Сложные эфиры – самая многочисленная группа химических соединений в природе. К этой группе относятся, среди прочего, жиры, воски и эфирные масла. Разнообразные физико-химические свойства сложных эфиров определяют их широкий спектр применения. Они входят в состав парфюмерии, косметики или ароматических эссенций. Они являются хорошими растворителями для красок и лаков. Кроме того, они используются в пищевой промышленности, для производства моющих средств, взрывчатых веществ и других промышленных применений.
Сложные эфиры — общая информация
Сложные эфиры составляют одну из наиболее важных групп соединений в органической химии. В основном это продукты реакции карбоновых кислот (но также и неорганических кислот) со спиртами. Общая формула сложных эфиров – R1COOR2 (где R обозначает алкильную группу). Названия сложных эфиров образуются от названий соответствующих кислот, из которых они получены, или названий кислотных остатков и радикалов, входящих в состав сложного эфира, например этиловый эфир муравьиной кислоты или этилформиат. Их отличительной чертой являются запахи, часто описываемые как фруктовые.
Сложные эфиры получают в результате реакции этерификации. В ней участвуют монокарбоновые кислоты (имеющие в молекуле только одну группу -СООН), в которых атом водорода замещен алкильным радикалом. Сложные эфиры также подвергаются реакциям гидролиза, т.е. распаду под действием молекул воды, в результате чего восстанавливаются карбоновая кислота и спирт. Гидролиз сложных эфиров происходит относительно легко, и, введя в систему ионы водорода или гидроксида, он может быть ускорен. Другой характерной реакцией является омыление сложных эфиров. Обработкой гидроксидом натрия получают натриевую соль кислоты и соответствующий спирт. Полученные таким образом соли высших карбоновых кислот в химии называют мылами.
Реакция этерификации
Реакция между карбоновыми (или неорганическими) кислотами и спиртами называется этерификацией. В результате этого процесса образуется соответствующий сложный эфир, а атом водорода из карбоксильной группы и гидроксильной группы объединяются, образуя молекулу воды. Реакция низкотемпературной этерификации протекает очень медленно и никогда не завершается даже по прошествии длительного времени. После взаимодействия значительного количества кислоты и спирта устанавливается равновесное состояние (скорость образования продуктов равна скорости их распада и обратного превращения в молекулы субстрата). Таким образом, это обратимый процесс. Скорость, с которой эта реакция достигает состояния химического равновесия, зависит прежде всего от силы участвующей в ней кислоты, а также от температуры всего процесса. Катализатором этерификации часто является серная кислота (VI). Она является донором ионов водорода и связующим агентом для образующейся воды. Таким образом, можно сместить состояние химического равновесия в пользу образования продуктов.
Свойства сложных эфиров
Физико-химические свойства сложных эфиров органических кислот:
- Сложные эфиры низших карбоновых кислот являются высоколетучими жидкостями. Они характеризуются низкой растворимостью в воде и меньшей плотностью.
- Температуры кипения сложных эфиров ниже по сравнению с другими органическими соединениями из-за отсутствия водородных связей между молекулами. Исключение составляют эфиры с короткой цепью, например этилацетат, который благодаря водородным связям хорошо растворяется в воде.
- По мере роста углеродной цепи в молекулах сложного эфира их плотность и температура кипения увеличиваются, а их физическое состояние меняется с маслянистых жидкостей на твердые вещества.
- Все сложные эфиры бесцветны.
- Подавляющее большинство сложных эфиров имеют характерный фруктовый запах, например, этилацетат имеет запах груши, а 3-метил-бутилацетат — банана. Соединения, полученные из высших карбоновых кислот, не имеют запаха.
- Сложные эфиры являются хорошими растворителями для широкого спектра органических соединений.
Сложные эфиры неорганических кислот
Реакция этерификации неорганических кислот со спиртами приводит к образованию неорганических сложных эфиров.
Сложные эфиры бескислородных кислот
Бескислородные кислоты, такие как соляная кислота (HCl) или бромистоводородная кислота (HBr), реагируют со спиртами, например этанолом, в результате чего образуются соответствующие молекулы сложных эфиров (этилхлорид, этилбромид) и молекула воды. Реакция протекает в сторону образования продуктов, что обусловлено высокой летучестью эфиров бескислотныых кислот (быстро испаряются из реакционной среды).
Сложные эфиры серной кислоты
Большое значение в химии имеют сложные эфиры серной кислоты (VI). Концентрированная кислота используется для реакции этерификации. Простейшим из этой группы соединений является метиловый эфир серной кислоты. Легко подвергается гидролизу, а также реакциям со щелочами. Дистилляция этого соединения при пониженном давлении приводит к получению сильно ядовитого диметилового эфира серной кислоты. Сложные эфиры H2SO4 и высших спиртов нашли применение в качестве поверхностно-активных веществ.
Сложные эфиры азотной кислоты
Эти соединения уникальны, прежде всего, из-за своих взрывчатых свойств. Глицеринтринитрат, или популярный нитроглицерин, получают путем реакции глицерина (полигидроксильного спирта) со смесью азотной и серной кислот. Это бесцветная маслянистая жидкость. Взрывается даже под воздействием слабого толчка или удара. Смесь нитроглицерина и кизельгура – это динамит. С другой стороны, этил и амилнитрит нашли применение в медицине.
Жиры
Большое практическое значение в химии имеют жиры. С химической точки зрения это сложные эфиры (природного происхождения). Они образуются в результате реакции глицерина (полигидроксильного спирта, содержащего три гидроксильные группы в молекуле) с высшими жирными кислотами. Сложные эфиры часто также называют глицеридами. Их химический состав разнообразен. В природе существуют однородные глицериды, т. е. такие, в которых все три гидроксильные группы этерифицированы одной и той же кислотой, или смешанные, где кислотные остатки происходят от двух, а иногда и трех жирных кислот. В состав жиров входят насыщенные кислоты (например, пальмитиновая и стеариновая кислоты) и ненасыщенные (например, олеиновая кислота).
Принято разделять животные и растительные жиры.
Животные жиры состоят из остатков насыщенных кислот, поэтому они принимают форму твердых веществ. В эту группу входят жир, рыбий жир (исключение: жидкое состояние), сало, сливочное масло и другие.
Растительные жиры, напротив, содержат в своих молекулах остатки ненасыщенных кислот, поэтому они обычно являются жидкостями. Примерами растительных жиров являются оливковое масло, рапсовое масло, льняное масло и т. д.
Жиры, как и сложные эфиры, подвергаются гидролизу. Под воздействием света, влаги, бактерий и ферментов они подвергаются процессу прогоркания. Они не растворяются в воде, но очень хорошо растворяются в органических растворителях. Жидкие жиры высших ненасыщенных кислот могут быть превращены в насыщенные за счет затвердевания жиров. Это реакция гидрирования, протекающая в присутствии никеля в качестве катализатора. Глицериды также подвергаются гидролизу, в результате чего они распадаются на глицерин и соответствующие жирные кислоты.