Сложные эфиры и жиры

Грушевые леденцы и ананасовая жвачка пахнут сложными эфирами. Изоамиловый эфир уксусной кислоты даёт запах груши, этиловый эфир масляной кислоты — запах ананаса. В природе такие эфиры входят в аромат фруктов и цветов, а пищевые заводы синтезируют те же вещества и добавляют их в конфеты и газированные напитки. Простейший из пахучих эфиров, этилацетат, в школьной лаборатории получают за несколько минут.

Этилацетат получают прямо в пробирке

1. Учитель наливает в пробирку равные объёмы уксусной кислоты и этилового спирта.

2. Добавляет несколько капель концентрированной серной кислоты.

3. Нагревает смесь на водяной бане несколько минут, не доводя до кипения.

4. Выливает содержимое в стакан с холодным насыщенным раствором поваренной соли.

5. На поверхности собирается маслянистый слой, и в классе появляется фруктовый запах этилацетата.

Реакция называется этерификацией: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O (H₂SO₄ конц., t). Она обратима. Концентрированная серная кислота нужна здесь дважды: она ускоряет реакцию как катализатор и связывает воду, сдвигая равновесие в сторону эфира. Этилацетат легче воды и плохо в ней растворяется, поэтому собирается сверху.

Название эфира собирают из спирта и кислоты

Общая формула сложного эфира R–COO–R′, где R — радикал кислоты, R′ — радикал спирта. Названия читают двумя способами. CH₃COOC₂H₅ — этилацетат, или этиловый эфир уксусной кислоты; HCOOCH₃ — метилформиат, или метиловый эфир муравьиной кислоты. Первая часть названия идёт от спирта, вторая — от кислоты: ацетат для уксусной, формиат для муравьиной.

У предельных сложных эфиров та же общая формула C_nH_2nO₂, что и у предельных одноосновных кислот, поэтому этилацетат и масляная кислота C₃H₇COOH — межклассовые изомеры состава C₄H₈O₂.

Гидролиз эфира в щёлочи идёт до конца

Реакция, обратная этерификации, — гидролиз. В кислой среде он обратим и останавливается на равновесии. В щелочной среде кислота сразу превращается в соль, и обратной реакции нет: CH₃COOC₂H₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH (t). Щелочной гидролиз называют омылением.

Задача 1. Из 12 г уксусной кислоты и избытка этанола получили 13,2 г этилацетата. Вычисли выход эфира.

1. Уравнение: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O.

2. n(CH₃COOH) = 12 / 60 = 0,2 моль, эфира теоретически столько же.

3. M(CH₃COOC₂H₅) = 12 · 4 + 1 · 8 + 16 · 2 = 88 г/моль, теоретическая масса 0,2 · 88 = 17,6 г.

4. Выход: η = 13,2 / 17,6 = 0,75, то есть 75 %.

Ответ: 75 %.

Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот

В 1854 году Марселен Бертло нагрел глицерин с жирными кислотами и синтезировал жиры. Синтез подтвердил, из чего жир состоит. Это сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот: каждая из трёх групп OH глицерина связана с остатком кислоты, поэтому жиры и называют триглицеридами.

Твёрдые животные жиры содержат в основном остатки предельных кислот, стеариновой C₁₇H₃₅COOH и пальмитиновой C₁₅H₃₁COOH. Жидкие растительные масла построены из остатков непредельных кислот, прежде всего олеиновой C₁₇H₃₃COOH с одной двойной связью. Бывают исключения. Рыбий жир жидкий, а пальмовое масло твёрдое.

Масло можно сделать твёрдым. При гидрогенизации водород присоединяется по двойным связям, и остатки олеиновой кислоты превращаются в стеариновые: (C₁₇H₃₃COO)₃C₃H₅ + 3H₂ → (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ (t, Ni). Так получают основу маргарина. Растительные масла обесцвечивают бромную воду так же, как алкены, а тристеарин — нет.

Мыло получают омылением жира щёлочью

При кипячении жира с раствором гидроксида натрия образуются глицерин и натриевые соли высших кислот, то есть мыло: (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa. Натриевые соли дают твёрдое мыло, калиевые — жидкое.

У молекулы стеарата натрия две части. Длинный углеводородный хвост C₁₇H₃₅– растворяется в жире, а заряженная группа –COO⁻ тянется к воде, поэтому капля жира обрастает молекулами мыла и уходит с водой. Так мыло и моет.

В работах по эфирам и жирам чаще всего теряют баллы на четырёх вещах.

• ❌ Жиром называют любой сложный эфир с длинной цепью → ✅ жир — только эфир глицерина и высших карбоновых кислот.

• ❌ В жидких маслах ищут остатки стеариновой кислоты → ✅ в них преобладает непредельная олеиновая кислота C₁₇H₃₃COOH.

• ❌ Щелочной гидролиз записывают обратимым, как этерификацию → ✅ в щёлочи гидролиз идёт до конца.

• ❌ Этилацетат и бутановую кислоту не считают изомерами → ✅ формула у них одна, C₄H₈O₂.

Задача 2. Вычисли массу глицерина, который получится при омылении 89 г тристеарина (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ избытком гидроксида натрия.

1. Уравнение: (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3NaOH → C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa.

2. Молекулярная формула жира C₅₇H₁₁₀O₆, M = 12 · 57 + 1 · 110 + 16 · 6 = 890 г/моль.

3. n(жира) = 89 / 890 = 0,1 моль, глицерина по уравнению столько же.

4. M(C₃H₈O₃) = 92 г/моль, m = 0,1 · 92 = 9,2 г.

Ответ: 9,2 г глицерина.

Задача 3. Относительная плотность паров сложного эфира по водороду равна 37. Выведи молекулярную формулу, составь структурные формулы всех сложных эфиров этого состава и назови их.

1. M = 37 · 2 = 74 г/моль.

2. Для C_nH_2nO₂: 14n + 32 = 74, откуда 14n = 74 − 32 = 42 и n = 42 / 14 = 3.

3. Состав C₃H₆O₂. Сложных эфиров такого состава два: CH₃–COO–CH₃ и H–COO–CH₂–CH₃.

Ответ: C₃H₆O₂; метилацетат (метиловый эфир уксусной кислоты) и этилформиат (этиловый эфир муравьиной кислоты).