2. Сила карбоновых кислот

Карбонильные соединения. Строение,
изомерия, номенклатура
1. Понятие карбонильные соединения
Вы уже знаете, что при окислении спиртов могут быть получены альдегиды или кетоны.
Свойства карбонильных соединений очень сильно зависят от того, какие атомы или группы
атомов связаны с карбонильной группой. Карбонильная группа – группа из атомов С и О,
связанных двойной связью:
Карбонильные соединения делят на два класса – альдегиды и кетоны.
Альдегиды
Кетоны
соединения, в которых карбонильная группа соединения, в которых карбонильная группа
связана хотя бы с одним атомом водорода
связана только с атомами углерода
Рис. 1. Альдегиды в природе (Источник)
Первый член ряда альдегидов – формальдегид, или муравьиный альдегид, или метаналь. В
его молекуле карбонильная группа связана только с атомами водорода:H2C=O
2. Физические свойства и строение
Карбонильная группа полярна:
Следствия:
1. Альдегиды и кетоны с небольшим числом атомов углерода хорошо растворимы в полярных
растворителях, например, в воде. При увеличении вклада углеводородного заместителя
растворимость в воде падает.
Растворимость альдегидов в воде, г/100 г воды:
Растворимость кетонов в воде, г/100 г воды:
2. Температуры плавления и кипения альдегидов и кетонов выше, чем у соответствующих
алканов. Однако они ниже, чем у спиртов. Ведь в спиртах присутствует еще более полярная
связь О-Н.
Обратите внимание! Поскольку ни в альдегидной, ни в кетонной группе нет связи между
водородом и кислородом, между молекулами альдегидов и кетонов не возникает водородная
связь.
3. Номенклатура
При образовании названий по ИЮПАК наличие альдегидной группы в молекуле обозначается
суффиксом -аль, а кетонной – -он.
CH3CH2CH2CH=O
Бутаналь
пропанон
Многие альдегиды и кетоны имеют тривиальные названия:
HCНO
формальдегид (муравьиный альдегид)
СН3СНО
ацетальдегид (уксусный альдегид)
С2Н5СНО
пропионовый альдегид
С3Н7СНО
масляный альдегид
С4Н9СНО
валериановый альдегид
СН2=СН-СНО
акролеин (акриловый альдегид)
С6Н5CHO
бензальдегид
СН3-СО-СН3
ацетон
С6Н5-CO-CH3
ацетофенон
С6Н5-CO-С6Н5 бензофенон
Изомерия альдегидов и кетонов
Для кетонов с числом атомов углерода больше 4-х характерна изомерия положения
функциональной группы:
СН3-СН2-СН2-СО-СН3 пентанон-2
СН3-СН2-СО-СН2-СН
пентанон-3
Кетоны изомерны альдегидам с таким же числом атомов углерода, а также енолам –
соединениям, содержащим одновременно двойную связь и гидроксильную группу:
СН3-СН2-СНО
пропаналь
СН3-СО-СН3
пропанон
СН2=СН-СН2ОН
пропен-2-ол-1
Енолы (непредельные спирты), у которых двойная связь и гидроксильная группа находятся
при одном атоме углерода, неустойчивы и перегруппировываются в кетоны или альдегиды.
CH3-CH=CHOH → СН3-СН2-СНО
Такая перегруппировка происходит при гидратации алкинов:
Химические свойства альдегидов и
кетонов
1. Окисление
Разница между кетонами и альдегидами:
Карбонильную группу кетонов окислить непросто, ведь она находится в середине молекулы и
не связана с атомами водорода. Напротив, альдегидная группа легко окисляется даже
слабыми окислителями. На этом основаны качественные реакции.
1. Реакция «серебряного зеркала»
При аккуратном нагревании альдегида в водно-аммиачном растворе оксида серебра стенки
пробирки покрываются зеркальным слоем выделившегося серебра:
RCH=O + Ag2O → RCOOH + 2Ag↓.
Более правильно писать:
RCH=O + 2[Ag(NH3)2]OH → RCOONH4 + 2Ag↓ + 3NH3 + H2O.
2. Взаимодействие с гидроксидом меди (II)
Голубая суспензия гидроксида меди (II) при нагревании с альдегидом приобретает окраску
томатного сока– образуется красный осадок оксида меди (I): Рис. 1.
RCH=O + 2Cu(OH)2 → RCOOН + Cu2O↓ + 2H2O.
Более правильно писать:
RCH=O + 2Cu(OH)2 + NaOH → RCOONa + Cu2O↓ + 3H2O.
→
Рис. 1. (фото Н. Морозовой)
При нагревании формальдегида с гидроксидом меди выделяются пузырьки газа:
CH2=О + 4Cu(OH)2 → CO2↑ + 2Cu2O + 4H2O.
Почему? В формальдегиде рядом с карбонильной группой два атома водорода. Это приводит
к тому, что формальдегид окисляется еще легче, чем другие альдегиды.
1. Присоединение воды
Вода присоединяется обратимо:
R-CHO + НOH
R-CH(OH)-OН.
Однако для формальдегида эта реакция в его растворе – формалине – протекает почти
полностью.
2. Присоединение спиртов
Альдегиды и кетоны обратимо присоединяют спирты, превращаясь в полуацетали. Реакция
идет в присутствии каталитических количеств кислоты или щелочи:
R-CHO + 2ROH
R-CH(OH)-OR
полуацеталь
В избытке спирта при наличии каталитических количеств кислоты происходит дальнейшее
нуклеофильное замещение ОН-группы полуацеталя остатком спирта с
образованием ацеталя:
R-CH(OH)-OR + ROH
R-CH(OR)2 + H2O.
ацеталь
Образование ацеталей позволяет защитить карбонильную группу при химических реакциях,
проводимых с другими реакционными центрами молекулы, т.к. реакционно-способная
двойная связь в ацетале исчезает. После проведения реакций ацеталь гидролизуют, и
карбонильная группа снова появляется.
3. Циангидринный синтез
R-CHO + HCN→R-CH(CN)-OH.
Гидролиз образующихся соединений приводит к получению нового класса органических
веществ – оксикарбоновых кислот R-CH(COOH)-OH.
2. Нуклеофильное присоединение
Атомы углерода и кислорода карбонильной группы связаны двойной связью. Из этого
следует, что для этих веществ характерны реакции присоединения.
На атоме углерода карбонильной группы имеется частичный положительный заряд, значит,
характерны нуклеофильные реакции.
Типичные реакции альдегидов и кетонов – нуклеофильное присоединение.
Нуклеофильные реакции – реакции, заключающиеся в атаке реагента, имеющего
избыточную электронную плотность, на атом углерода с частичным положительным
зарядом.
Нуклеофил (Nu) – частица с избытком электронной плотности.
Нуклеофилами могут быть: частицы с отрицательным зарядом (анионы F-, Cl-, Br-, I-, OH-,
CH3O-, HS-, NH2-, CH3COO-); молекулы, содержащие атомы N, O, S, P c неподеленной
электронной парой (H2O, NH3, H2S, PH3, CH3OH); молекулы, содержащие кратные связи
углерод-углерод (H2C=CH2, HC≡CH, бензол C6H6).
Восстановление
Альдегиды и кетоны присоединяют водород при нагревании под давлением в присутствии
катализатора:
CH3CH=O + H2
CH3CH2OH
3. Образование фенолформальдегидных смол
2 стадии:
1. нуклеофильное замещение (углерод в орто- и пара-положениях фенола – нуклеофил):
2. конденсация (отщепление воды с образованием метиленового мостика между бензольными
кольцами):
Далее две эти стадии повторяются по циклу:
В конце получается высокомолекулярный продукт. Он имеет не линейное, а сетчатое
строение, т.к. в реакции участвует также пара-положение фенола.
Карбоновые кислоты. Строение,
физические свойства, номенклатура
1. Классификация карбоновых кислот
Карбоновые кислоты часто называют просто органическими кислотами за их кислотные
свойства. Есть еще органические вещества, проявляющие кислотные свойства, например,
фенолы. Но именно у карбоновых кислот – эти свойства выражены наиболее сильно.
Свойства карбоновых кислот обусловлены наличием в них карбоксильной группы или
карбоксила. Карбоксильная группа образована сочетанием двух групп:
Карбоксильная группа – СООН – функциональная группа карбоновых кислот.
2. Номенклатура
Название кислот образуется так, что к названию предельного углеводорода прибавляется
-овая кислота.
Формула
алкана
Название
алкана
Формула
кислоты
Название кислоты.
СН4
метан
НСООН
метановая кислота (муравьиная)
С2Н6
этан
С3Н8
пропан
5,5-диметилгексановая кислота
2-этилбутановая кислота
пентан-3-карбоновая кислота
СН3СООН
С2Н5СООН
этановая кислота (уксусная)
пропановая кислота
(пропионовая)
3-карбокси-3-гидроксипентандиовая-1,5 кислота (лимонная)
Тривиальные названия важнейших кислот
Алифатические предельные одноосновные кислоты:
НСООН
муравьиная
СН3СООН
уксусная
С2Н5СООН
пропионовая
С3Н7СООН
масляная
С5Н11СООН
валериановая
С6Н13СООН
капроновая
С15Н31СООН
пальмитиновая
С17Н35СООН
стеариновая
Непредельные кислоты:
СН2=СН-СООН
акриловая
СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН
олеиновая
Ароматические кислоты:
С6Н5COOH
бензойная
Двухосновные кислоты:
НООС-СООН щавелевая
НООС-СН2-СООН
малоновая
3. Физические свойства
Водородные связи (прочнее, чем у молекул спиртов!)
1. температуры кипения и плавления карбоновых кислот намного выше, не только чем у
соответствующих углеводородов, но и чем у спиртов;
2. хорошая растворимость в воде (с увеличением углеводородного радикала уменьшается).
Водородные связи в карбоновых кислотах настолько сильны, что эти вещества образуют
димеры:
Почему водородные связи между молекулами карбоновых кислот прочнее, чем между
молекулами спиртов?
Потому что в карбоксильной группе выше положительный заряд на атоме водорода в
гидроксиле: электроотрицательный атом кислорода карбонильной группы стягивает
электронную плотность с гидроксильной группы.
Температуры плавления и кипения
Почему температура кипения разветвленного изомера бутановой кислоты ниже, чем
изомера нормального строения?
Разветвленный углеводородный радикал подает на карбоксильную группу большую
электронную плотность, чем неразветвленный, и полярность связи О- Н уменьшается по
сравнению с изомером нормального строения.
Почему температуры плавления изменяются зигзагообразно?
Растворимость
На переход из твердого состояния в жидкое (разрушение кристалла) влияет не только сила
межмолекулярного взаимодействия, но еще и способ упаковки молекул в кристаллической
решетке. От числа (четности) атомов углерода в молекуле зависит, под каким углом друг к
другу будут расположены карбоксильные группы в кристалле. В зависимости от этого между
молекулами образуются две или одна водородная связь, а это очень сильно влияет на
прочность кристалла.
Кислоты, содержащие более 10 атомов углерода, можно считать нерастворимыми.
Химические свойства предельных
одноосновных карбоновых кислот
1. Проявление кислотных свойств
Из названия этих соединений можно предположить, что им характерны кислотные свойства.
Кислотные свойства
Кислотные свойства – способность к отщеплению иона водорода.
⇆
+H+
В чем проявляются кислотные свойства карбоновых кислот?
1. Наличие свободного иона водорода в растворах кислот обуславливает их кислый вкус и
взаимодействие с индикаторами.
2. Кислоты взаимодействуют с активными металлами, выделяя водород:
2СН3СOOH + Mg →(СН3СOO)2Mg + H2.
этанат магния
(ацетат магния)
3. Реакции c основаниями:
СН3СOOH + NaOH → СН3СOONa + H2O.
4. Реакции с основными оксидами:
2СН3СOOH + ZnO → (СН3СOO)2Zn + H2O.
5. Реакции с солями более слабых кислот:
2СН3СOOH + Na2SiO3 → 2СН3СOONa + H2SiO3↓.
2. Сила карбоновых кислот
Электролит – вещество, диссоциирующее на ионы в растворе или расплаве.
Сильный электролит – электролит, диссоциирующий на ионы полностью.
Слабый электролит – электролит, диссоциирующий на ионы частично.
Карбоновые кислоты → слабые электролиты:
СН3СООН
СН3СОО- + Н+
Kдисс.(СН3СООН) =
= 1,8х10–5.
От чего зависит сила карбоновой кислоты?
1. От строения
Чем больше положительный заряд на атоме водорода в молекуле кислоты, тем более
сильным электролитом она будет. Наличие электронодонорных углеводородных радикалов
рядом с карбоксильной группой уменьшает способность кислоты диссоциировать.
HCOOH > CH3COOH > (CH3)2CH-COOH > (CH3)3C-COOH
К = 1,8·10-4
1,8·10-5
1,4·10-5
2. От наличия других групп в молекуле
Введение электроноакцепторных заместителей увеличивает положительный заряд на атоме
водорода и силу кислоты.
СН3СООН < CH2Cl-COOH < CHCl2COOH < CCl3COOH
К = 1,8·10-5
1,4·10-3
5,0·10-2
2,0·10-1
Пропионовая
СН3-СН2-СООН
К = 1,3·10-5
Молочная
СН3-СНОН-СООН
К = 1,5·10-4
Муравьиная
НСООН
К = 1,8·10-4
Щавелевая
НООС-СООН К1 = 5,6·10-2
Нуклеофильное замещение (реакция этерификации)
Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами в присутствии катализатора – серной
кислоты, образуя сложные эфиры.
СН3СOOH + С2H5OH
СН3СOOС2H5 + H2O.
3. Декарбоксилирование
Декарбоксилирование – удаление карбоксильной группы.
1. При нагревании с твердыми щелочами соли карбоновых кислот дают алкан с числом
атомов углерода на единицу меньше, а карбоксильная группа удаляется в виде карбоната:
RCOONaтв + NaOHтв
RH + Na2CO3.
2. Твердые соли карбоновых кислот со щелочноземельными металлами при нагревании дают
кетон и карбонат:
(СН3СОО)2Са
СН3-СО-СН3 + СаСО3.
3. Бензойная кислота при прокаливании разлагается на бензол и углекислый газ:
Ph-COOH
PhH + CO2.
4. При электролизе водных растворов солей карбоновых кислот на аноде выделяется
углекислый газ, а углеводородные радикалы объединяются в алкан (реакция Кольбе):
2RCOONa + Н2О → R-R + 2CO2 + 2NaOH.
При электролизе без диафрагмы (с неразделенным катодным и анодным пространством)
гидроксид натрия взаимодействует с углекислым газом, и одним из продуктов является
гидрокарбонат:
2RCOONa + Н2О →R-R + 2NaHCO3.
Муравьиная, уксусная, щавелевая и
жирные кислоты. Особенности
свойств
1. Муравьиная кислота
Это вещество можно рассматривать не только как кислоту, но и как альдегид. Коричневым
цветом обведена альдегидная группа.
Поэтому муравьиная кислота проявляет типичные для альдегидов восстановительные
свойства:
1. Реакция серебряного зеркала:
+ 2Ag (NH3)2ОН ® NH4HCO3 + 3NH3 + 2Ag + H2O.
2. Реакция с гидроксидом меди при нагревании:
НСООNa + 2Cu (OH)2 + NaOH ® Na2CO3 + Cu2O¯ + 3H2O.
3. Окисление хлором до углекислого газа:
НСООН + Cl2 ® CO2 + 2HCl.
Концентрированная серная кислота отбирает у муравьиной кислоты воду. При этом
образуется монооксид углерода:
HCOOH + H2SO4 = H2SO4×H2O + CO.
2. Уксусная кислота
В молекуле уксусной кислоты есть метильная группа, остаток насыщенного углеводорода –
метана.
Поэтому уксусная кислота (и другие предельные кислоты) будет вступать в характерные для
алканов реакции радикального замещения, например:
СН3СOOH + Сl2
+ HCl
3. Щавелевая кислота
НООС – СООН
Первый представитель ряда двухосновных карбоновых кислот. Твердое, белое и хорошо
растворимое в воде вещество.
Щавелевая кислота образует два ряда солей – оксалатов: кислые и средние:
HOOC–COOH + NaOH ® HOOC–COONa
+ H2O
гидрооксалатнатрия
HOOC–COONa + NaOH ® NaOOC–COONa
оксалат натрия
Жирные кислоты
+ H2O
4. Жирные кислоты
Жирные кислоты – одноосновные карбоновые кислоты с длинной углеводородной цепью (от
14 до 24 атомов углерода).
Окисление жирных кислот – один из основных источников энергии живого организма.
Жирные кислоты нерастворимы в воде и не обладают кислым вкусом. Однако они реагируют
с основаниями, образуя соли (мыла):
C17H35COOH
стеариновая кислота
+ NaOH ® C17H35COONa
+ H2O
стеарат натрия
Оксикислоты
Оксикислоты– вещества, которые одновременно содержат и карбоксильную, и
гидроксильную группы. Например:
Молочная кислота CH3–CHOH–COOH образуется в процессе молочнокислого брожения и
может существовать в форме двух зеркальных изомеров:
Другие кислоты
Радикал карбоновой кислоты может также содержать другие реакционные центры. Например:
1. Непредельные карбоновые кислоты вступают в реакции электрофильного присоединения
по кратным связям:
СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7-СООН + Br2 ® СН3-(СН2)7-СНBr-СНBr-(СН2)7-СООН.
2. Карбоновые кислоты, молекула которых содержит бензольное кольцо, вступают в реакции
электрофильного замещения в ароматическом ядре. При этом карбоксильная группа – СООН
затрудняет реакцию и ориентирует входящую группу в мета- положение:
С6Н5-СООН + HNO3
+ H2O.
3. Атомы галогенов или гидроксогруппы, входящие в состав радикала, могут вступать в
реакции нуклеофильного замещения:
СH2Cl-COOH + 2NH3® CH2NH2-COOH + NH4Cl.
Получение и применение карбоновых
кислот
1. Общие способы получения кислот
1. Окисление непредельных углеводородов подкисленным раствором перманганата калия
или дихромата калия:
5СHR=CHR + 8KMnO4 + 12H2SO4 = 10RCOOH + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 12H2O.
Слева – раствор перманганата калия, справа – результат его взаимодействия с алкеном. Рис.
1.
Рис. 1. Окисление непредельных углеводородов (фото Н. Морозовой)
2. Окисление спиртов подкисленным раствором перманганата или дихромата калия: Рис. 2.
3С2Н5ОН + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3СН3СООН + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 11H2O.
Слева – раствор дихромата калия, справа – результат его взаимодействия с этиловым
спиртом.
Рис. 2. Окисление спиртов
3. Окисление альдегидов мягкими окислителями: Рис. 3.
R-CHO + Ag2O ® R-COOH + 2Ag¯;
R-CHO + 2Cu(OH)2® R-COOH + Cu2O¯ + 2H2O.
Рис. 3. Окисление альдегидов
4. При окислении аренов перманганатом или дихроматом калия образуется бензойная
кислота:
5С6Н5-СН2-СН3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 ® 5С6Н5COOH + 5СО2 + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 22H2O.
2. Получение и применение уксусной кислоты
Способы получения:
1. Ферментативное окисление водных растворов этилового спирта:
CH3CH2OH + O2
CH3COOH + H2O.
2. Каталитическое окисление бутана кислородом воздуха (в промышленности) (Рис. 4):
Рис. 4. Центральный пульт управления цеха уксусной кислоты (Источник) (Фото А.Зорика)
2CH3–CH2–CH2–CH3 + 5O2
4CH3COOH + 2H2O
Применение:
· синтез хлорэтановой кислоты (и далее из нее – других органических веществ):
СН3–СООН ® Cl–СH2–COOH ® H2N–CH2–COOН.
· синтез сложных эфиров – ароматизаторов, лекарств, растворителей.
· получение ацетатов.
3. Получение и применение муравьиной кислоты
Получение:
Взаимодействие гидроксида натрия и монооксида углерода при нагревании и повышенном
давлении (в промышленности):
NaOH + CO
HCOONa
HCOOH.
4. Получение и применение жирных кислот
Получение:
Гидролиз жиров:
+ 3NaОН ®
+ 3RCOONa
Применение:
Рис. 5 (Источник)
Соли жирных кислот являются поверхностно-активными веществами и применяются в
качестве мыла (соли натрия – твердое мыло, соли калия – жидкое мыло).
Производные карбоновых кислот.
Сложные эфиры
1. Ангидриды карбоновых кислот
Гидроксил карбоксильной группы способен при определенных условиях замещаться на другие
атомы или группы атомов.
Ангидриды
В присутствии водоотнимающих средств, таких как оксид фосфора (V), гидроксил одной
карбоновой кислоты замещается на остаток другой карбоновой кислоты:
2RCOOH
(RCO)2O + Н2О
Ангидриды карбоновых кислот (RCO)2O – производные карбоновых кислот,
представляющие собой продукт замещения гидроксила карбоксильной группы одной кислоты
на остаток другой кислоты.
Малеиновый ангидрид:
Ангидриды карбоновых кислот более реакционноспособны, чем сами кислоты и сложные
эфиры. Они легко вступают в реакции нуклеофильного замещения – например,
гидролизуются:
(RCO)2О + H2O = 2RCOOH.
Галогенангидриды
При взаимодействии с галогенидами фосфора происходит замена гидроксила на атом
галогена:
RCOOH + PCl5 = RCOCl + POCl3 + HCl
Галогенангидриды RCOНаl – производные карбоновых кислот, у которых гидроксил
карбоксильной группы замещен на атом галогена.
Галогенангидриды еще реакционноспособнее ангидридов.
Амиды и нитрилы
Амиды можно получить аммонолизом хлорангидридов или ангидридов:
RCOCl + 2NH3 = RCONH2 + NH4Cl
или нагреванием аммониевых солей карбоновых кислот:
RCOONH4
RCONH2 + H2O.
Если нагревать амид дальше в присутствии Р2О5, то он превращается в нитрил:
RCONH2
RCN + H2O.
Нитрил можно также получить, замещая гидроксил или атом галогена на цианогруппу.
Гидролизом нитрилов в кислой среде получают кислоты:
RCN + 2H2O + HCl = RCOOH + NH4Cl
2. Сложные эфиры
В присутствии сильных неорганических кислот гидроксильная группа обратимо обменивается
на остаток спирта:
RCOOH + R’OH
RCOOR’ + H2O
Сложные эфиры RCOOR’ – производные карбоновых кислот, у которых гидроксил
карбоксильной группы замещен на остаток спирта.
3. Номенклатура сложных эфиров
этилацетат
углеводородный заместитель + кислотный остаток
Названия по ИЮПАК выделены жирным шрифтом:
CH3–COO–CH3–CH3
H–COO–C2H5
CH2CH2–COO–C2H5
Этилформиат, этилметано Метилацетат, метилэтано Этилбутират, этилбутаноа
ат;
ат;
т;
этиловый эфир муравьиной
кислоты
метиловый эфир уксусной
кислоты
этиловый эфир бутановой
кислоты
4. Физические свойства, запахи эфиров
Запахи эфиров:
Рис. 1.
Сложные эфиры нерастворимы в воде, но хорошо смешиваются со многими органическими
веществами. Именно поэтому они используются как растворители для лаков и красок. Рис. 1.
Этилацетат и метил ацетат – основа растворителя – жидкости для снятия лака с ногтей.
Температуры кипения сложных эфиров меньше, чем температуры кипения кислот и спиртов
с близкой молярной массой. Почему? Сложные эфиры, в отличие от кислот и спиртов, не
способны образовывать водородные связи между молекулами. Табл. 1.
Табл. 1. Сравнение температуры кипения эфиров
5. Способность к гидролизу эфиров
Главное химическое свойство сложных эфиров – способность к гидролизу:
H–COO–C2H5 + H2O
H–COOH + C2H5OH;
CH3–COO–CH3 + NaOH ® CH3–COONa + CH3OH.
Жиры
Состав и строение жиров
Жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот
(Рис. 1).
Рис. 1. Общая формула жира
Углеводородные радикалы Ra, Rb, Rc в составе молекулы жира могут быть как одинаковыми, так и
различными, но как правило, с большим числом атомов углерода (больше 15). Например, тристеарат
глицерина содержит остатки стеариновой кислоты С17Н35СООН.
В некоторых жирах встречаются и остатки низших кислот, например в сливочном масле содержатся
углеводородные радикалы С3Н7, входящие в состав масляной кислоты С3Н7СООН.
Физические свойства жиров
Углеводородные радикалы определяют физические и химические свойства жиров. Если
углеводородные цепи длинные, а двойных связей в них нет или их немного (т.е. предельные
неразветвленные радикалы), то различают твердые при комнатной температуре вещества. Это, как
правило, животные жиры: бараний жир, свиное сало. Исключение составляет рыбий жир, он жидкий.
Жиры, содержащие остатки непредельных карбоновых кислот, как правило, жидкие. Они
растительного происхождения и их называют маслами. Исключение – пальмовое масло, это твердое
растительное вещество.
Из физических свойств жиров также стоит отметить отсутствие у них растворимости в воде. Жиры
хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, например в бензоле и гексане (Рис.
2.).
Рис. 2. Физические свойства жиров
Химические свойства жиров
1. Гидрирование.
Жидкий растительный жир можно превратить в твердый жир путем гидрирования (в промышленности
данный процесс называется гидрогенизацией жиров). Гидрирование – это присоединение водорода с
разрушением двойных связей в жидких жирах под действием никелевого катализатора, что приводит к
получению веществ с более высокой температурой плавления (твердых жиров). Продукт гидрирования
жиров называется саломасом и используется для приготовления маргарина и других продуктов
питания. Пример реакции гидрирования жира:
2. Гидролиз.
В кислой среде гидролиз жиров обратим и протекает с образованием глицерина и жирных кислот.
Такой гидролиз постоянно протекает в клетках организма человека под влиянием ферментов.
Продукты гидролиза – глицерин и жирные кислоты – всасываются ворсинками кишечника. Из них
образуются новые молекулы жиров, необходимых данному организму.
В щелочной среде гидролиз жиров необратим. Данный процесс называют омылением, т.к. продуктами
реакции, кроме глицерина, являются соли жирных кислот – мыла (Рис. 3).
Рис. 3. Схема гидролиза жира
В незначительной степени гидролиз протекает при хранении жира под действием влаги, света и тепла.
Жир прогоркает, т.е. приобретает неприятный вкус и запах, в результате образования кислот.
Значение жиров
Роль жиров для организма трудно переоценить. Во-первых, жиры – важная составная часть пищи. Они
служат одним из основных источников энергии организма. При окислении одного грамма жира
выделяется 38,9 кДж энергии.
Во-вторых, жиры в организме служат резервным питательным веществом.
Кроме того, жиры накапливаются в подкожных тканях и тканях, окружающих внутренние органы,
выполняя защитную и теплоизоляционную функцию.
Из жиров получают такие продукты питания, как маргарин и майонез. Помимо употребления в пищу,
жиры используют для получения мыла, смазочных материалов, косметических средств, свечей,
глицерина, олифы.
Жиры. Строение, химические
свойства, функции в организме
Жиры – сложные эфиры глицерина и жирных (неразветвленных одноосновных карбоновых) кислот.
Сложные эфиры RCOOR’ – производные карбоновых кислот, у которых гидроксил карбоксильной
группы замещен на остаток спирта.
Жиры — строительный материал и запас энергии организма. В теле человека массой 70 кг в среднем
содержится около 11 кг жира.
В животных жирах обычно содержатся остатки предельных (насыщенных) углеводородов. Эти жиры
твердые.
R = СnH2n + 1
Рис. 1 (Источник)
Растительные жиры (масла) обычно жидкие при комнатной температуре. В состав растительных
масел обычно входят остатки непредельных (ненасыщенных) кислот. Растительные масла жидкие
потому, что окружение каждой двойной связи – жесткая плоская конструкция из 6 атомов, и такие
молекулы плохо укладываются в кристаллическую решетку.
R = СnH2n – 1, СnH2n – 3, СnH2n – 5 …
Рис. 2 (Источник)
Агрегатное состояние жира зависит не от его происхождения, а именно от наличия или отсутствия в
нем остатков непредельных кислот.
Кокосовое масло содержит остатки предельных кислот, а потому твердое:
Рис. 3 (Источник)
Рыбий жир – жидкий, потому что в нем содержатся остатки непредельных кислот:
Рис. 4 (Источник)
Гидрирование жиров
Из дешевых сортов растительных масел, непригодных для употребления в пищу, получают с помощью
неполного гидрирования маргарин, а при глубоком гидрировании образуется саломас — твердая масса,
которую используют для производства мыла:
Гидролиз жиров
В организме под действием ферментов жиры разлагаются на глицерин и жирные кислоты:
В промышленности проводят щелочной гидролиз жиров, при этом образуется глицерин и смесь солей
жирных кислот — мыло:
Действие мыла
Почему растворы мыла растворяют частички грязи?
Потому что анион соли жирной кислоты состоит из двух частей: гидрофильной (полярный остаток
карбоксильной группы, на котором сосредоточен отрицательный заряд) и гидрофобной (большой
углеводородный радикал).
Гидрофильность – сродство к воде, способность к электростатическому взаимодействию с
молекулами воды.
Гидрофобность – отсутствие сродства к воде, неспособность к электростатическому взаимодействию с
молекулами воды, приводящие к выталкиванию из водной среды.
Углеводородные радикалы мыла прилипают к грязевой частице, а гидрофильная часть
взаимодействует с водой. В результате грязь отрывается от поверхности и переходит в раствор, где
другие анионы мыла окружают ее со всех сторон и не дают осесть обратно:
Рис. 5
Когда мыло плохо мылится?
1) В подкисленной воде выпадают в осадок белые хлопья. Почему? Более сильные кислоты вытесняют
из
солей
слабые
нерастворимые
жирные
кислоты:
C17H35COONa + HCl
C17H35COOH
+ NaCl.
2) В жесткой воде — воде, содержащей много солей магния и кальция — выпадают в осадок
нерастворимые
кальциевые
и
магниевые
соли
жирных
кислот:
2C17H35COONa + CaCl2
(C17H35COO)2Ca
+ 2NaCl.