Глава 30. Сложные эфиры. Жиры

 

Номенклатура и изомерия

Среди функциональных производных карбоновых кислот особое место занимают сложные эфиры – соединения, представляющие карбоновые кислоты, у которых атом водорода в карбоксильной группе заменен углеводородным радикалом. Общая формула сложных эфиров

Молекула сложного эфира состоит из остатка кисло­ты (1) и остатка спирта (2).

Названия сложных эфиров произ­водят от названия углеводородного радикала и названия кислоты, в котором вместо окончания «-овая кислота» используют суффикс «ат», например:

Часто сложные эфиры называют по тем остаткам кислот и спир­тов, из которых они состоят. Так, рассмотренные выше сложные эфиры могут быть названы: уксусноэтиловый эфир, кротоновометиловый эфир.

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 сосложных эфиров, в молекулах ко­торых содержится не менее 4 атомов углерода, например:

3. Межклассовая изомерия, например:

Для сложных эфиров, содержащих непредельную кислоту или непредельный спирт, возможны еще два вида изомерии: изомерия положения кратной связи и цис-транс- изомерия.

Физические свойства

Сложные эфиры низ­ших карбоновых кислот и спиртов представляют собой летучие, ма­лорастворимые или практически нерастворимые в воде жидкости. Многие из них имеют приятный запах. Так, например, HCOOC₂H₅ – запах рома, HCOOC₅H₁₁ – вишни, HCOOC₅H₁₁-изо – сливы, СН₃СООС₅Н₁₁-изо – груши, С₃Н₇СООС₂Н₅ – абрикоса, С₃Н₇СООС₄Н₉ – ананаса, С₄Н₉СООС₅Н₁₁ – яблок и т.д

Сложные эфиры имеют, как правило, более низкую температуру кипения, чем соответствующие им кислоты. Например, стеариновая кислота кипит при 232 °С, а метилстеарат – при 215°С. Объясняется это тем, что между молеку­лами сложных эфиров отсутствуют водородные связи.

Сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов – воскооб­разные вещества, не имеют запаха, в воде не растворимы, хорошо растворимы в органических растворителях. Например, пчелиный воск представляет собой в основном мирицилпальмитат (С₁₅Н₃₁COOC₃₁Н₆₃)

Химические свойства

1. Реакция гидролиза или омыления.

Реакция этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот будет проте­кать обратная реакция, называемая гидролизом, в результате кото­рой образуются исходные жирные кислоты и спирт:

Реакция гидролиза ускоряется под действием щелочей; в этом случае гидролиз необратим:

так как получающаяся карбоновая кислота со щелочью образует соль:

2. Реакция присоединения.

Сложные эфиры, имеющие в своем составе непредельную кисло­ту или спирт, способны к реакциям присоединения. Например, при каталитическом гидрировании они присоединяют водород.

3. Реакция восстановления.

Восстановление сложных эфиров водородом приводит к образо­ванию двух спиртов:

4. Реакция образования амидов.

Под действием аммиака сложные эфиры превращаются в амиды кислот и спирты:

Механизм протекания реакции этерификации. Рассмотрим в качестве примера получение этилового эфи­ра бензойной кислоты:

Каталитическое действие серной кислоты состоит в том, что она активирует молекулу карбоновой кислоты. Бензойная кислота протонируется по атому кислорода карбонильной группы (атом ки­слорода имеет неподеленную пару электронов, за счет которой при­соединяется протон). Протонирование приводит к превращению частичного положительного заряда на атоме углерода карбоксиль­ной группы в полный, к увеличению его электрофильности. Резо­нансные структуры (в квадратных скобках) показывают делокализацию положительного заряда в образовавшемся катионе. Молекула спирта за счет своей неподеленной пары электронов присоединяется к активированной молекуле кислоты. Протон от остатка спирта пе­ремещается к гидроксильной группе, которая при этом превращает­ся в «хорошо уходящую» группу Н₂О. После этого отщепляется молекула воды с одновременным выбросом протона (возврат ката­лизатора).

Этерификация – обратимый процесс. Прямая реакция – обра­зование сложного эфира, обратная – его кислотный гидролиз. Для того чтобы сдвинуть равновесие вправо, необходимо удалять из ре­акционной смеси воду.

Жиры и масла

 

Среди сложных эфиров особое место занимают природные эфиры – жиры и масла, которые образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами с неразветвленной уг­леродной цепью, содержащими четное число углеродных атомов. Жиры входят в состав растительных и животных организмов и иг­рают важную биологическую роль. Они служат одним из источни­ков энергии живых организмов, которая выделяется при окислении жиров. Общая формула жиров:

где R', R'', R''' - углеводородные радикалы.

Жиры бывают «простыми» и «смешанными». В состав простых жиров входят остатки одинаковых кислот (т.е. R' = R'' = R'''), в со­став смешанных – различных.

В жирах наиболее часто встречаются следующие жирные кисло­ты:

Алкановые кислоты

Масляная кислота СН₃–(СН₂)₂–СООН

Капроновая кислота СН₃–(СН₂)₄–СООН

Каприловая кислота СН₃–(СН₂)₆–СООН

Каприновая кислота СН₃–(СН₂)₈–СООН

Лауриновая кислота СН₃–(СН₂)₁₀–СООН

Миристиновая кислота СН₃–(СН₂)₁₂–СООН

Пальмитинования кислота СН₃–(СН₂)₁₄–СООН

Стеариновая кислота СН₃–(СН₂)₁₆–СООН

Арахиновая кислота СН₃–(СН₂)₁₈–СООН

Алкеновые кислоты

Олеиновая кислота

Алкадиеновые кислоты

Линолевая кислота

Алкатриеновые кислоты

Линоленовая кислота

Природные жиры представляют собой смесь простых и смешан­ных эфиров.

По агрегатному состоянию при комнат­ной температуре жиры делятся на жидкие и твердые. Агрегатное со­стояние жиров определяется природой жирных кислот. Твердые жи­ры, как правило, образованы предельными кислотами, жидкие жиры (их часто называют маслами)– непредельными. Температура плав­ления жира тем выше, чем больше в нем содержание предельных кислот. Она также зависит от длины углеводородной цепи жирной кислоты; температура плавления растет с ростом длины углеводо­родного радикала.

В состав животных жиров преимущественно входят насыщенные кислоты, в состав растительных – ненасыщенные. Поэтому живот­ные жиры, как правило, твердые вещества, а растительные – чаще всего жидкие (растительные масла).

Жиры растворимы в неполярных органических растворителях (углеводороды, их галогенпроизводные, диэтиловый эфир) и нерас­творимы в воде.

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 называют 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:

3. Жидкие жиры (масла, содержащие олеиновую, линолевую и линоленовую кислоты), взаимодействуя с кислородом воздуха, спо­собны образовывать твердые пленки – «сшитые полимеры». Такие масла называют «высыхающими». Они служат основой для нату­ральной олифы и красок.

4. При длительном хранении под действием влаги, кислорода воздуха, света и тепла жиры приобретают неприятный запах и вкус. Этот процесс называется «прогорканием». Неприятные запах и вкус обусловлены появлением в жирах продуктов их превращения: свободных жирных кислот, гидроксикислот, альдегидов и кетонов.

Жиры играют важную роль в жизни человека и животных. Они являются одним из основных источников энергии для живых орга­низмов.

Жиры широко используются в пищевой, косметической и фар­мацевтической промышленности.

 

Глава 31. УГЛЕВОДЫ (САХАРА)

Углеводы – это природные органические соединения, имеющие общую формулу С_m(Н₂О)_n (т, п > 3). Углеводы подразделяют на три большие группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахаридами называют такие углеводы, которые не могут гидролизоваться с образованием более простых углеводов.

Олигосахариды – это продукты конденсации небольшого числа моносахаридов, например сахароза – С₁₂Н₂₂О₁₁. Полисахариды (крахмал, целлюлоза) образованы большим числом молекул моно­сахаридов.

Моносахариды

Номенклатура и изомерия

Про­стейший моносахарид – глицериновый альдегид, С₃Н₆О₃:

Остальные моносахариды по числу атомов углерода подразделяют на тетрозы (С₄Н₈О₄), пентозы (С₅Н₁₀O₅) и гексозы (С₆Н₁₂О₆). Важ­нейшие гексозы – глюкоза и фруктоза.Все моносахариды представляют собой бифункциональные со­единения, в состав которых входят неразветвленный углеродный скелет, несколько гидроксильных групп и одна карбонильная груп­па. Моносахариды с альдегидной группой называют альдозами а с кетогруппой – кетозами. Ниже приведены структурные формулы важнейших моносахаридов:

Все эти вещества содержат три или четыре асимметрических атома углерода, поэтому они проявляют оптическую активность и могут существовать в виде оптических изомеров. Знак в скобках в названии углевода обозначает направление вращения плоскости по­ляризации света: (–) обозначает левое вращение, (+) – правое вра­щение. Буква D перед знаком вращения означает, что во всех этих веществах асимметрический атом углерода, наиболее удаленный от карбонильной группы, имеет такую же конфигурацию (т.е. направ­ление связей с заместителями), что и глицериновый альдегид, струк­тура которого приведена выше. Углеводы с противоположной кон­фигурацией относятся к L-ряду:

Обратите внимание на то, что углеводы D- и L-ряда являются зеркальными отражениями друг друга. Большинство природных уг­леводов относится к D-ряду.

Установлено, что в кристаллическом состоянии моносахариды существуют исключительно в циклических формах. Например, глюкоза в твердом виде обычно на­ходится в α-пиранозной форме. При растворении в воде α-глюкопираноза медленно превращается в другие таутомерные формы вплоть до установления рав­новесия. Это является своеобразной кольчатоцепной таутомерной системой.