В органической химии существует два основных класса эфиров: простые и сложные. Это химические соединения, образующиеся при гидролизе (отщеплении молекулы воды). Простые эфиры (их еще называют этеры) получают при гидролизе соответствующих спиртов, а сложные эфиры (эстеры) – соответствующих спирта и кислоты.
Несмотря на похожее название, простые и сложные эфиры это два совершенно разных класса соединений. Их получают разными путями. Они имеют различные химические свойства. Различаются они и структурной формулой. Общими есть лишь некоторые физические свойства самых известных их представителей.
Физические свойства этеров и эстеров
Простые эфиры - малорастворимые в воде, легкокипящие жидкости, легко воспламеняются. При комнатной температуре, простые эфиры - приятно пахнущие бесцветные жидкости.
Сложные эфиры, имеющие малую молекулярную массу - легко испаряющиеся бесцветные жидкости, приятно пахнут, часто фруктами или цветами. С возрастанием карбоновой цепи ацилгруппы и спиртового остатков, их свойства становятся другими. Такие эфиры твердые вещества. Их точка плавления зависит от длинны углеродных радикалов и структуры молекулы.
Структура простых и сложных эфиров
Оба соединения имеют простую эфирную связь (-О-), но в сложных эфирах она входит в состав более сложной функциональной группы (-COO), в которой первый атом кислорода связан с атомом карбона одинарной связью (-О-), а второй двойной (=О).
Схематически можно изобразить так:
- Простой эфир: R–O–R1
- Сложный эфир: R-COO-R1
В зависимости от радикалов в R и R1, простые эфиры делят на:
- Симметричные эфиры – такие у которых алкильные радикалы идентичны, например, дипропиловыйэфир, диэтиловый эфир, дибутиловый эфир и т.п.
- Асимметричные эфиры или смешанные – с разными радикалами, например, этилпропиловый эфир,метилфениловый эфир, бутилизопропиловый и т.д.
Сложные эфиры подразделяют на:
- Сложные эфиры спирта и минеральной кислоты: сульфатной (-SO3H), нитратной (-NO2) и др.
- Сложные эфиры спирта и карбоновой кислоты, например, С2Н5СО-, С5Н9СО-, СН3СО- и т. д.
Рассмотрим химические свойства эфиров. Простые эфиры имеют низкую реакционную способность, именно благодаря этому их часто применяют как растворители. Они реагируют только в экстремальных условиях, или с высокореакционными соединениями. В отличии от этеров, сложные эфиры более реакционноспособные. Они легко вступают в реакции гидролиза, омыления и др..
Реакция простых эфиров с галогеноводородами:
Большинство простых эфиров могут разлагаться под воздействием бромоводородной кислоти (HBr) с образованием алкилбромидов или при взаимодействии с иодоводородной кислотой (HI) с получениемалкилиодидов.
СН3-О-СН3 + НI = СН3-ОН + СН3I
СН3-ОН + НI = СН3I + Н2О
Образование оксониевых соединений:
Серная, иодная и др. сильные кислоты при взаимодействии с простыми эфирами, образуют оксониевые соединения – продукты соединения высшего порядка.
СН3-О-СН3 + HCl = (CH3)2О ∙ HCl
Взаимодействие простых эфиров с металлическим натрием:
При нагревании с основными металлами, например, металлическим натрием, простые эфиры расщепляются на алкоголяты и алкилнатрий.
СН3-О-СН3 + 2Na = СН3-ОNa + СН3-Na
Автоокисление простых эфиров:
В присутствии кислорода, простые эфиры медленно автоокисляются с образованием гидроперекиси идиалкил пероксида. Автоокисление является спонтанным окислением соединения в воздухе.
С2Н5-О-С2Н5 + О2 = СН3-СН(ООН)-О-С2Н5
Гидролиз сложных эфиров:
В кислой среде эстер гидролизует, образуя соответствующую кислоту и спирт.
СН3-СОО-С2Н5 = СН3-СООН + Н2О
Омыление сложных эфиров:
При повышенной температуре эстеры реагируют с водными растворами сильных оснований, таких как гидроксид натрия или калия, образуя соли карбоновых кислот. Соли жрных карбоновых кислот называют мылами. Побочным продуктом реакции омыления является спирт.
СН3-СОО-С2Н5 + NaОН = СН3-СООNa + С2Н5-ОН
Реакции переэстерефикации (обмена):
Сложные эфиры вступают в реакции обмена при действии спирта (алкоголиз), кислоты (ацидолиз), или при двойном обмене, при взаимодействии двух сложных эфиров.
СН3-СОО-С2Н5 + С3Н7-ОН = СН3-СОО-С3Н7 + С2Н5-ОН
СН3-СОО-С2Н5 + С3Н7-СООН = С3Н7-СОО-С2Н5 + СН3-СООН
СН3-СОО-С2Н5 + С3Н7-СОО-СН3 = СН3-СОО-СН3 + С3Н7-СОО-С2Н5
Реакции взаимодействия с аммиаком:
Сложные эфиры могут взаимодействовать с аммиаком (NН3) с образованием амида и спирта. По тому же принципу реагируют они и с аминами.
СН3-СОО-С2Н5 + NН3 = СН3-СО-NН2 + С2Н5-ОН
Реакции восстановления эстеров:
Эфиры могут быть восстановлены водородом (Н2) в присутствии хромита меди (Cu(CrO2)2).
СН3-СОО-С2Н5 + 2Н2 = СН3-СН2-ОН + С2Н5-ОН
класс соединений на основе минеральных (неорганических) или органических карбоновых кислот, у которых атом водорода в НО-группе замещен органической группой R . Прилагательное «сложные» в названии эфиров помогает отличить их от соединений, именуемых простыми эфирами.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
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 68, 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 |
Третья группа жиры. В отличие от предыдущих двух групп на основе одноатомных спиртов
ROH , все жиры представляют собой сложные эфиры, спирта глицерина НОСН 2 СН(ОН)СН 2 ОН. Карбоновые кислоты, входящие в состав жиров, как правило, имеют углеводородную цепь с 919 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 18) 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 1519) 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
ЛИТЕРАТУРА Карцова А.А. Покорение вещества. Органическая химия . Издательство Химиздат, 1999Пустовалова Л.М. Органическая химия . Феникс, 2003
При взаимодействии карбоновых кислот со спиртами (реакция этерификации) образуются сложные эфиры:
R 1 -COOH (кислота) + R 2 -OH (спирт) ↔ R 1 -COOR 2 (сложный эфир) + H 2 O
Эта реакция обратима. Продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом с образованием исходных веществ — спирта и кислоты. Таким образом, реакция сложных эфиров с водой — гидролиз сложного эфира — обратна реакции этерификации. Химическое равновесие, устанавливающееся при равенстве скоростей прямой (этерификации) и обратной (гидролиз) реакций, может быть смещено в сторону образования эфира присутствием водоотнимающих веществ.
Сложные эфиры в природе и технике
Сложные эфиры широко распространены в природе, находят применение в технике и различных отраслях промышленности. Они являются хорошими растворителями органических веществ, их плотность меньше плотности воды, и они практически не растворяются в ней. Так, сложные эфиры с относительно небольшой молекулярной массой представляют собой легковоспламеняющиеся жидкости с невысокими температурами кипения, имеют запахи различных фруктов. Их применяют в качестве растворителей лаков и красок, ароматизаторов изделий в пищевой промышленности. Например, метиловый эфир масляной кислоты имеет запах яблок, этиловый спирт этой кислоты – запах ананасов, изобутиловый эфир уксусной кислоты – запах бананов:
C 3 H 7 -COO-CH 3 (метиловый эфир масляной кислоты);
C 3 H 7 -COO-C 2 H 5 (этиловый эфир масляной кислоты);
CH 3 -COO-CH 2 -CH 2 (изобутиловый эфир уксусной кислоты)
Сложные эфиры высших карбоновых кислот и высших одноосновных спиртов называют восками
. Так, пчелиный воск состоит главным образом из эфира пальмитиновой кислоты мирицилового спирта C 15 H 31 COOC 31 H 63; кашалотовый воск – спермацет – сложный эфир той же пальмитиновой кислоты и цетилового спирта C 15 H 31 COOC 16 H 33
Образующиеся в результате реакции друг с другом двух молекул спирта, - это простые эфиры. Связь образуется через кислородный атом. В ходе реакции отщепляется молекула воды (H 2 O), при этом друг с другом взаимодействуют два гидроксила. По номенклатуре симметричные эфиры, то есть состоящие из одинаковых молекул, допускается называть тривиальными названиями. Например, вместо диэтилового - этиловый. Название соединений с разными радиклами строят по алфавиту. По этому правилу метилэтиловый эфир будет звучать верно, наоборот - нет.
Структура
В связи с многообразием спиртов, вступающих в реакцию, при их взаимодействии могут образоваться существенно отличающиеся по своей структуре простые эфиры. Общая формула структуры данных соединений выглядит так: R-O-R ´ . Буквы «R» обозначают радикалы спиртов, то есть, проще говоря, всю остальную углеводородную часть молекулы, кроме гидроксила. Если у спирта таких групп больше одной, то он может образовывать несколько связей с разными соединениями. Молекулы спиртов могут также иметь в своей структуре циклические фрагменты и вообще представлять полимеры. Например, при взаимодействии целлюлозы с метанолом и/или этанолом образуются простые эфиры. Общая формула данных соединений при реакции одинаковых по структуре спиртов выглядит так же (см. выше), но убирается знак дефиса. Во всех остальных случаях он означает, что радикалы в молекуле простого эфира могут быть различными.
Циклические эфиры
Особая разновидность простых эфиров - циклические. Наиболее известными среди них являются оксиэтан и тетрагидрофуран. Образование простых эфиров данной структуры происходит в результате взаимодействия двух гидроксилов одной молекулы многоатомного спирта. В результате формируется цикл. В отличие от линейных эфиров, циклические способны в большей степени образовать водородные связи, и поэтому они менее летучи и лучше растворимы в воде.
Свойства простых эфиров
В физическом плане простые эфиры представляют собой летучие жидкости, но есть достаточно много и кристаллических представителей.
Данные соединения плохо растворимы в воде, и многие из них обладают приятным запахом. Есть одно качество, благодаря которому в лабораториях в качестве органических растворителей активно используют простые эфиры. Химические свойства данных соединений достаточно инертны. Многие из них не подвергаются гидролизу - обратной реакции, происходящей с участием воды и приводящей к образованию двух молекул спирта.
Химические реакции с участием эфиров
Химические реакции простых эфиров в основном осуществимы только при высокой температуре. Например, при нагреве до температуры выше 100 о С метилфениловый эфир (C 6 H 5 -O-CH 3) взаимодействует с бромоводородной (HBr) или йодоводородной кислотой (HI) с образованием фенола и бромметила (СН 3 Br) или йодметила (СН 3 I), соответственно.
Таким же образом могут реагировать многие представители данной группы соединений, в частности метилэтиловый и диэтиловый эфир. Галоген, как правило, присоединяется к более короткому радикалу, например:
- С 2 Н 5 -O-СН 3 + HBr → СН 3 Br + С 2 Н 5 OH.
Другой реакцией, в которую вступают простые эфиры, является взаимодействие с кислотами Льюиса. Таким термином называют молекулу или ион, который является акцептором и соединяется с донором, имеющим неподеленную пару электронов. Так, в качестве таких соединений могут выступать фторид бора (BF 3), хлорид олова (SnCI 4). Взаимодействуя с ними, эфиры образуют комплексы, называемые оксониевыми солями, к примеру:
- C 2 H 5 -O-CH 3 + BF 3 → -B(-)F 3 .
Способы получения простых эфиров
Получение простых эфиров происходит разными путями. Один из способов заключается в дегидратации спиртов с использованием в качестве водоотнимающего средства концентрированной серной кислоты (H 2 SO 4). Реакция протекает при 140 о С. Таким способом получают только соединения из одного спирта. Например:
- С 2 Н 5 ОН + H 2 SO 4 → С 2 Н 5 SO 4 Н + Н 2 O;
С 2 Н 5 SO 4 Н + НОС 2 Н 5 → С 2 Н 5 -О-С 2 Н 5 + H 2 SO 4 .
Как видно из уравнений, синтез диэтилового эфира протекает в 2 ступени.
Другой способ синтеза простых эфиров происходит по реакции Вильямсона. Суть ее заключается во взаимодействии алкоголята калия или натрия. Так называются продукты замещения протона гидроксильной группы спирта на металл. Например, этилат натрия, изопропилат калия и прочее. Вот пример данной реакции:
- СН 3 ONa + С 2 Н 5 Cl → СН 3 -О-С 2 Н 5 + KCl.
Эфиры с двойными связями и циклические представители
Как в других группах органических соединений, среди простых эфиров обнаруживаются соединения с двойными связями. Среди способов получения данных веществ есть особые, не характерные для насыщенных структур. Заключаются они в использовании алкинов, по тройной связи которых происходит присоединение кислорода и образование виниловых эфиров.
Учеными описано получение простых эфиров циклической структуры (оксиранов) с использованием способа окисления алкенов надкислотами, содержащими вместо гидроксильной группы перекисный остаток. Данная реакция также проводится под действием кислорода в присутствии серебряного катализатора.
Применение простых эфиров в лабораториях заключается в активном использовании данных соединений в качестве химических растворителей. Популярным в этом плане является диэтиловый эфир. Как и все соединения данной группы, он инертен, не реагирует с растворяемыми в нем веществами. Температура его кипения составляет чуть более 35 о С, что удобно при необходимости быстрого упаривания.
В простых эфирах легко растворяются такие соединения, как смолы, лаки, красители, жиры. Производные фенола применяются в косметической промышленности в качестве консервантов и антиоксиданстов. Кроме того, эфиры добавляются в моющие средства. Среди данных соединений обнаружены представители, обладающие выраженным инсектицидным действием.
Циклические эфиры сложной структуры применяются при получении полимеров (гликолида, лактида, в частности), используемых в медицине. Они выполняют функцию биосорбируемого материала, который, например, используется для шунтирования сосудов.
Эфиры целлюлозы применяются во многих сферах человеческой деятельности, в том числе в процессе реставрации. Их функция заключается в проклеивании и укреплении изделия. Они применяются при восстановлении бумажных материалов, живописи, тканей. Существует особая методика, заключающаяся в опускании ветхой бумаги в слабый (2%) раствор метилцеллюлозы. Эфиры данного полимера являются устойчивыми к действию химических реагентов и экстремальных условий окружающей среды, негорючи, поэтому применяются для придания прочности каким-либо материалам.
Некоторые примеры использования конкретных представителей эфиров
Простые эфиры применяются во многих областях человеческой деятельности. Например, в качестве добавки к моторному маслу (диизопропиловый эфир), теплоносителя (дифенилоксид). Кроме того, данные соединения используются как промежуточные продукты для получения лекарств, красителей, ароматических добавок (метилфениловый и этилфениловый эфиры).
Интересным эфиром является диоксан, отличающийся хорошей растворимостью и в воде, и позволяющий смешивать данную жидкость с маслами. Особенность его получения заключается в том, что две молекулы этиленгликоля соединяются друг с другом по гидроксильным группам. В результате образуется шестичленный гетероцикл с двумя атомами кислорода. Он образуется под действием концентрированной серной кислоты при 140 о С.
Таким образом, простые эфиры, как и все классы органической химии, отличаются большим разнообразием. Их особенностью является химическая инертность. Связано это с тем, что, в отличие от спиртов, они не имеют атома водорода у кислорода, поэтому он не является столь активным. По этой же причине простые эфиры не образуют водородные связи. Именно вследствие таких свойств они способны смешиваться с различного рода гидрофобными компонентами.
В заключение хотелось бы отметить, что диэтиловый эфир применяется в экспериментах по генетике для усыпления мух дрозофил. Это лишь малая часть того, где используются данные соединения. Вполне возможно, что на основе простых эфиров в будущем изготовят ряд новых прочных полимеров с улучшенной структурой по сравнению с существующими.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство здравоохранения Свердловской области
Фармацевтический филиал ГБОУ СПО "СОМК"
Кафедра химии и фармтехнологии
Сложные эфиры в быту
Петрухина Марина Александровна
Руководитель:
Главатских Татьяна Владимировна
Екатеринбург
Введение
2. Физические свойства
5. Сложные эфиры в парфюмерии
9. Получение мыла
Заключение
Введение
Сломжные эфимры -- производные оксокислот (как карбоновых, так и минеральных, у которых атом водорода в ОН-группе замещен органической группой R (алифатической, алкенильной, ароматической или гетероароматической); рассматриваются также как ацилпроизводные спиртов.
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).
Цели и задачи
1. Выяснить, насколько широко используются сложные эфиры в быту. Сферы применения сложных эфиров в жизни человека.
2. Описать различные методы получения сложных эфиров.
3. Выяснить насколько безопасно использование сложных эфиров в быту.
Предмет исследования
Сложные эфиры. Методы их получения. Применение сложных эфиров.
1. Основные методы получения сложных эфиров
Этерификация -- взаимодействие кислот и спиртов в условиях кислотного катализа, например получение этилацетата из уксусной кислоты и этилового спирта:
Реакции этерификации обратимы, сдвиг равновесия в сторону образования целевых продуктов достигается удалением одного из продуктов из реакционной смеси (чаще всего -- отгонкой более летучих спирта, эфира, кислоты или воды).
Взаимодействие ангидридов или галогенангидридов карбоновых кислот со спиртами
Пример: получение этилацетата из уксусного ангидрида и этилового спирта:
(CH3CO)2O + 2 C2H5OH = 2 CН3COOC2H5 + H2O
Взаимодействие солей кислот с галогеналканами
RCOOMe + R"Hal = RCOOR" + MeHal
Присоединение карбоновых кислот к алкенам в условиях кислотного катализа:
RCOOH + R"CH=CHR"" = RCOOCHR"CH2R""
Алкоголиз нитрилов в присутствии кислот:
RC+=NH + R"OH RC(OR")=N+H2
RC(OR")=N+H2 + H2O RCOOR" + +NH4
2. Физические свойства
Если число атомов углерода в исходных карбоновой кислоте и спирте не превышает 6-8, то 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, некоторые из них вначале были выделены из растений, а позже синтезированы искусственно.
При увеличении размеров органических групп, входящих в состав сложных эфиров, до С15-30 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 С15Н31СООС31Н63. Китайский воск (продукт выделения кошенили - насекомых Восточной Азии) содержит цериловый эфир церотиновой кислоты С25Н51СООС26Н53. Воски не смачиваются водой, растворимы в бензине, хлороформе, бензоле.
3. Некоторые сведения об отдельных представителях класса сложные эфиры
Эфиры муравьиной кислоты
HCOOCH3 -- метилформиат, tкип = 32°C; растворитель жиров, минеральных и растительных масел, целлюлозы, жирных кислот; ацилирующий агент; используют в производстве некоторых уретанов, формамида.
HCOOC2H5 -- этилформиат, tкип = 53°C; растворитель нитрата и ацетата целлюлозы; ацилирующий агент; отдушка для мыла, его добавляют к некоторым сортам рома, чтобы придать ему характерный аромат; применяют в производстве витаминов B1, A, E.
HCOOCH2CH(CH3)2 -- изобутилформиат; несколько напоминает запах ягод малин ы.
HCOOCH2CH2CH(CH3)2 -- изоамилформиат (изопентилформиат) растворитель смол и нитроцеллюлозы.
HCOOCH2C6H5 -- бензилформиат, tкип = 202°C; имеет запах жасмина; используется как растворитель лаков и красителей.
HCOOCH2CH2C6H5 -- 2-фенилэтилформиат; имеет запах хризантем.
Эфиры уксусной кислоты
CH3COOCH3 -- метилацетат, tкип = 58°C; по растворяющей способности аналогичен ацетону и применяется в ряде случаев как его заменитель, однако он обладает большей токсичностью, чем ацетон.
CH3COOC2H5 -- этилацетат, tкип = 78°C; подобно ацетону растворяет большинство полимеров. По сравнению с ацетоном его преимущество в более высокой температуре кипения (меньшей летучести).
CH3COOC3H7 -- н-пропилацетат, tкип = 102 °C; по растворяющей способности подобен этилацетату.
CH3COOC5H11 -- н-амилацетат (н-пентилацетат), tкип = 148°C; напоминает по запаху грушу, применяется как растворитель для лаков, поскольку он испаряется медленнее, чем этилацетат.
CH3COOCH2CH2CH(CH3)2 -- изоамилацетат (изопентилацетат), используется как компонент грушевой и банановой эссенции.
CH3COOC8H17 -- н-октилацетат имеет запах апельсинов.
Эфиры масляной кислоты
C3H7COOC2H5 -- этилбутират, tкип = 121,5°C; имеет характерный запах ананасов.
C3H7COOC5H11 -- н-амилбутират (н-пентилбутират) и C3H7COOCH2CH2CH(CH3)2 -- изоамилбутират (изопентилбутират) имеют запах груш.
Эфиры изовалериановой кислоты
(CH3)2CHCH2COOCH2CH2CH(CH3)2 -- изоамилизовалерат (изопентилизовалерат) имеет запах яблока.
4. Техническое применение сложных эфиров
Сложные эфиры имеют большое техническое применение. Благодаря приятному запаху и безвредности они издавна используются в кондитерском деле, парфюмерии, широко применимы как пластификаторы, растворители.
Так, этил-, бутил - и амилацетаты растворяют целлулоид (нитроцеллюлозные клеи); дибутилоксалат является пластификатором нитроцеллюлозы.
Ацетаты глицерина служат желатинизаторами ацетилцеллюлозы и фиксаторами духов. Аналогичное применение находят эфиры адипиновой и метиладипиновой кислот.
Высокомолекулярные сложные эфиры, например метилолеат, бутилпальмитат, изобутиллаурат и др., применяются в текстильной промышленности для обработки бумажных, шерстяных и шелковых тканей, терпинилацетат и метиловый эфир коричной кислоты - как инсектициды.
5. Сложные эфиры в парфюмерии
В парфюмерно-косметическом производстве используют следующие сложные эфиры:
Линалилацетат -- бесцветная прозрачная жидкость с запахом, напоминающим запах бергамотного масла. Он находится в масле мускатного шалфея, лаванды, бергамотном и др. Его применяют при изготовлении композиций для парфюмерии и отдушек для косметических средств и мыла. Исходным сырьем для выработки линалилацетата служит любое эфирное масло, содержащее линалоол (кориандровое и другие масла). Получают линалилацетат ацетилированием линалоола уксусным ангидридом. Линалилацетат очищают от примесей двойной перегонкой под вакуумом.
Терпинилацетат вырабатывают взаимодействием терпинеола с уксусным ангидридом в присутствии серной кислоты, Из него приготовляют парфюмерные композиции и отдушки для мыла с запахом цветочного направления.
Бензилацетат в разбавленном виде обладает запахом, напоминающим запах жасмина. Он найден в некоторых эфирных маслах и является главной составной частью масел, извлекаемых из цветов жасмина, гиацинта, гардении. В производстве синтетических душистых веществ бензилацетат вырабатывают взаимодействием бензилового спирта или хлористого бензила с производными уксусной кислоты. Из него готовят парфюмерные композиции и отдушки для мыла.
Метилсалицилат входит в состав кассиевого, иланг-илангового и других эфирных масел. В промышленности его применяют для изготовления композиций и отдушек для мыла как продукт, обладающий интенсивным запахом, напоминающим запах иланг-иланга. Его получают взаимодействием салициловой кислоты и метилового спирта в присутствии серной кислоты.
6. Использование сложных эфиров в пищевой промышленности
Применение: Е-491 используют в качестве эмульгатора при производстве сдобных изделий, напитков, соусов в количестве до 5 г/кг. При производстве мороженого и жидких концентратов чая - до 0.5 г/л. В Российской Федерации сорбитан моностеарат применяют также в качестве стабилизатора консистенции, загустителя, текстуратора, связующего агента в жидких концентратах чая, фруктовых и травяных отварах в количестве до 500 мг/кг.
При изготовлении заменителей молока и сливок, кондитерских изделий, жевательной резинки, глазури и начинок - рекомендуемая норма до 5 г/кг. Сорбитан моностеарат добавляют также в биологически-активные добавки. В непищевой промышленности Е491 добавляют при изготовлении лекарственных средств, косметических продуктов (кремов, лосьонов, дезодорантов), для производства эмульсий для обработки растений.
Сорбитан моностеарат (Sorbitan Monostearate)
Пищевая добавка E-491 группы стабилизаторов. Может применяться как эмульгатор (например в составе быстрорастворимых дрожжей).
сложный эфир фармацевтический мыло
Характеристика: Е491 получают синтетически путем прямой этерификации сорбита стеариновой кислотой с одновременным образованием ангидридов сорбита.
Применение: Е-491 используют в качестве эмульгатора при производстве сдобных изделий, напитков, соусов в количестве до 5 г/кг. При производстве мороженого и жидких концентратов чая - до 0.5 г/л. В Российской Федерации сорбитан моностеарат применяют также в качестве стабилизатора консистенции, загустителя, текстуратора, связующего агента в жидких концентратах чая, фруктовых и травяных отварах в количестве до 500 мг/кг. При изготовлении заменителей молока и сливок, кондитерских изделий, жевательной резинки, глазури и начинок - рекомендуемая норма до 5 г/кг. Сорбитан моностеарат добавляют также в биологически-активные добавки. В непищевой промышленности Е491 добавляют при изготовлении лекарственных средств, косметических продуктов (кремов, лосьонов, дезодорантов), для производства эмульсий для обработки растений.
Влияние на организм человека: допустимая суточная норма - 25 мг/кг массы тела. Е491 считается малоопасным веществом, не вызывает опасности при попадании на кожу или слизистую оболочку желудка, оказывает на них слабое раздражающее действие. Чрезмерное употребление Е491 может привести к фиброзу, задержке роста и увеличению печени.
Лецитин (Е-322).
Характеристика: антиокислитель. В промышленном производстве лецитин получают из производственных отходов соевого масла.
Применение: как эмульгатор пищевая добавка Е-322 применяется при производстве молочных продуктов, маргарина, хлебобулочных и шоколадных изделий, а также глазурей. В непищевой промышленности лецитин применяют при производстве жировых красок, растворителей, виниловых покрытий, косметики, а также в процессе производства удобрений, пестицидов и обработки бумаги.
Лецитин есть в составе продуктов, которые имеют большое количество жиров. Это яйца, печень, арахис, некоторый виды овощей и фруктов. Также огромное количество лецитина содержится во всех клетках человеческого организма.
Влияние на организм человека: лецитин - это необходимое вещество для человеческого организма. Однако, не смотря на то, что лецитин является очень полезным для человека, употребление его в больших количествах может привести к нежелательным последствиям - возникновению аллергических реакций.
Эфиры глицерина и смоляных кислот (Е445)
Относятся к группе стабилизаторов и эмульгаторов, предназначенных для сохранения вязкости и консистенции пищевых продуктов.
Применение: эфиры глицерина разрешены к использованию на территории Российской Федерации и широко применяется в пищевой промышленности при производстве:
Мармелада, варенья, желе,
Наполнителей фруктовых, конфет, жевательных резинок,
Продуктов с низкой калорийностью,
Малокалорийных масел,
Сгущённых сливок и молочных продуктов,
Мороженного,
Сыров и сырных продуктов, пудингов,
Желированных мясных и рыбных изделий, и другие продукты.
Влияние на организм человека: многочисленные исследования доказали что употребление добавки Е-445 способно привести к снижению холестерина в крови и веса. Эфиры смоляных кислот могут являться аллергенами и вызвать раздражение кожных покровов. Применяемая добавка Е445 в качестве эмульгатора может приводить к раздражению слизистых оболочек организма и к расстройству работы желудка. В производстве детского питания эфиры глицерина не используются.
7. Сложные эфиры в фармацевтической промышленности
Сложные эфиры являются компонентами косметических кремов и лекарственных мазей, а также эфирных масел.
Нитроглицерин (Nitroglycerinum)
Сердечно-сосудистое лекарственное средство Нитроглицерин представляет собой сложный эфир азотной кислоты и трехатомного спирта глицерина, поэтому его можно назвать тринитратом глицерина.
Получают нитроглицерин добавлением к рассчитанному количеству глицерина смеси азотной и серной кислот.
Образующийся при этом нитроглицерин собирается в виде масла над кислотным слоем. Его отделяют, несколько раз промывают водой, разбавленным раствором соды (для нейтрализации кислоты) и затем снова водой. После этого его сушат безводным сульфатом натрия.
Схематично реакцию образования нитроглицерина можно представить следующим образом:
Нитроглицерин применяется в медицине как спазмолитическое (коронарорасширяющее) средство при стенокардии. Препарат выпускается в склянках по 5-10 мл 1% спиртового раствора и в таблетках, которые содержат 0,5 мг чистого нитроглицерина в каждой таблетке. Хранить склянки с раствором нитроглицерина следует в защищенном от света прохладном месте, вдали от огня. Список Б.
Ацетилсалициловая кислота (Аспирин, Acidum acetylsalicylicum)
Белое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде, хорошо растворимо в спирте, в растворах щелочей. Это вещество получают взаимодействием салициловой кислоты с уксусным ангидридом:
Ацетилсалициловая кислота уже более 100 лет широко применяется как лекарственное средство - жаропонижающее, обезболивающее и противовоспалительное.
Фенилсалицилат (салол, Phenylii salicylas)
Также известен как фениловый эфир салициловой кислоты (рис. 5).
Рис. 6 Схема получения фенилсалицилата.
Салол - антисептическое средство, расщепляясь в щелочном содержимом кишечника, высвобождает салициловую кислоту и фенол. Салициловая кислота оказывает жаропонижающее и противовоспалительное действие, фенол активен в отношении патогенной микрофлоры кишечника. Оказывает некоторое уроантисептическое действие. По сравнению с современными противомикробными ЛС фенилсалицилат менее активен, но малотоксичен, не раздражает слизистую оболочку желудка, не вызывает дисбактериоза и других осложнений противомикробной терапии.
Димедрол (Дифенгидрамин, Dimedrolum)
Другое название: 2-диметиламиноэтилового эфира бензгидрола гидрохлорид). Димедрол получают взаимодействием бензгидрола и гидрохлорида диметиламиноэтилхлорида в присутствии щелочи. Полученное основание переводят действием хлороводородной кислоты в гидрохлорид.
Оказывает антигистаминное, противоаллергическое, противорвотное, снотворное, местноанестезирующее действие.
Витамины
Витамин А пальмитат (Ретинил пальмитат) (Retinyl palmitate) - сложный эфир ретинола и пальмитиновой кислоты. Является регулятором процессов кератинизации. В результате применения средств его содержащих, повышается плотность кожи и ее эластичность.
Витамин В15 (пангамовая кислота) - эфир глюконовой кислоты и диметилглицина. Участвует в биосинтезе холина, метионина и креатина как источника метильных групп. при нарушениях кровообращения.
Витамин Е (токоферола ацетат) - является природным антиоксидантом, предотвращает хрупкость сосудов. Незаменимый жирорастворимый компонент для организма человека, поступает, в основном, в составе растительных масел. Нормализует репродуктивную функцию; препятствует развитию атеросклероза, дегенеративно-дистрофических изменений в сердечной мышце и скелетной мускулатуре.
Жиры представляют собой смеси сложных эфиров, образованных трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами. Общая формула жиров:
Общее название таких соединений: триглицериды или триацилглицерины, где ацил - это остаток карбоновой кислоты -C(O)R. 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. 9А, 9Б).
Растительные масла содержат глицериды кислот с несколько меньшей длиной углеродной цепи: лауриновой С11Н23СООН и миристиновой С13Н27СООН. (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. 9В).
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. Животные и растительные жиры также используются в производстве смазочных материалов.
Рис. 9 (А, Б, В)
9. Получение мыла
Жирам как сложным эфирам свойственна обратимая реакция гидролиза, катализируемая минеральными кислотами. При участии щелочей (или карбонатов щелочных металлов) гидролиз жиров происходит необратимо. Продуктами в этом случае являются мыла - соли высших карбоновых кислот и щелочных металлов.
Натриевые соли - твердые мыла, калиевые - жидкие. Реакция щелочного гидролиза жиров, и вообще всех сложных эфиров, называется также омылением.
Омыление жиров может протекать и в присутствии серной кислоты (кислотное омыление). При этом получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. Последние действием щелочи или соды переводят в мыла.
Исходным сырьем для получения мыла служат растительные масла (подсолнечное, хлопковое и др.), животные жиры, а также гидроксид натрия или кальцинированная сода. Растительные масла предварительно подвергаются гидрогенизации, т.е. их превращают в твердые жиры. Применяются также заменители жиров - синтетические карбоновые жирные кислоты с большой молекулярной массой.
Производство мыла требует больших количеств сырья, поэтому поставлена задача получения мыла из непищевых продуктов. Необходимые для производства мыла карбоновые кислоты получают окислением парафина. Нейтрализацией кислот, содержащих от 10 до 16 углеродных атомов в молекуле, получают туалетное мыло, а из кислот, содержащих от 17 до 21 атома углерода, - хозяйственное мыло и мыло для технических целей. Как синтетическое мыло, так и мыло, получаемое из жиров, плохо моет в жесткой воде. Поэтому наряду с мылом из синтетических кислот производят моющие средства из других видов сырья, например из алкилсульфатов - солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты.
10. Жиры в кулинарии и фармацевтике
Саломас - твердый жир, продукт гидрогенизации подсолнечного, арахисового, кокосового, пальмоядрового, соевого, хлопкового, а также рапсового масла и китового жира. Пищевой саломас используется для изготовления маргариновой продукции, кондитерских, хлебобулочных изделий.
В фармацевтической промышленности для изготовления препаратов (рыбий жир в капсулах), как основа для мазей, суппозиториев, кремов, эмульсий.
Заключение
Сложные эфиры широко используются в технической, пищевой и фармацевтической промышленностях. Изделия и продукты этих промышленностей широко используются человеком в быту. Человек сталкивается со сложными эфирами, употребляя определенные продукты питания и лекарственные средства, используя парфюмерию, одежду из определенных тканей и некоторые инсектициды, мыло и бытовую химию.
Одни представители данного класса органических соединений безопасны, другие требуют ограниченного применения и осторожности при использовании.
В целом, можно сделать вывод, что сложные эфиры занимают прочное положение во многих сферах жизни человека.
Список используемых источников
1. Карцова А.А. Покорение вещества. Органическая химия: пособие--СПб: Химиздат, 1999. --272 с.
2. Пустовалова Л.М. Органическая химия. -- Ростов н/Д: Феникс, 2003 -- 478 с.
3. http://ru.wikipedia.org
4. http://files.school-collection.edu.ru
5. http://www.ngpedia.ru
6. http://www.xumuk.ru
7. http://www.ximicat.com
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Способы получения сложных эфиров. Основные продукты и области применения эфиров. Условия проведения реакции этерификации органических кислот со спиртами. Катализаторы процесса. Особенности технологического оформления реакционного узла этерификации.
реферат , добавлен 27.02.2009
Способы получения, физические свойства, биологическое значение и методы синтеза простых эфиров. Примеры сложных эфиров, их химические и физические свойства. Методы получения: этерия, взаимодействие ангидридов со спиртами или солей с алкилгалогенидами.
презентация , добавлен 06.10.2015
Классификация, свойства, распространение в природе, основной способ получения эфиров карбоновых кислот путем алкилирования их солей алкилгалогенидами. Реакции этерификации и переэтерификация. Получение, восстановление и гидролиз сложных эфиров (эстеров).
лекция , добавлен 03.02.2009
Общее определение сложных эфиров алифатичеких карбоновых кислот. Физические и химические свойства. Методы получения сложных эфиров. Реакция этерификации и ее стадии. Особенности применения. Токсическое действие. Ацилирование спиртов галогенангидридами.
реферат , добавлен 22.05.2016
Открытие сложных эфиров первооткрывателем, русским академиком Тищенко Вячеславом Евгеньевичем. Структурная изомерия. Общая формула сложных эфиров, их классификация и состав, применение и получение. Липиды (жиры), их свойства. Состав пчелиного воска.
презентация , добавлен 19.05.2014
Номенклатура сложных эфиров. Классификация и состав основных сложных эфиров. Основные химические свойства, производство и применение бутилацетата, бензойного альдегида, анисового альдегида, ацетоина, лимонена, земляничного альдегида, этилформиата.
презентация , добавлен 20.05.2013
История открытия производных карбоновых кислот, в которых атом водорода карбоксильной группы замещен на углеводородный радикал. Номенклатура и изомерия, классификация и состав сложных эфиров. Их физические и химические свойства, способы получения.
презентация , добавлен 14.09.2014
Изучение физических свойств сложных эфиров, которые широко распространены в природе, а также находят свое применение в технике и промышленности. Сложные эфиры высших карбоновых кислот и высших одноосновных спиртов (восков). Химические свойства жиров.
презентация , добавлен 29.03.2011
Свойства изоамилацетата. Практическое применение в качестве растворителя в различных отраслях промышленности. Методика синтеза (уксусная кислота и уксуснокислый натрий). Реакция этерификации и гидролиз сложных эфиров. Механизм реакции этерификации.
курсовая работа , добавлен 17.01.2009
Основные классы органических кислородосодержащих соединений. Методы получения простых эфиров. Межмолекулярная дегидратация спиртов. Синтез простых эфиров по Вильямсону. Получение симметричных простых эфиров из неразветвленных первичных спиртов.
