиновой.
– С17Н35 – стеариновой
– С17Н33 – олеиновой.
– С17Н31 – линолевой.
Причем первые три радикала – это остатки предельных карбоновых кислот, а два последних – это остатки непредельных кислот.
В свою очередь, жиры классифицируют на твердые жиры и жидкие жиры (масла).
Физические свойства сложных эфиров.
Многие сложные эфиры, обладают приятными запахами цветов и фруктов. Они хорошо растворимы в спиртах, а вот в воде растворяются очень мало. Дело в том, что плотность сложных эфиров меньше чем у воды и поэтому они по большей части плавают на ее поверхности.
Сложные эфиры с относительно небольшой молекулярной массой представляют собой легковоспламеняющиеся жидкости с невысокими температурами кипения.
Способы получения сложных эфиров.
1. Реакция этерификации.
Реакция этерификации, является важнейшим из способов получения сложных эфиров.
Этерификация (от греч. eter — эфир и лат. facio — делаю) — это реакция образования сложных эфиров при взаимодействии кислот и спиртов.
В общем виде реакция этерификации может быть записана так:
Обратите внимание на то, что реакция этерификации обратима. Продукты этой реакции могут вернутся в состояние исходных веществ – спирта и кислоты. Таким образом, над стрелочкой, указывающей в сторону продуктов, мы можем написать – этерификация, а над стрелкой указывающей в сторону исходных веществ, можно написать – гидролиз сложного эфира.
О гидролизе сложных эфиров, мы поговорим чуть позже.
2. Получение сложных эфиров из хлорангидрирдов карбоновых кислот.
Хлорангидриды карбоновых кислот — это производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа -OH в карбоксильной группе -COOH заменена на атом хлора.
Общая формула хлорангидридов карбоновых кислот такова:
Например, из хлорангидрида уксусной кислоты мы можем получить фенилацетат, путем следующей химической реакции:
Вместо фенола, в данной реакции можно использовать так же и его соли, например фенолят натрия:
Таким же образом эта реакция возможна и для предельных одноатомных и многоатомных спиртов, и их солей:
3. Получение сложного эфира, путем взаимодействия соли карбоновой кислоты и галогеналкана.
Химические свойства сложных эфиров:
1. Галогенирование.
Эта реакция характерна для сложных эфиров, содержащих непредельный углеводородный радикал. Реакция с бромной водой при этом, имеет особое значение, так как она качественная. Происходит обесцвечивание бромной воды.
2. Гидрирование.
Данная реакция так же характерна для сложных эфиров содержащих непредельный углеводородный радикал:
Эта реакция имеет большое практическое значение, так как именно она лежит в основе получения твердого жира – маргарина из жидкого растительного масла.
3. Гидролиз.
В зависимости от условий гидролиз бывает:
– Водный (без катализатора, при высоких температуре и давлении).
– Кислотный (в присутствии кислоты в качестве катализатора).
– Ферментативный (происходит в живых организмах).
Такой гидролиз является обратимым. Для смещения равновесия в сторону продуктов его проводят в присутствие щелочей (или например Na2CO3). При этом гидролиз протекает необратимо и приводит к образованию не карбоновых кислот, а их солей, которые называются мылами. Именно поэтому гидролиз жиров в щелочной среде, называют – омыливанием жиров.
Мыло, которое мы используем, представляет собой смесь солей, поскольку жир, из которого его получают, содержит остатки различных кислот. Натриевые соли высших кислот RCOONa имеют твердое агрегатное состояние, а калиевые RCOOK — жидкое (жидкое мыло). При изготовлении мыла в него добавляют душистые вещества, глицерин, красители, антисептики, растительные экстракты.
Все мыла диссоциируют как сильные электролиты по уравнению:
RCOONa —> RCOO(-) + Na(+)
Очищающее действие мыла — сложный процесс. Молекула соли высшей карбоновой кислоты имеет полярную ионную часть (—COO-Na+) и неполярный углеводородный радикал, содержащий 12—18 атомов углерода. Полярная часть молекулы растворима в воде (гидрофильна), а неполярная — в жирах и других малополярных веществах (гидрофобна) . В обычных условиях частицы жира или масла слипаются между собой, образуя в водной среде отдельную фазу. В присутствии мыла картина резко изменяется. Неполярные концы молекулы мыла погружаются в капли масла, а полярные карбоксилат-анионы остаются в водном растворе. В результате отталкивания одноименных зарядов на поверхности масла оно разбивается на мельчайшие частицы, каждая из которых имеет ионную оболочку из анионов —СОО-. Наличие этой оболочки препятствует слиянию частиц, в результате чего образуется устойчивая эмульсия масла в воде. Эмульгирование жира, содержащего грязь, обусловливает очищающее действие мыла.
В жесткой воде, содержащей ионы Са2+ и Mg2+, мыло теряет свою моющую способность. Это происходит в результате того, что кальциевые и магниевые соли высших карбоновых кислот нерастворимы в воде:
4. Взаимодействие с аммиаком.
Под действием аммиака сложные эфиры превращаются в амиды кислот и спирты:
5. Реакция горения.
Горение сложных эфиров происходит с образованием углекислого газа и воды:
2CH3COOCH3 + 7O2 = 6CO2 + 6H20
Применение сложных эфиров.
Сложные эфиры используются в парфюмерии, косметике, в качестве пищевых добавок, для изготовления искусственных волокон, краски, лаков, клея. Они служат исходными веществами в производстве многих фармацевтических препаратов
Благодаря тому, что они смешиваются со многими органическими веществами, они используются как растворители для лаков и красок.
Этилформиат и этилацетат используются как растворители целлюлозных лаков.
Винилацетат используется для производства поливинилацетатных смол, клеев и красок.
Сложные эфиры на основе низших спиртов и кислот используют в пищевой промышленности при создании фруктовых эссенций, а сложные эфиры на основе ароматических спиртов – в парфюмерной промышленности(изготовление мыла, духов, кремов) .
Сложные эфиры применяются для производства пластмасс, резины в качестве пластификаторов.
Из восков изготавливают политуры, смазки, пропиточные составы для бумаги (вощеная бумага) и кожи, они входят и в состав косметических кремов и лекарственных мазей.
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.
Отдельно стоит упомянуть, про биологическую роль жиров.
Жиры нам необходимы, точно так же, как белки и углеводы: они источник энергии и носители незаменимых веществ. Если организм лишить их, замедлится развитие организма в целом, будет угнетена репродуктивная функция, начнутся проблемы со здоровьем. У детей жиры и вовсе служат главным строительным материалом для развивающегося мозга. Наконец, целый ряд необходимых витаминов растворяется только в жирах и без них не усваивается организмом. Жиры выполняют различные функции:
– строительная (входят в состав клеточных мембран).
– энергетическая (1 г жира при окислении дает 9 ккал энергии).
– защитная (теплорегуляционная, механическая защита органов).
– запасная (запас энергии и воды).
– регулирующая (обмен веществ в организме).
Вот собственно и все, что нужно знать о сложных эфирах.
Так же рекомендую к прочтению:
Альдегиды и Кетоны.
Карбоновые кислоты.
То, что нужно знать о Спиртах.
Фенолы.
Удачи вам, в изучение химии и на сдачи экзаменов! До новых встреч!
Источник
Определение
Сложные эфиры – производные кислот (карбоновых или минеральных, одноосновных или многоосновных), в которых атомы водорода гидроксильных групп -ОН замещены на углеводородные радикалы R.
Сложные эфиры карбоновых кислот обычно рассматривают как продукты реакции между кислотой и спиртом (реакция этерификации)
Общая формула сложных эфиров карбоновых кислот R-C(O)-O-R’
Данное определение является формальным, так как механизм образования сложных эфиров карбоновых кислот намного сложнее, реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения и подробно рассмотрена в теме “Химические свойства карбоновых кислот”.
Прилагательное «сложные» в названии эфиров помогает отличить их от соединений, именуемых простыми эфирами, являющимися производными спиртов.
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
Номенклатура сложных эфиров
Существует несколько вариантов названий сложных эфиров, при этом могут использоваться как систематические, так и тривиальные названия радикалов и кислот.
1. Сокращенный вариант (по аналогии с названием солей). В соответствии с систематической номенклатурой, название сложного эфира образуется следующим образом: первым указывается название радикала R, присоединенного к кислоте, затем – название кислоты (корень слова) с суффиксом «оат» (по аналогии с суффиксом “ат” в названиях неорганических солей: карбонат натрия, нитрат хрома). Например, этилпропаноат, метилэтаноат.
По сокращенному варианту может быть образовано и тривиальное название: к названию радикала R добавляется тривиальное название остатка кислоты (используется суффикс “ат”):
формиат – эфир мураьвиной кислоты ($HCOOR$),
ацетат – эфир уксусной кислоты ($CH_3COOR$)
бутират – эфир масляной (бутановой) кислоты ($CH_3CH_2CH_2COOR$).
2. Полный вариант. К названию радикала R (по систематической номенклатуре) добавляется суффикс «овый», затем вставляется слово “эфир” и указывается название кислоты, например, этиловый эфир этановой кислоты или этиловый эфир уксусной кислоты. Название сложного эфира бутилпропионат в полном варианте будет выглядеть следующим образом: бутиловый эфир пропановой (пропионовой) кислоты.
Таким образом, возможно четыре варианта названия одного и того же эфира:
Изомерия сложных эфиров одноосновных карбоновых кислот
Для сложных эфиров карбоновых кислот характерны следующие виды изомерии:
1. Изомерия углеродной цепи (углеродного скелета) начинается по кислотному остатку с бутановой кислоты, по спиртовому остатку — с пропилового спирта, например, этилбутирату изомерны этилизобутират, пропилацетат и изопропилацетат.
2. Изомерия положения сложноэфирной группировки —С(О)—О—. Этот вид изомерии начинается со сложных эфиров, в молекулах которых содержится не менее 4 атомов углерода, например этилацетат и метилпропионат.
3. Межклассовая изомерия с карбоновыми кислотами, например, изомером метилацетата является пропановая кислота:
$CH_3COOCH_3$ метилацетат и $CH_3-CH_2COOH$ пропановая кислота. Общая формула $C_3H_6O_2$.
Для сложных эфиров, содержащих непредельную кислоту или непредельный спирт, возможны еще два вида изомерии: изомерия положения кратной связи и геометрическая (цис-, транс-) изомерия.
Физические свойства сложных эфиров карбоновых кислот
Сложные эфиры низших карбоновых кислот и простейших спиртов – бесцветные летучие жидкости, часто с приятным фруктовым запахом; сложные эфиры высших карбоновых кислот – твердые бесцветные воскообразные вещества, практически лишенные запаха, их температура плавления зависит как от длин углеродных цепей ацильного и спиртового остатков, так и от их структуры.
Сложные эфиры труднее растворимы в воде, чем образующие их спирты и кислоты. Так, этиловый спирт и уксусная кислота смешиваются с водой во всех отношениях, тогда как этилацетат трудно растворим в воде. При растворении в воде образуют два несмешивающихся слоя (две фазы), при этом эфир имеет меньшую плотность и находится сверху. Это позволяет использовать сложные эфиры в аналитической химии как экстрагенты при экстракции различных веществ (например, изотопов) из водных растворов. Сложные эфиры плохо растворимы в воде, но хорошо – в органических растворителях (спирте, ацетоне и др.).
Химические свойства сложных эфиров карбоновых кислот
1. Гидролиз (омыление) сложных эфиров – основное химическое свойство. Гидролиз протекает с расщеплением сложных эфиров под действием воды. Эта обратная реакция для реакции этерификации. Реакция протекает как в кислой (катализаторы реакции – протоны Н+), так и в щелочной среде (катализаторы реакции – гидроксид-ионы ОН –).
В присутствии щелочи реакция необратима, т.к. происходит омыление – образование солей карбоновых кислот.
Определение
Щелочной гидролиз сложных эфиров, при котором происходит образование солей карбоновых кислот, называют омылением.
При гидролизе сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот образуются мыла (подродно см. тему “Мыла”). В растворах разбавленных минеральных кислот соли карбоновых кислот превращаются в исходную карбоновую кислоту. Скорость гидролиза эфиров возрастает также при нагревании и в случае применения избытка воды.
2. Реакция восстановления. При восстановлении водородом сложных эфиров образуется смесь двух спиртов:
3. Взаимодействие с аммиаком. При взаимодействии сложных эфиров с аммиаком образуется амид соответствующей кислоты и спирт:
Сложные эфиры карбоновых кислот в природе
Сложные эфиры входят в состав эфирных масел многих растений и фруктов, придавая им специфический приятный запах:
В значительных количествах сложные эфиры представлены в природе восками. Основа природных восков – эфиры высших одноосновных кислот и высших одноатомных спиртов. Например, пчелиный воск содержит сложный эфир пальмитиновой кислоты и мирицилового спирта (мирицилпальмитат):
$CH_3(CH_2)_{14}-C(O)-O-C_{31}H_{63}$
Сложные эфиры на основе низших спиртов и кислот используют в пищевой промышленности при создании фруктовых эссенций, а сложные эфиры на основе ароматических спиртов – в парфюмерной промышленности.
Многие сложные эфиры используются в качестве растворителей, например этилацетат, который используется в качестве растворителя лаков и красок, в органическом синтезе, а также при изготовлении лекарственных средств.
Сложные эфиры непредельных спиртов используются для изготовления лаков и красок, так как вступают в реакции присоединения по двойной связи и образуют полимеры. Например, винилацетат – сложный эфир уксусной кислоты и винилового спирта $CH_3-C(O)-O-CH=CH_2$ при полимеризации образует поливинилацетат, который используется для изготовления кожезаменителя, его еще называют винилкожей или дермантином.
Методы получения сложных эфиров карбоновых кислот
1. Реакция этерификации
Сложные эфиры могут быть получены при непосредственном взаимодействии кислоты и спирта, подробно механизм реакции см. тему “Химические свойства карбоновых кислот”. Для органических кислот реакция протекает очень медленно, причем, скорость образования эфира зависит от строения исходных кислот и спирта. Скорость этерификации увеличивается при нагревании и, особенно, в присутствии минеральных кислот благодаря каталитическому действию ионов водорода. Чаще всего, в качестве катализатора применяют концентрированную серную кислоту (В.В. Марковников, 1873г.), которая одновременно является водоотнимающим средством, поэтому связывает образующуюся воду и делает реакцию необратимой. Соотношение всех реагирующих веществ в момент равновесия зависит от строения кислоты и спирта, а также от склонности сложного эфира к гидролизу.
Чтобы увеличить количество образующегося эфира, то есть сместить равновесие реакции этерификации вправо, одно из реагирующих веществ (то, которое доступнее) берут в избытке (в соответствии с законом действия масс). При избытке спирта в реакцию может вступить практически вся кислота, при избытке кислоты – весь спирт.
Другой способ увеличения выхода сложного эфира заключается в постоянном выведении из реакции одного из образующихся веществ – эфира или воды. Вода связывается кислотой, а эфир отгоняется и конденсируется с помощью обратного холодильника или емкости со снегом или холодной водой.
2. Получение из солей кислот и галогенпроизводных
Сложные эфиры могут быть получены из солей кислот при действии на них галогенпроизводных. Например, из ацетата серебра и хлористого этила можно получить этилацетат:
$CH_3C(O)OAg + CH_3-CH_2Cl longrightarrow CH_3C(O)-O-CH_2CH_3 +AgCldownarrow$
Данная реакция необратима и эфир получается с хорошим выходом. В этом заключается преимущество метода перед методом этерификации.
3. Получение из хлорангидридов кислот и алкоголятов
Метод аналогичен предыдущему:
$CH_3C(O)Cl + CH_3-CH_2-ONa longrightarrow CH_3C(O)-O-CH_2CH_3 +NaCl$
4. Получение из ангидридов кислот
При действии спиртов на ангидриды кислот также достигаются хорошие выходы сложных эфиров:
$(CH_3CO)2O +CH_3OH longrightarrow CH_3C(O)O-CH_3 +CH_3C(O)OH$
Источник