Тема сложных эфиров и жиров — одна из самых объёмных в школьном курсе органической химии. Разберём свойства, способы получения и качественные реакции на эти классы соединений. Алгоритмы решения типичных заданий помогут запомнить материал и научиться применять теорию на практике.
В каких заданиях ЕГЭ встречается тема
Чтобы успешно сдать экзамен, нужно ориентироваться в следующих типах заданий:
- Задание 10. Классификация органических веществ. Нужно уметь отличать сложный эфир от простого эфира или кетона.
- Задание 11. Изомерия и гомология. Требуется находить структурные и межклассовые изомеры для сложных эфиров.
- Задание 12. Химические свойства. Нужно выбирать реагенты, с которыми взаимодействует конкретный эфир.
- Задание 13. Свойства кислородсодержащих и азотсодержащих веществ, биологически важных молекул. Сюда входят жиры и продукты их гидролиза.
- Задания 15, 16. Органические реакции и цепочки превращений базового уровня.
- Задания 32 и 33. Задачи второй части. Включают расчёты структуры неизвестного вещества по массе продуктов сгорания, сложные окислительно-восстановительные реакции, гидролиз галогеналканов до спиртов с последующей этерификацией.
Строение и номенклатура сложных эфиров
Сложные эфиры — это производные карбоновых кислот, в которых атом водорода в карбоксильной группе заменён на углеводородный радикал.
Общая формула имеет вид $R-COO-R’$, где $R$ и $R’$ — углеводородные радикалы. В эфирах муравьиной кислоты $R$ является атомом водорода.
Для предельных ациклических сложных эфиров общая молекулярная формула выглядит так: $C_nH_{2n}O_2$(где $n \ge 2$). Атом углерода карбонильной группы имеет $sp^2$-гибридизацию, остальные атомы углерода в радикалах предельных эфиров — $sp^3$-гибридизацию.
Как называть сложные эфиры
Названия строятся по чёткому шаблону. Сначала указывается название радикала спирта, затем идёт название кислотного остатка с суффиксом «-ат».
Таблица 1. Примеры номенклатуры сложных эфиров
| Формула эфира | Название радикала | Название кислотного остатка | Итоговое тривиальное и систематическое название |
|---|---|---|---|
| $HCOOCH_3$ | Метил- | Формиат (метаноат) | Метилформиат (метилметаноат) |
| $CH_3COOC_2H_5$ | Этил- | Ацетат (этаноат) | Этилацетат (этилэтаноат) |
| $C_2H_5COOC_3H_7$ | Пропил- | Пропионат (пропаноат) | Пропилпропионат |
| $C_6H_5COOCH_3$ | Метил- | Бензоат | Метилбензоат |
Изомерия сложных эфиров
Для сложных эфиров характерны следующие виды изомерии.
Изомерия углеродного скелета характерна и для кислотной части, и для спиртовой.
Пример: $CH_3-CH_2-CH_2-COOCH_3$ (метилбутират) и $CH_3-CH(CH_3)-COOCH_3$ (метилизобутират).
Изомерия положения сложноэфирной группы.
Пример: $CH_3-CH_2-COOCH_3$ (метилпропионат) и $CH_3-COO-CH_2-CH_3$ (этилацетат).
Межклассовая изомерия. Сложные эфиры изомерны карбоновым кислотам.
Пример: метилформиат ($HCOOCH_3$) и уксусная кислота ($CH_3COOH$).
Физические свойства
В отличие от кислот и спиртов, молекулы сложных эфиров не образуют межмолекулярных водородных связей. Из-за этого их температуры кипения значительно ниже. Сложные эфиры — летучие жидкости, плохо растворимые в воде. Многие из них обладают приятными фруктовыми или цветочными запахами.
Строение и физические свойства жиров
Жиры (триглицериды) — это сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот (жирных кислот).
Таблица 2. Важнейшие высшие жирные кислоты
| Название | Формула | Тип кислоты | Влияние на агрегатное состояние жира |
|---|---|---|---|
| Пальмитиновая | $C_{15}H_{31}COOH$ | Предельная | Пальмитаты образуют твёрдые жиры (обычно животного происхождения) |
| Стеариновая | $C_{17}H_{35}COOH$ | Предельная | Стеараты образуют твёрдые жиры |
| Олеиновая | $C_{17}H_{33}COOH$ | Непредельная (1 двойная связь) | Олеаты образуют жидкие жиры (масла) |
| Линолевая | $C_{17}H_{31}COOH$ | Непредельная (2 двойные связи) | Линолеаты образуют жидкие жиры |
| Линоленовая | $C_{17}H_{29}COOH$ | Непредельная (3 двойные связи) | Линоленоаты образуют текучие масла |
Жиры легче воды и не растворяются в ней. Температура плавления жира напрямую зависит от кислотных остатков, входящих в состав триглицерида.
Способы получения сложных эфиров и жиров
Реакция этерификации
Это взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом. Реакция обратима и требует присутствия сильной неорганической кислоты в качестве катализатора (обычно концентрированной серной кислоты) и нагревания. Механизм взаимодействия: от кислоты отщепляется гидроксогруппа $OH$, а от спирта — атом водорода $H$.
- $CH_3COOH + CH_3OH \rightleftharpoons CH_3COOCH_3 + H_2O$ — получение метилацетата.
- $HCOOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons HCOOC_2H_5 + H_2O$ — получение этилформиата.
- $C_2H_5COOH + C_3H_7OH \rightleftharpoons C_2H_5COOC_3H_7 + H_2O$ — получение пропилпропионата.
- $C_6H_5COOH + CH_3OH \rightleftharpoons C_6H_5COOCH_3 + H_2O$ — получение метилбензоата.
- $HOOC-COOH + 2CH_3OH \rightleftharpoons CH_3OOC-COOCH_3 + 2H_2O$ — получение диметилоксалата.
Синтез жиров протекает аналогно с участием глицерина:
- $CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2(OH) + 3C_{17}H_{35}COOH \rightleftharpoons$ тристеарат глицерина $+ 3H_2O$.
- $CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2(OH) + 3C_{17}H_{33}COOH \rightleftharpoons$ триолеат глицерина $+ 3H_2O$.
- $CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2(OH) + 3C_{15}H_{31}COOH \rightleftharpoons$ трипальмитат глицерина $+ 3H_2O$.
Взаимодействие солей карбоновых кислот с галогеналканами
Галоген и атом щелочного металла образуют соль.
- $CH_3COOK + C_2H_5Br \to CH_3COOC_2H_5 + KBr$.
- $C_6H_5COONa + CH_3Cl \to C_6H_5COOCH_3 + NaCl$.
Реакции с хлорангидридами и ангидридами кислот
Спирты могут реагировать с более активными производными кислот. Фенолы вступают в реакцию этерификации именно таким образом, так как с самими карбоновыми кислотами фенолы не реагируют.
- $CH_3COCl + CH_3OH \to CH_3COOCH_3 + HCl$.
- $(CH_3CO)_2O + C_2H_5OH \to CH_3COOC_2H_5 + CH_3COOH$.
- $C_6H_5OH + CH_3COCl \to CH_3COOC_6H_5 + HCl$. В этой реакции фенол образует фенилацетат.
- $C_6H_5OH + (CH_3CO)_2O \to CH_3COOC_6H_5 + CH_3COOH$.
Химические свойства сложных эфиров и жиров
Реакции гидролиза
Выделяют кислотный и щелочной гидролиз.
Кислотный гидролиз является обратимым процессом. Это обратная реакция этерификации. Требует нагревания в присутствии раствора кислоты.
- $CH_3COOC_2H_5 + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + C_2H_5OH$.
- $HCOOCH_3 + H_2O \rightleftharpoons HCOOH + CH_3OH$.
- $C_3H_7COOC_2H_5 + H_2O \rightleftharpoons C_3H_7COOH + C_2H_5OH$.
- Триолеат глицерина (жидкий жир) $+ 3H_2O \rightleftharpoons$ глицерин $+ 3C_{17}H_{33}COOH$ (олеиновая кислота).
- Тристеарат глицерина (твёрдый жир) $+ 3H_2O \rightleftharpoons$ глицерин $+ 3C_{17}H_{35}COOH$ (стеариновая кислота).
Щелочной гидролиз (омыление) протекает необратимо. Спирт выделяется в свободном виде, а карбоновая кислота превращается в соль под действием щёлочи.
- $CH_3COOC_2H_5 + NaOH \to CH_3COONa + C_2H_5OH$.
- $HCOOCH_3 + KOH \to HCOOK + CH_3OH$.
- $C_6H_5COOCH_3 + NaOH \to C_6H_5COONa + CH_3OH$.
- $CH_3COOCH(CH_3)_2 + KOH \to CH_3COOK + CH_3-CH(OH)-CH_3$ (образовался изопропиловый спирт).
В случае жиров щелочной гидролиз приводит к образованию солей высших кислот, которые называются мылами.
Натриевые соли образуют твёрдое мыло, а калиевые соли образуют жидкое мыло.
- Тристеарин $+ 3NaOH \to$ глицерин $+ 3C_{17}H_{35}COONa$ (стеарат натрия, твёрдое мыло).
- Трипальмитин $+ 3KOH \to$ глицерин $+ 3C_{15}H_{31}COOK$ (пальмитат калия, жидкое мыло).
Горение
При поджигании сложные эфиры окисляются кислородом воздуха до углекислого газа и воды.
$CH_3COOCH_3 + 3{,}5O_2 \to 3CO_2 + 3H_2O$.
$HCOOC_2H_5 + 3{,}5O_2 \to 3CO_2 + 3H_2O$.
Окисление производных муравьиной кислоты
Эфиры муравьиной кислоты (формиаты) уникальны. В их структуре сохраняется альдегидная группа $H-C=O$. Из-за этого формиаты вступают в качественные реакции окисления, характерные для альдегидов:
- Реакция «серебряного зеркала»: $HCOOCH_3 + 2[Ag(NH_3)_2]OH \to CH_3O-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$.
- Окисление гидроксидом меди(II) при нагревании: $HCOOC_2H_5 + 2Cu(OH)_2 \to CO_2 \uparrow + C_2H_5OH + Cu_2O \downarrow + H_2O$ (промежуточно образующийся этилугольный эфир неустойчив и разлагается).
- Окисление сильными окислителями (перманганат или дихромат): $5HCOOCH_3 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \to 5CO_2 \uparrow + 5CH_3OH + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 3H_2O$.
- Окисление бромной водой: $HCOOC_2H_5 + Br_2 + H_2O \to CO_2 \uparrow + C_2H_5OH + 2HBr$.
Реакции непредельных сложных эфиров и жидких жиров
Наличие двойной связи между атомами углерода в радикале позволяет эфиру вступать в классические реакции присоединения алкенов.
- Гидрирование алкеновых радикалов: $CH_2=CH-COOCH_3 + H_2 \to CH_3-CH_2-COOCH_3$ (при нагревании и присутствии никеля).
- Гидрогенизация жиров, или превращение жидких масел в твёрдый маргарин: триолеат глицерина $+ 3H_2 \to$ тристеарат глицерина.
- Галогенирование: $CH_2=CH-COOCH_3 + Br_2 \to CH_2Br-CHBr-COOCH_3$. Это качественная реакция обесцвечивания слабой бромной воды.
- Бромирование жидкого жира: триолеин $+ 3Br_2 \to$ три-(дибромстеарат) глицерина.
- Полимеризация: $n\, CH_2=C(CH_3)-COOCH_3 \to [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$. Так получают полиметилметакрилат, известный как оргстекло.
Присоединение галогеноводородов и воды к эфирам акриловой кислоты идёт против правила Марковникова.
Сложноэфирная группа оттягивает на себя электронную плотность, меняя распределение зарядов. Водород пойдёт к наименее гидрированному атому.
- Гидрогалогенирование: $CH_2=CH-COOCH_3 + HCl \to CH_2Cl-CH_2-COOCH_3$.
- Гидратация в кислой среде: $CH_2=CH-COOCH_3 + H_2O \to HO-CH_2-CH_2-COOCH_3$.
Мягкое окисление непредельных радикалов водным раствором перманганата калия приводит к образованию диолов:
- $3CH_2=CH-COOCH_3 + 2KMnO_4 + 4H_2O \to 3CH_2(OH)-CH(OH)-COOCH_3 + 2MnO_2 \downarrow + 2KOH$.
Качественные реакции на сложные эфиры и жиры
Определить принадлежность вещества к эфирам часто требуют в заданиях ЕГЭ. Запомни визуальные признаки реакций.
Таблица 3. Качественные реакции
| Реагент | Целевая группа эфира | Видимый признак реакции |
|---|---|---|
| Аммиачный раствор $Ag_2O$ | Формиаты ($HCOOR$) | Выпадение блестящего налёта металлического серебра на стенках пробирки. |
| Свежеосаждённый $Cu(OH)_2$, при нагревании | Формиаты ($HCOOR$) | Изменение цвета с голубого на жёлтый, а затем выпадение кирпично-красного осадка $Cu_2O$. |
| Бромная вода в растворе | Непредельные радикалы (жидкие жиры, непредельные эфиры) | Обесцвечивание жёлто-бурого раствора. |
| Окисление раствором $KMnO_4$ | Непредельные радикалы | Обесцвечивание фиолетового раствора и выпадение бурого осадка $MnO_2$. |
Типичные ошибки на ЕГЭ
Гидролиз фениловых эфиров
Часто при щелочном гидролизе фенилацетата в продуктах ошибочно указывают спирт фенол: $CH_3COOC_6H_5 + NaOH \neq CH_3COONa + C_6H_5OH$. Фенол сам по себе проявляет свойства слабой кислоты и реагирует с щёлочью. Поэтому всегда образуются две соли и вода. Для реакции нужны две молекулы щёлочи: $CH_3COOC_6H_5 + 2NaOH \to CH_3COONa + C_6H_5ONa + H_2O$.
Правило Марковникова
В продуктах взаимодействия метилакрилата и хлороводорода ошибочно рисуют хлор у центрального атома углерода. Нужно помнить про сильный электроноакцепторный эффект карбоксильной группы. Реакция идёт против правила Марковникова: $CH_2=CH-COOCH_3 + HCl \to CH_2Cl-CH_2-COOCH_3$.
Агрегатные состояния мыла
Легко перепутать, какое мыло твёрдое, а какое жидкое. Строго запомни: соединения натрия образуют твёрдые сорта мыла. Соединения калия образуют жидкие сорта мыла.
Разбор заданий
Закрепим теорию на примерах формулировок из вариантов экзамена.
Пример № 1. Задание 10
Установите соответствие между названием вещества и классом, к которому оно принадлежит.
А) 1,3-дипропилбензол
Б) пропандиол-1,3
В) пропилпропионат
Классы:
- Сложные эфиры.
- Арены.
- Одноатомные спирты.
- Двухатомные спирты.
А. Корень «-бензол» указывает на ароматический углеводород, то есть арен. А — 2.
Б. Название содержит суффикс «-диол», что прямо указывает на наличие двух гидроксильных групп $OH$. Это двухатомный спирт. Б — 4.
В. Слово состоит из радикала «пропил-» и соли пропановой кислоты «-пропионат». Названия из двух частей всегда соответствуют сложным эфирам. В — 1.
Формула эфира под буквой В: $CH_3-CH_2-COO-CH_2-CH_2-CH_3$.
Ответ: 241.
Пример № 2. Задание 12
Из предложенного перечня выберите все вещества, с которыми вступает в реакцию метиловый эфир уксусной кислоты:
- $HBr$.
- $KOH$ (раствор).
- $H_2SO_4$ (разбавленный раствор).
- $Cu(OH)_2$.
- $KMnO_4$.
Построим молекулу метилового эфира уксусной кислоты, или метилацетата: $CH_3-COOCH_3$.
Проанализируем структуру: это предельный эфир, радикал спирта и кислоты насыщенные. Он не реагирует с реагентами по двойной связи. Также он не является формиатом, поэтому не окисляется перманганатом или гидроксидом меди.
Разберём варианты:
- $HBr$ — галогеноводороды не реагируют с предельными эфирами (не растворяют их и не присоединяются к ним). Не подходит.
- Раствор $KOH$ — типичный необратимый щелочной гидролиз. Подходит.
- Разбавленный раствор $H_2SO_4$ — вода в присутствии кислоты обеспечит обратимый кислотный гидролиз. Подходит.
- $Cu(OH)_2$ и $KMnO_4$ — реакции окисления. Они здесь не пройдут, так как эфир не имеет альдегидной группы или кратных связей.
Ответ: 23.
Пример № 3. Задание 16
Задана следующая схема превращений веществ:
$C_3H_7OH \xrightarrow{X} C_3H_7COOC_3H_7 \xrightarrow{Y} C_3H_7COOK$
Определите, какие из указанных веществ являются веществами $X$ и $Y$.
- Бутанол-1.
- Пропионат калия.
- Гидроксид калия.
- Пропановая кислота.
- Бутановая кислота.
Расшифруем первую часть схемы: $C_3H_7OH \xrightarrow{X} C_3H_7COOC_3H_7$. Спирт (пропанол) превращается в сложный эфир — пропилбутират. Радикал кислоты включает 4 атома углерода. Нам нужна кислота с четырьмя атомами углерода для проведения реакции этерификации. Подходит бутановая кислота ($C_3H_7COOH$). Вещество $X$ — бутановая кислота (вариант 5).
Расшифруем вторую часть: $C_3H_7COOC_3H_7 \xrightarrow{Y} C_3H_7COOK$. Сложный эфир разрушился, и образовалась калиевая соль соответствующей кислоты ($C_3H_7COOK$). Это признак щелочного гидролиза. Реагентом выступает водный раствор щёлочи калия — гидроксид калия ($KOH$). Вещество $Y$ — гидроксид калия (вариант 3).
Ответ: 53.
Заключение
Теперь ты знаешь особенности строения, физические и химические свойства сложных эфиров и жиров. Ты умеешь писать реакции этерификации, кислотного и щелочного гидролиза эфиров, а также специфические реакции окисления формиатов и присоединения для непредельных эфиров. Эти знания помогут без ошибок выполнить задания тестовой части и цепочки превращений второй части ЕГЭ по химии. Чтобы закрепить тему, советуем решить 10–15 типовых задач из «100балльного банка».
