О чём этот урок

В прошлом уроке мы мельком увидели, что кислота и спирт могут вступать в реакцию друг с другом. Сейчас разберём эту реакцию подробно — и увидите, что именно она лежит в основе одного из самых важных классов природных веществ: жиров. Заодно узнаем, откуда берётся мыло и почему растительное масло можно превратить в твёрдый маргарин.

Прежде чем начать

Вам понадобятся понятия из предыдущих уроков этого курса:

• строение и свойства спиртов, в том числе многоатомных (урок 13) — вспомните глицерин $C_3H_5(OH)_3$;
• строение карбоксильной группы и реакция этерификации в общих чертах (урок 16);
• представление о предельных и непредельных углеводородных радикалах (уроки 7–8) и о реакции гидрирования алкенов (урок 8).

Разбираемся с нуля

Сложноэфирная группа и реакция этерификации

В прошлом уроке мы записали реакцию кислоты со спиртом одной строкой. Присмотримся к ней внимательнее:

$$R-COOH + R'-OH \underset{H^+}{\overset{t}{\rightleftharpoons}} R-COO-R' + H_2O$$

Группу $-COO-$, которая образуется в продукте, называют сложноэфирной группой, а сам продукт — сложным эфиром. Обратите внимание на механизм на уровне «откуда какой атом»: гидроксильная группа кислоты и атом водорода спиртовой группы объединяются в молекулу воды, а оставшиеся части кислоты и спирта соединяются друг с другом через атом кислорода.

Реакция называется этерификацией. Три её важных свойства:

• она обратима — одновременно с образованием эфира идёт и его распад обратно на кислоту и спирт;
• она идёт при нагревании;
• ей нужен катализатор — ион водорода (обычно добавляют концентрированную серную кислоту).

Номенклатура сложных эфиров

Название сложного эфира складывается из двух частей: сначала называют кислотный остаток (с суффиксом -ат), затем — радикал спирта. Например, эфир уксусной кислоты и этанола называется этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты):

$$CH_3COOC_2H_5 \quad \text{— этилацетат}$$

Гидролиз сложных эфиров и омыление

Раз реакция этерификации обратима, у неё есть обратный процесс — гидролиз сложного эфира, то есть его расщепление водой обратно на кислоту и спирт:

$$R-COO-R' + H_2O \rightleftharpoons R-COOH + R'-OH$$

В кислой среде эта реакция, как и прямая, — равновесная. А вот если гидролиз проводить в присутствии щёлочи, равновесие исчезает: щёлочь сразу связывает образующуюся кислоту в соль, и реакция идёт необратимо до конца. Такой щелочной гидролиз сложного эфира называют омылением — этот термин пригодится буквально через пару разделов, когда мы дойдём до мыла.

Важно: запомните пару терминов чётко. Этерификация — образование эфира из кислоты и спирта. Гидролиз — обратный распад эфира водой. Омыление — частный случай гидролиза сложного эфира в щелочной среде, идущий необратимо.

Жиры — сложные эфиры глицерина

Теперь соединим два факта, которые вы уже знаете: глицерин (урок 13) — это трёхатомный спирт с тремя группами $-OH$, а высшие карбоновые кислоты вроде стеариновой и олеиновой (урок 16) — одноосновные кислоты с длинным углеводородным радикалом.

Если глицерин прореагирует сразу тремя своими гидроксильными группами с тремя молекулами высшей карбоновой кислоты (этерификация трижды подряд), получится молекула с тремя сложноэфирными группами — триглицерид, или, проще говоря, жир:

$$C_3H_5(OH)_3 + 3\,C_{17}H_{35}COOH \rightarrow C_3H_5(OOC-C_{17}H_{35})_3 + 3H_2O$$

Именно так устроены все природные жиры: это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Три «хвоста» кислот у одного жира не обязаны быть одинаковыми — чаще это смесь остатков разных кислот.

Твёрдые и жидкие жиры: роль насыщенности

Вспомните из уроков 7–8: предельные углеводородные радикалы — прямые и гибкие, а непредельные (с двойными связями) — имеют характерный «излом» в цепи в месте двойной связи.

• Если жир построен преимущественно из предельных кислот (например, стеариновой) — его молекулы упаковываются плотно, и при комнатной температуре такой жир твёрдый. Это типично для животных жиров.
• Если жир построен преимущественно из непредельных кислот (например, олеиновой) — «изломы» на радикалах мешают плотной упаковке, и при комнатной температуре такой жир жидкий. Это типично для растительных масел.

Гидрирование жидких жиров

Из урока 8 вы знаете реакцию гидрирования алкенов — присоединения водорода по двойной связи в присутствии катализатора. Точно та же реакция применима и к непредельным кислотным остаткам в составе жидкого масла:

$$-CH=CH- + H_2 \xrightarrow{\text{кат.}} -CH_2-CH_2-$$

Двойные связи в остатках непредельных кислот насыщаются водородом, радикалы «выпрямляются», и жидкое масло превращается в твёрдый жир. Это и есть промышленный процесс получения саломаса (основа маргарина) из растительных масел.

Мыла — соли высших карбоновых кислот

Вернёмся к омылению. Если жир (сложный эфир глицерина и высших кислот) прогреть со щёлочью, произойдёт щелочной гидролиз сразу по всем трём сложноэфирным связям:

$$C_3H_5(OOC-C_{17}H_{35})_3 + 3NaOH \rightarrow C_3H_5(OH)_3 + 3\,C_{17}H_{35}COONa$$

Продукты — глицерин и соли высших карбоновых кислот. Именно эти соли и есть мыла. Название реакции — «омыление» — теперь получает буквальный смысл: щелочной гидролиз жира в буквальном смысле даёт мыло.

Важно: мыло — это не сама кислота и не сам жир, а соль высшей карбоновой кислоты (обычно натриевая или калиевая). Моющее действие мыла объясняется строением такой соли: длинный углеводородный «хвост» не любит воду, а заряженная карбоксилатная «голова» — любит, за счёт чего молекула мыла способна «упаковывать» капли жира в воде.

Практическое и биологическое значение жиров

Жиры — не только сырьё для мыловарения. В живых организмах они выполняют роль главного «энергетического депо»: при окислении жиров высвобождается заметно больше энергии на грамм вещества, чем при окислении углеводов. Кроме того, жировая ткань защищает органы и участвует в теплоизоляции. В промышленности жиры и масла — сырьё для маргарина, мыла, косметики и биотоплива.

Примеры и разбор

Пример 1. Составление уравнения этерификации

Задача: Напишите уравнение реакции между пропановой кислотой и метанолом, назовите продукт.

Разбор: Гидроксил кислоты и водород спиртовой группы образуют воду, оставшиеся части соединяются через кислород:

$$C_2H_5COOH + CH_3OH \underset{H^+}{\overset{t}{\rightleftharpoons}} C_2H_5COOCH_3 + H_2O$$

Продукт — метилпропионат (метиловый эфир пропановой кислоты).

Вывод: название эфира всегда складывается из «радикал спирта + кислотный остаток на -ат».

Пример 2. Почему масло жидкое, а сало твёрдое

Задача: Объясните на уровне строения молекул, почему подсолнечное масло при комнатной температуре жидкое, а говяжий жир — твёрдый.

Разбор: Подсолнечное масло построено в основном из остатков непредельных кислот (например, олеиновой, линолевой) — двойные связи создают изломы в цепях, молекулы плохо упаковываются, и вещество остаётся жидким. Говяжий жир построен преимущественно из остатков предельных кислот (стеариновой, пальмитиновой) — прямые гибкие цепи упаковываются плотно, вещество твёрдое при комнатной температуре.

Вывод: твёрдость или жидкость жира определяется не природой спирта (глицерин один и тот же), а степенью насыщенности кислотных остатков.

Пример 3. Продукты омыления

Задача: Какие вещества образуются при кипячении жира $C_3H_5(OOC-C_{17}H_{33})_3$ с раствором гидроксида калия? Как называется эта реакция?

Разбор: Это щелочной гидролиз сложноэфирных связей — омыление. По каждой из трёх связей жир распадается на остаток глицерина и соль кислоты со щёлочью:

$$C_3H_5(OOC-C_{17}H_{33})_3 + 3KOH \rightarrow C_3H_5(OH)_3 + 3\,C_{17}H_{33}COOK$$

Вывод: продукты омыления — глицерин и калиевая соль олеиновой кислоты (жидкое, «мягкое» калиевое мыло).

Проверьте себя

1. Из каких двух классов веществ образуется сложный эфир и какая маленькая молекула отщепляется при этом?
2. Чем гидролиз сложного эфира отличается от омыления?
3. Почему жир называют триглицеридом? Что означает приставка «три-» в этом контексте?
4. Почему растительные масла обычно жидкие, а животные жиры — твёрдые?
5. Какая реакция используется для превращения жидкого масла в твёрдый жир и с какой реакцией из курса углеводородов она напрямую связана?
6. Что такое мыло с точки зрения химического строения?
7. Напишите общее уравнение омыления произвольного жира щёлочью в буквенном виде.
8. Почему реакция этерификации требует катализатора и является обратимой?

Коротко о главном

• Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом с образованием сложного эфира и воды; катализатор — кислота (обычно $H_2SO_4$), реакция идёт при нагревании.
• Гидролиз сложного эфира — обратный процесс, распад на кислоту и спирт под действием воды.
• Омыление — щелочной гидролиз сложного эфира, идущий необратимо до конца; название исторически связано с получением мыла.
• Жиры — сложные эфиры глицерина (трёхатомного спирта) и высших карбоновых кислот (предельных и непредельных), то есть триглицериды.
• Твёрдость жира определяется насыщенностью кислотных остатков: предельные кислоты дают твёрдые жиры, непредельные — жидкие масла.
• Гидрирование непредельных остатков в масле (та же реакция, что и для алкенов) превращает жидкое масло в твёрдый жир.
• Мыла — соли высших карбоновых кислот, получаются при омылении жиров щёлочью; строение молекулы мыла объясняет его моющее действие.
• Жиры — важнейший источник энергии в организме и сырьё для многих отраслей промышленности.

Куда дальше

Мы разобрали, как из карбоновой кислоты и спирта получается сложный эфир. В следующем уроке появится вещество совсем другого рода — глюкоза, в молекуле которой одновременно «уживаются» сразу несколько уже знакомых вам функциональных групп. Разберём углеводы — от простейшей глюкозы до крахмала и целлюлозы.

➡ Урок 18: Углеводы: от глюкозы до крахмала и целлюлозы