Содержание
стр.
Введение
-3-
1. Строение
-4-
2. Номенклатура
и изомерия -6-
3. Физические
свойства и нахождение в природе -7-
4. Химические
свойства
-8-
5.
Получение
-9-
6. Применение
-10-
6.1 Применение сложных эфиров неорганических кислот -10-
6.2 Применение сложных эфиров органических кислот -12-
Заключение
-14-
Использованные
источники информации -15-
Приложение
-16-
Введение
Среди функциональных производных кислот особое
место занимают сложные эфиры — производные кислот, у которых кислотный водород
заменён на алкильные (или вообще углеводородные) радикалы.
Сложные эфиры делятся в зависимости от того,
производной какой кислоты они являются (неорганической или карбоновой).
Среди сложных эфиров особое место занимают природные
эфиры — жиры и масла, которые образованы трехатомным спиртом глицерином и
высшими жирными кислотами, содержащими четное число углеродных атомов. Жиры
входят в состав растительных и животных организмов и служат одним из источников
энергии живых организмов, которая выделяется при окислении жиров.
Цель моей работы заключается в подробном ознакомлении
с таким классом органических соединений, как сложные эфиры и углублённом
рассмотрении области применения отдельных представителей этого класса.
1. Строение
Общая формула сложных эфиров карбоновых кислот:
где
R и R' — углеводородные радикалы (в сложных эфиpax муравьиной кислоты R — атом
водорода).
Общая формула жиров:
где R', R", R"' — углеродные
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
1. Масляная кислота СН3 — (CH2)2
— СООН
2. Капроновая кислота СН3 — (CH2)4
— СООН
3. Пальмитиновая кислота СН3 — (CH2)14
— СООН
4. Стеариновая кислота СН3 — (CH2)16
— СООН
Алкеновые
кислоты
5. Олеиновая кислота С17Н33СООН
СН3—(СН2)7—СН ===
СН—(СН2)7—СООН
Алкадиеновые
кислоты
6. Линолевая кислота С17Н31СООН
СН3—(СН2)4—СН = СН—СН2—СН
= СН—СООН
Алкатриеновые
кислоты
7. Линоленовая кислота С17Н29СООН
СН3СН2СН = CHCH2CH ==
CHCH2CH = СН(СН2)4СООН
2. Номенклатура и
изомерия
Названия сложных эфиров производят от названия
углеводородного радикала и названия кислоты, в котором вместо окончания -овая
используют суффикс -ат, например:
Для сложных эфиров характерны следующие виды изомерии:
1. Изомерия углеродной
цепи начинается по кислотному остатку с бутановой кислоты, по спиртовому
остатку — с пропилового спирта, например, этилбутирату изомерны этилизобутират,
пропилацетат и изопропилацетат.
2. Изомерия положения
сложноэфирной группировки —СО—О—. Этот вид изомерии начинается со
сложных эфиров, в молекулах которых содержится не менее 4 атомов углерода,
например этилацетат и метилпропионат.
3. Межклассовая
изомерия, например, метилацетату изомерна пропановая кислота.
Для сложных эфиров, содержащих непредельную кислоту
или непредельный спирт, возможны еще два
вида изомерии: изомерия положения кратной связи и цис-, транс-изомерия.
3. Физические
свойства и нахождение в природе
Сложные эфиры низших карбоновых кислот и спиртов
представляют собой летучие, нерастворимые в воде жидкости. Многие из них имеют
приятный запах. Так, например, бутилбутират имеет запах ананаса, изоамилацетат
— груши и т. д.
Сложные эфиры высших жирных кислот и спиртов —
воскообразные вещества, не имеют запаха, в воде не растворимы.
Приятный аромат цветов, плодов, ягод в значительной
степени обусловлен присутствием в них тех или иных сложных эфиров.
Жиры широко распространены в природе. Наряду с
углеводородами и белками они входят в состав всех растительных и животных
организмов и составляют одну из основных частей нашей пищи.
По агрегатному состоянию при комнатной температуре
жиры делятся на жидкие и твердые. Твердые жиры, как правило, образованы
предельными кислотами, жидкие жиры (их часто называют маслами) — непредельными.
Жиры растворимы в органических растворителях и нерастворимы в воде.
4. Химические
свойства
1. Реакция гидролиза, или омыления. Так, как реакция
этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот протекает
обратная реакция гидролиза:
Реакция гидролиза катализируется и щелочами; в этом
случае гидролиз необратим, так как получающаяся кислота со щелочью образует
соль:
2. Реакция присоединения. Сложные эфиры, имеющие в
своем составе непредельную кислоту или спирт, способны к реакциям
присоединения.
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:
5. Получение
1. Реакция этерификации:
Спирты вступают в реакции с минеральными и органическими
кислотами, образуя сложные эфиры. Реакция обратима (обратный процесс – гидролиз
сложных эфиров).
Реакционная
способность одноатомных спиртов в этих реакциях убывает от первичных к
третичным.
2.
Взаимодействием ангидридов кислот со спиртами:
3.
Взаимодействием галоидангидридов кислот со спиртами:
6. Применение
6.1 Применение
сложных эфиров неорганических кислот
Эфиры борной кислоты — триалкилбораты — легко получаются
нагреванием спирта и борной кислоты с добавкой концентрированной серной
кислоты. Борнометиловый эфир (триметилборат) кипит при 65° С, борноэтиловый
(триэтилборат) — при 119° С. Эфиры борной кислоты легко гидролизуются водой.
Реакция с борной кислотой служит для установления конфигурации многоатомных
спиртов и была неоднократно использована при изучении Сахаров.
Ортокремневые эфиры — жидкости. Метиловый эфир кипит при 122° С, этиловый
при 156° С. Гидролиз водой проходит легко уже на холоду, но идет постепенно и
при недостатке воды приводит к образованию высокомолекулярных ангидридных
форм, в которых атомы кремния соединены друг с другом через кислород (силоксановые
группировки):
Эти высокомолекулярные вещества (полиалкоксисилоксаны)
находят применение в качестве связующих, выдерживающих довольно высокую
температуру, в частности для покрытия поверхности форм для точной отливки
металла.
Аналогично SiCl4 реагируют диалкилдихлорсиланы, например ((СН3)2SiCl2,
образуя диалкоксильные производные:
Их гидролиз при недостатке воды дает так называемые
полиалкилсилоксаны:
Они обладают разным (но очень значительным) молекулярным весом и представляют
собой вязкие жидкости, используемые в качестве термостойких смазок, а при еще
более длинных силоксановых скелетах — термостойкие электроизоляционные смолы и
каучуки.
Эфиры ортотитановой кислоты. Их получают аналогично ортокремневым эфирам по реакции:
Это жидкости, легко гидролизующиеся до метилового
спирта и TiO2 применяются для пропитки тканей с целью придания им
водонепроницаемости.
Эфиры азотной кислоты. Их получают действием на спирты смеси азотной и
концентрированной серной кислот. Метилнитрат СН3ONO2, (т.
кип. 60° С) и этилнитрат C2H5ONO2 (т. кип. 87°
С) при осторожной работе можно перегнать, но при нагревании выше температуры
кипения или при детонации они очень сильно взрывают.
Нитраты этиленгликоля и глицерина, неправильно
называемые нитрогликолем и нитроглицерином, применяются в качестве взрывчатых
веществ. Сам нитроглицерин (тяжелая жидкость) неудобен и опасен в обращении.
Пентрит — тетранитрат пентаэритрита С(CH2ONO2)4,
получаемый обработкой пентаэритрита смесью азотной и серной кислот, — тоже
сильное взрывчатое вещество бризантного действия.
Нитрат глицерина и нитрат пентаэритрита обладают
сосудорасширяющим эффектом и применяются как симптоматические средства при стенокардии.
Эфиры фосфорной кислоты — высококипящие
жидкости, лишь очень медленно гидролизуемые водой, быстрее щелочами и
разбавленными кислотами. Эфиры, образованные этерификацией высших спиртов (и
фенолов), находят применение как пластификаторы пластмасс и для извлечения
солей уранила из водных растворов.
Известны эфиры типа (RO)2S═O, но они не имеют практического значения.
Из алкилсульфатов — солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты
производят моющие средства. В общем виде образование таких солей можно
изобразить уравнениями:
Эти соли содержат в молекуле от 12 до 14 углеродных атомов и обладают очень
хорошими моющими свойствами. Кальциевые и магниевые соли растворимы в воде, а
потому такие мыла моют и в жесткой воде. Алкилсульфаты содержатся во многих
стиральных порошках.
Они и обладают прекрасными моющими способностями. Принцип их действия тот же,
что и у обычного мыла, только кислотный остаток серной кислоты лучше
адсорбируется частицами загрязнения, а кальцевые соли алкилсерной кислоты
растворимы в воде, поэтому это моющее средство стирает и в жесткой, и в морской
воде.
6.2 Применение
сложных эфиров органических кислот
Наибольшее применение в качестве растворителей получили эфиры уксусной кислоты
- ацетаты. Прочие эфиры (кислот молочной - лактаты, масляной - бутираты,
муравьиной - формиаты) нашли ограниченное применение. Формиаты из-за сильной
омыляемости и высокой токсичности в настоящее время не используются.
Определенный интерес представляют растворители на основе изобутилового спирта и
синтетических жирных кислот, а также алкиленкарбонаты. Физико-химические
свойства наиболее распространенных сложных эфиров приведены в таблице (см.
приложение).
Метилацетат
СН3СООСН3. Отечественной промышленностью технический
метилацетат выпускается в виде древесно-спиртового растворителя, в котором
содержится 50% (масс.) основного продукта. Метилацетат также образуется в виде
побочного продукта при производстве поливинилового спирта. По растворяющей
способности метилацетат аналогичен ацетону и применяется в ряде случаев как его
заменитель. Однако он обладает большей токсичностью, чем ацетон.
Этилацетат С2Н5СООСН3. Получают методом этерификации
на лесохимических предприятиях при переработке синтетической и лесохимической
уксусной кислоты, гидролизного и синтетического этилового спирта или
конденсацией ацетальдегида. За рубежом разработан процесс получения этилацетата
на основе метилового спирта.
Этилацетат подобно ацетону растворяет большинство полимеров. По сравнению с
ацетоном его преимущество в более высокой температуре кипения (меньшей
летучести). Добавка 15-20 % этилового спирта повышает растворяющую способность
этилацетата в отношении эфиров целлюлозы, особенно ацетилцеллюлозы.
Пропилацетат СН3СООСН2СН2СН3. По
растворяющей способности подобен этилацетату.
Изопропилацетат СН3СООСН(СН3)2. По свойствам занимает
промежуточное положение между этил- и пропилацетат.
Амилацетат CH3COOCH2CH2CH2CH2CH3,
т. кип. 148° С, иногда называют «банановым маслом» (которое он напоминает по
запаху). Он образуется в реакции между амиловым спиртом (часто – сивушным
маслом) и уксусной кислотой в присутствии катализатора. Амилацетат широко
применяется как растворитель для лаков, поскольку он испаряется медленнее, чем
этилацетат.
Фруктовые эфиры. Характер многих фруктовых запахов, таких, как запахи малины, вишни,
винограда и рома, отчасти обусловлен летучими эфирами, например этиловым и
изоамиловым эфирами муравьиной, уксусной, масляной и валериановой кислот.
Имеющиеся в продаже эссенции, имитирующие эти запахи, содержат подобные эфиры.
Винилацетат CH2=CHOOCCH3,
образуется при взаимодействии уксусной кислоты с ацетиленом в присутствии
катализатора. Это важный мономер для приготовления поливинилацетатных смол,
клеев и красок.
Мыла — это соли высших карбоновых кислот. Обычные мыла
состоят главным образом из смеси солей пальмитиновой, стеариновой и олеиновой
кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла, калиевые соли — жидкие мыла.
Мыла получаются при гидролизе жиров в присутствии
щелочей:
Обычное
мыло плохо стирает в жесткой воде и совсем не стирает в морской воде, так как
содержащиеся в ней ионы кальция и магния дают с высшими кислотами нерастворимые
в воде соли:
Ca2+ + 2C17H35COONa→Ca(C17H35COO)2↓
+ 2Na+
В
настоящее время для стирки в быту, для промывки шерсти и тканей в
промышленности используют синтетические моющие средства, которые обладают в 10
раз большей моющей способностью, чем мыла, не портят тканей, не боятся жесткой
и даже морской воды.
Заключение
Исходя
из вышесказанного, можно сделать вывод, что сложные эфиры находят широкое применение,
как в быту, так и в промышленности. Некоторые из сложных эфиров готовятся
искусственно и под названием «фруктовых эссенций» широко применяются в
кондитерском деле, в производстве прохладительных напитков, в парфюмерии и во
многих других отраслях. Жиры используют для многих технических целей. Однако
особенно велико их значение как важнейшей составной части рациона человека и
животных, наряду с углеводами и белками. Прекращение использования пищевых
жиров в технике и замена их непищевыми материалами – одна из важнейших задач
народного хозяйства. Эта задача может быть разрешена только при достаточно
основательных знаниях о сложных эфирах и дальнейшем изучении этого класса
органических соединений.
Использованные
источники информации
1.
Цветков Л.А. Органическая химия:
Учебник для 10-11 классов общеобразовательных учебных заведений. - М.: Гуманит.
изд. центр ВЛАДОС, 2001;
2.
Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А., Начала
органической химии, кн. 1-2, М.,1969-70.;
3.
Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное
пособие для вузов. – 23-е изд., испр./ Под ред. В. А. Рабиновича. – Л.: Химия,
1983;
4.
http://penza.fio.ru
5.
http://encycl.yandex.ru
Приложение
Физико-химические свойства сложных эфиров
Название |
Давление
пара при 20°С, кПа |
Молеку-
лярная масса |
Темпера-
тура кипения при 101,325 кПа. °С |
Плотность
при 20°С. г/см3
|
Показа-
тель перелом- ления n20
|
Поверхнос-
тное натяжение 20°С. мН/м |
Метилацетат |
23,19 |
74,078 |
56,324 |
0,9390 |
1,36193 |
24,7625,7
|
Этилацетат |
9,86 |
88,104 |
77,114 |
0,90063 |
1,37239 |
23,75 |
Пропилацетат |
3,41 |
102,13 |
101,548 |
0,8867 |
1,38442 |
20,53 |
Изопропилацетат |
8,40 |
102,13 |
88,2 |
0,8718 |
1,37730 |
22,1022
|
Бутилацетат |
2,40 |
116,156 |
126,114 |
0,8813 |
1,39406 |
25,2 |
Изоиутилацетат |
1,71 |
116,156 |
118 |
0,8745 |
1,39018 |
23,7 |
Втор-Бутилацетат |
- |
116,156 |
112,34 |
0,8720 |
1,38941 |
23,3322,1
|
Гексилацетат |
- |
114,21 |
169 |
0,890 |
- |
- |
Амилацетат |
2,09 |
130,182 |
149,2 |
0,8753 |
1,40228 |
25,8 |
Изоамилацетат |
0,73 |
130,182 |
142 |
0,8719 |
1,40535 |
24,6221,1
|
Ацетат
монометилового эфира этиленгликоля (метилцеллозольвацетат) |
0,49 |
118,0 |
144,5 |
1,007 |
1,4019 |
- |
Ацетат
моноэтилового эфира этиленгликоля (этилцеллозольвацетат) |
0,17 |
132,16 |
156,4 |
0,9748 |
1,4030 |
- |
Этиленгликольмоноацетат |
- |
104 |
181-182 |
1,108-1,109 |
- |
- |
Этиленгликольдиацетат |
0,05 |
146 |
186-190 |
1,106 |
- |
- |
Циклогексилацетат |
0,97 |
142 |
175 |
0,964 |
1,4385 |
- |
Этиллактат |
0,13 |
118,13 |
154,5 |
1,031 |
1,4118 |
28,917,3
|
Бутиллактат |
0,05 |
146,0 |
185 |
0,97 |
- |
- |
Пропиленкарбонат |
- |
102,088 |
241,7 |
1,206 |
1,4189 |
- |