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 можно рассматривать как производные кислот, у которых атом водорода в карбоксильной группе замещен на углеводородный радикал:
Номенклатура.
Сложные эфиры называют по кислотам и спиртам, остатки которых участвуют в их образовании, например Н-СО-О-СН3 - метилформиат, или метиловый эфир муравьиной кислоты; - этилацетат, или этиловый эфир уксусной кислоты.
Способы получения.
1. Взаимодействие спиртов и кислот (реакция этерификации):
2. Взаимодействие хлорангидридов кислот и спиртов (или алкоголятов щелочных металлов):
Физические свойства.
Сложные эфиры низших кислот и спиртов - жидкости легче воды, с приятным запахом. В воде растворимы только сложные эфиры с наименьшим числом атомов углерода. В спирте и дизтиловом эфире сложные эфиры растворимы хорошо.
Химические свойства.
1. Гидролиз сложных эфиров - важнейшая реакция этой группы веществ. Гидролиз под действием воды - обратимая реакция. Для смещения равновесия вправо используются щелочи:
2. Восстановление сложных эфиров водородом приводит к образованию двух спиртов:
3. Под действием аммиака сложные эфиры превращаются в амиды кислот:
Жиры. Жиры представляют собой смеси сложных эфиров, образованных трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами. Общая формула жиров:
где R - радикалы высших жирных кислот.
Наиболее часто в состав жиров входят предельные кислоты пальмитиновая и стеариновая и непредельные кислоты олеиновая и линолевая
Получение жиров.
В настоящее время практическое значение имеет лишь получение жиров из природных источников животного или растительного происхождения.
Физические свойства.
Жиры, образованные предельными кислотами, - твердые вещества, а непредельными - жидкие. Все очень плохо растворимы в воде, хорошо растворимы в диэтиловом эфире.
Химические свойства.
1. Гидролиз, или омыление жиров происходит под действием воды (обратимо) или щелочей (необратимо):
При щелочном гидролизе образуются соли высших жирных кислот, называемые мылами.
2. Гидрогенизацией жиров называется процесс присоединения водорода к остаткам непредельных кислот, входящих в состав жиров. При этом остатки непредельных кислот переходят в остатки предельных кислот, и жиры из жидких превращаются в твердые.
Из важнейших пищевых веществ - белков, жиров и углеводов - жиры обладают наибольшим запасом энергии.
Производные карбоновых или неорганических кислот, в которых атом водорода в гидроксильной группе замещён радикалом, называются сложными эфирами. Обычно общую формулу сложных эфиров обозначают как два углеводородных радикала, присоединённых к карбоксильной группе - C n H 2n+1 -COO-C n H 2n+1 или R-COOR’.
Номенклатура
Названия сложных эфиров составляются из названий радикала и кислоты с суффиксом «-ат». Например:
- CH 3 COOH - метилформиат;
- HCOOCH 3 - этилформиат;
- CH 3 COOC 4 H 9 - бутилацетат;
- CH 3 -CH 2 -COO-C 4 H 9 - бутилпропионат;
- CH 3 -SO 4 -CH 3 - диметилсульфат.
Также используются тривиальные названия кислоты, входящей в состав соединения:
- С 3 Н 7 СООС 5 Н 11 - амиловый эфир масляной кислоты;
- HCOOCH 3 - метиловый эфир муравьиной кислоты;
- CH 3 -COO-CH 2 -CH(CH 3) 2 - изобутиловый эфир уксусной кислоты.
Рис. 1. Структурные формулы сложных эфиров с названиями.
Классификация
В зависимости от происхождения сложные эфиры делятся на две группы:
- эфиры карбоновых кислот - содержат углеводородные радикалы;
- эфиры неорганических кислот - включают остаток минеральных солей (C 2 H 5 OSO 2 OH, (CH 3 O)P(O)(OH) 2 , C 2 H 5 ONO).
Наиболее разнообразны сложные эфиры карбоновых кислот. От сложности строения зависят их физические свойства. Эфиры низших карбоновых кислот - летучие жидкости с приятным ароматом, высших - твёрдые вещества. Это плохо растворимые соединения, плавающие на поверхности воды.
Виды сложных эфиров карбоновых кислот приведены в таблице.
|
Вид |
Описание |
Примеры |
|
Фруктовые эфиры |
Жидкости, молекулы которых включают не более восьми атомов углерода. Обладают фруктовым ароматом. Состоят из одноатомных спиртов и карбоновых кислот |
|
|
Жидкие (масла) и твёрдые вещества, содержащие от девяти до 19 атомов углерода. Состоят из глицерина и остатков карбоновых (жирных) кислот |
Оливковое масло - смесь глицерина с остатками пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, линолевой кислот |
|
|
Твёрдые вещества с 15-45 атомами углерода |
CH 3 (CH 2) 14 -CO-O-(CH 2) 29 CH 3 -мирицилпальмитат |
Рис. 2. Воск.
Сложные эфиры карбоновых кислот - главная составляющая ароматных эфирных масел, которые содержатся в плодах, цветах, ягодах. Также входят в состав пчелиного воска.
Рис. 3. Эфирные масла.
Получение
Получают сложные эфиры несколькими способами:
- реакцией этерификации карбоновых кислот со спиртами:
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH → CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O;
- реакцией ангидридов карбоновых кислот со спиртами:
(CH 3 CO) 2 O + 2C 2 H 5 OH → 2CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O;
- реакцией солей карбоновых кислот с галогенуглеводородами:
CH 3 (CH 2) 10 COONa + CH 3 Cl → CH 3 (CH 2) 10 COOCH 3 + NaCl;
- реакцией присоединения карбоновых кислот к алкенам:
CH 3 COOH + CH 2 =CH 2 → CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O.
Свойства
Химические свойства сложных эфиров обусловлены функциональной группой -COOH. Основные свойства сложных эфиров описаны в таблице.
Сложные эфиры используются в косметологии, медицине, пищевой промышленности в качестве ароматизаторов, растворителей, наполнителей.
Что мы узнали?
Из темы урока химии 10 класса узнали, что такое сложные эфиры. Это соединения, включающие два радикала и карбоксильную группу. В зависимости от происхождения могут содержать остатки минеральных или карбоновых кислот. Сложные эфиры карбоновых кислот делятся на три группы: жиры, воски, фруктовые эфиры. Это плохо растворимые в воде вещества с небольшой плотностью и приятным ароматом. Сложные эфиры реагируют со щелочами, водой, галогенами, спиртами и аммиаком.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 88.
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
Рис. 2. НАЗВАНИЯ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ . 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 (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 6–8, 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 |
При увеличении размеров органических групп, входящих в состав сложных эфиров, до С 15–30 соединения приобретают консистенцию пластичных, легко размягчающихся веществ. Эту группу называют восками, они, как правило, не обладают запахом. Пчелиный воск содержит смесь различных сложных эфиров, один из компонентов воска, который удалось выделить и определить его состав, представляет собой мирициловый эфир пальмитиновой кислоты С 15 Н 31 СООС 31 Н 63 . Китайский воск (продукт выделения кошенили – насекомых Восточной Азии) содержит цериловый эфир церотиновой кислоты С 25 Н 51 СООС 26 Н 53 . Кроме того, воски содержат и свободные карбоновые кислоты и спирты, включающие большие органические группы. Воски не смачиваются водой, растворимы в бензине, хлороформе, бензоле.
Третья группа – жиры. В отличие от предыдущих двух групп на основе одноатомных спиртов ROH, все жиры представляют собой сложные эфиры, образованные из трехатомного спирта глицерина НОСН 2 –СН(ОН)–СН 2 ОН. Карбоновые кислоты, входящие в состав жиров, как правило, имеют углеводородную цепь с 9–19 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 1–8) – 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 15–19) 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
Сложные эфиры термически нестабильны: при нагревании до 200 – 250 о С они разлагаются на гораздо более стабильные карбоновые кислоты и алкены , например:
Если у первого атома углерода спиртовой части сложного эфира имеется разветвление, то получаются два разных алкена, причём каждый из них может получаться в виде двух цис- и транс - изомеров:
Сложные эфиры могут гидролизоваться в кислой, нейтральной и щелочной средах. В реакция обратима и скорость её зависит от концентрации добавленной сильной кислоты. Кинетические кривые, то есть кривые в координатах время – концентрация представляют собой нисходящую экспоненту для сложного эфира и одинаковые восходящие экспоненты для спирта и карбоновой кислоты. Ниже представлен график для реакции гидролиза в общем виде:
Если кислоту не добавлять, то наблюдается автокаталитический процесс: гидролиз сначала идёт очень медленно, но при этом образуется карбоновая кислота – катализатор и процесс ускоряется, а через некоторое время скорость его опять падает и концентрация сложного эфира доходит до равновесной. Эта равновесная концентрация при прочих равных условиях ничем не отличается от той равновесной концентрации, которая получается при катализе сильными кислотами. Однако время для достижения полупревращения (t 1/2 ) значительно больше:
Под действием щелочей сложные эфиры так же «гидролизуются», но здесь щёлочь не катализатор, а реагент:
Сложные эфиры вступают в реакцию переэтерификации как со спиртами, так и с кислотами:
Для того чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования целевого сложного эфира спирт - исходный реагент берут в большом избытке. При переэтерификации кислотой берут в большом избытке её.
Сложные эфиры вступают в реакцию с аммиаком и аминами . Равновесие в этих реакциях очень сильно сдвинуто в сторону образования амидов и алкиламидов кислот: избыток аммиака или амина не нужен (!!!)
Сложные эфиры могут быть окислены сильными окислителями в кислой среде. По-видимому, сначала проходит гидролиз и фактически окисляется только образовавшийся при этом спирт. Например:
Сложные эфиры могут быть восстановлены до спиртов металлическим натрием в среде какого-либо спирта. Реакция была предложена в 1903 году и подробно изучена в 1906 году французскими химиками Буво и Бланом и носит их имя. Например:
В две стадии сложные эфиры могут быть восстановлены до спиртов с помощью комплексных гидридов металлов. На первой стадии в случае использования тетрагидридобората натрия получаются эфир борной кислоты и алкоголят натрия, на второй они гидролизуются до спиртов:
В случае применения тетрагидридоалюмината лития на первой стадии получаются алкоголяты алюминия и лития, а на второй они так же гидролизуются до спиртов:
| Название темы или раздела темы | № стр. |
| Сложные эфиры. Определение. | |
| Классификация сложных эфиров | |
| Номенклатура сложных эфиров | |
| Изомерия сложных эфиров | |
| Межфункциональные изомеры сложных эфиров | |
| Электронное и пространственное строение сложных эфиров на примере метилацетата | |
| Способы получения сложных эфиров | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия карбоновых кислот с алкенами. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия карбоновых кислот с алкинами. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия алкинов, угарного газа и спиртов. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия карбоновых кислот и спиртов – реакция этерификации. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия хлор(галоген) ангидридов карбоновых кислот и спиртов. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия галогенангидридов с алкоголятами. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия ангидридов карбоновых кислот и спиртов. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия ангидридов карбоновых кислот с алкоголятами | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия ангидридов и галогенангидридов карбоновых кислот с фенолами. | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия ангидридов и галогенангидридов карбоновых кислот с фенолятами (нафтолятами). | |
| Получение сложных эфиров путём взаимодействия солей карбоновых кислот и галоидных алкилов | |
| Получение сложных эфиров из других сложных эфиров путём реакций переэтерификации кислотой | |
| Получение сложных эфиров из других сложных эфиров путём реакций переэтерификации спиртом. | |
| Получение сложных эфиров из простых эфиров путём взаимодействия их с угарным газом | |
| Физические свойства, применение и медико-биологическое значение сложных эфиров | |
| Физические свойства сложных эфиров | |
| Отношениесложных эфиров к свету | |
| Агрегатное состояниесложных эфиров | |
| Зависимость температур плавления и кипения сложных эфиров от числа атомов углерода в них и от строения. Таблица № 1 | |
| Зависимость температур кипения сложных эфиров от строения радикала их спиртовой части. Таблица № 2 | |
| Растворимость и растворяющая способностьсложных эфиров | |
| Растворимость сложных эфиров в воде, этаноле и диэтиловом эфире при 20 о С. Таблица № 3 | |
| Растворяющая способностьсложных эфиров по отношению к лакам и краскам, а так же к неорганическим солям | |
| Запах сложных эфиров. | |
| Запах сложных эфиров, их применение, нахождение в природе и токсические свойства. Таблица № 4 | |
| Медико-биологическое значение сложных эфиров | |
| Формулы сложных эфиров – лекарственныхи биологически активных препаратов | |
| Химические свойства сложных эфиров | |
| Термическое разложение сложных эфиров на карбоновые кислоты и алкены | |
| Гидролизсложных эфиров в кислой среде. Кинетические кривые. | |
| Гидролизсложных эфиров в воде. Кинетические кривые автокатализа. | |
| Реакция сложных эфиров со щелочами. Кинетические кривые. | |
| Реакция переэтерификациисложных эфиров спиртами и кислотами. | |
| Реакция сложных эфиров с аммиаком и аминами – получение амидов кислот. | |
| Реакция окислениясложных эфировсильными окислителями в кислой среде. | |
| Реакция восстановлениясложных эфировдо спиртов по Буво и Блану | |
| Реакция восстановлениясложных эфировдо спиртовс помощьюкомплексных гидридов металлов | |
| Содержание |
