Сложные эфиры и реакция этерификации

Запах банана, ананаса или груши в учебном опыте часто связан не с самим фруктом, а со сложным эфиром. Такие соединения получают из карбоновых кислот и спиртов, а в природе они входят в состав эфирных масел, восков и жиров. По одной формуле можно увидеть, от какой кислоты и какого спирта произошёл эфир, а по условиям реакции понять, почему нагревания недостаточно и для высокого выхода важно удалять воду.

Строение и общая формула

В молекуле карбоновой кислоты есть группа -COOH. Если заменить в ней атом водорода у кислорода на углеводородный радикал, получится фрагмент -COOR′, характерный для сложных эфиров. Буква R обозначает остаток кислоты, а R′ показывает остаток спирта. Например, в молекуле CH₃COOC₂H₅ слева находится ацетильный остаток CH₃CO-, а справа, после кислорода, этильный радикал C₂H₅.

Соединение CH₃COOC₂H₅ называется этилэтаноатом, его также называют этилацетатом. Оно образовано уксусной, или этановой, кислотой CH₃COOH и этанолом C₂H₅OH. Формулу удобно читать справа налево от атома кислорода: этильная часть пришла от спирта, а ацетатная относится к кислоте.

Сложные эфиры не следует путать с простыми эфирами. В простом эфире атом кислорода соединяет два углеводородных радикала, например C₂H₅-O-C₂H₅. В сложном эфире рядом с одним из атомов кислорода обязательно находится карбонильная группа C=O. Именно она определяет многие реакции этого класса веществ.

Для насыщенных одноосновных кислот и одноатомных спиртов можно получить эфиры с общей молекулярной формулой C_nH_2nO₂. Эта же формула характерна для предельных одноосновных карбоновых кислот, поэтому между ними возможна межклассовая изомерия. Например, уксусная кислота CH₃COOH и метилформиат HCOOCH₃ имеют одинаковый состав C₂H₄O₂, но принадлежат к разным классам и обладают разными свойствами.

Как называют сложные эфиры

Систематическое название эфира составляют из названия радикала, полученного от спирта, и названия кислотного остатка с окончанием «-оат». Название C₂H₅COOCH₃ будет метилпропаноат: метильный радикал CH₃ находится после кислорода, а пропаноатный остаток C₂H₅COO- происходит от пропановой кислоты.

В школьных задачах и на этикетках нередко встречаются традиционные названия. Этилэтаноат называют этилацетатом, потому что остаток уксусной кислоты имеет название ацетат. Изоамилацетат, или изоамилэтаноат, обладает выраженным запахом банана. Метилсалицилат, производное салициловой кислоты, используют как ароматизирующее вещество и компонент наружных средств.

Чтобы составить формулу по названию, сначала записывают кислотный остаток с группой -COO-, затем присоединяют названный алкильный радикал. Для этилпропаноата получается CH₃CH₂COOC₂H₅. При обратной задаче полезно мысленно разрезать формулу по связи между кислородом и углеродным радикалом: CH₃CH₂COO | C₂H₅. Это сразу показывает исходные пропановую кислоту и этанол.

Физические свойства и распространение

Низшие сложные эфиры обычно представляют собой бесцветные летучие жидкости. Многие из них имеют фруктовый или цветочный запах, поэтому их используют при создании пищевых ароматизаторов и парфюмерных композиций. По запаху нельзя определять состав вещества: одинаково приятный аромат не означает, что вещество безопасно для вдыхания или употребления. Работать с летучими жидкостями следует в хорошо проветриваемом помещении.

Эфиры почти не образуют водородных связей друг с другом, поскольку в их молекулах нет группы O-H. Поэтому их температуры кипения обычно ниже, чем у соответствующих карбоновых кислот. При этом атомы кислорода позволяют эфиру в некоторой степени взаимодействовать с водой. Низшие представители растворяются ограниченно, а с увеличением углеводородных радикалов растворимость заметно падает.

Особое место занимают природные сложные эфиры. Жиры являются сложными эфирами трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот. В молекуле триглицерида содержатся три эфирные связи. Воски устроены сходно, но образованы высшими одноатомными спиртами и высшими кислотами. Пчелиный воск и защитный восковой налёт на листьях плохо смачиваются водой именно из-за длинных неполярных углеводородных цепей.

Реакция этерификации

Этерификацией называют взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом, при котором образуются сложный эфир и вода. Общая схема выглядит так: R-COOH + R′-OH ⇄ R-COOR′ + H₂O. Реакция идёт медленно, поэтому смесь обычно нагревают в присутствии концентрированной серной кислоты. Она ускоряет процесс как катализатор и связывает часть воды, помогая сместить равновесие в сторону эфира.

Классический пример проводят с уксусной кислотой и этанолом. При нагревании получается этилэтаноат: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Стрелка в обе стороны важна: одновременно с образованием эфира может идти обратное превращение, при котором эфир реагирует с водой.

Выход продукта повышают несколькими способами. Можно взять один из реагентов в избытке, например этанол, или отводить воду по мере её образования. В лаборатории концентрированную серную кислоту добавляют осторожно: она вызывает сильный нагрев при смешивании и является едким веществом. Реакционную смесь нельзя нагревать в закрытом сосуде и рядом с открытым пламенем, потому что спирты и многие эфиры легко воспламеняются.

Этерификация отличается от нейтрализации кислоты щёлочью. В нейтрализации образуется соль, например CH₃COONa, а при этерификации получается нейтральное органическое вещество с группой -COO-. Если в уравнении среди реагентов есть спирт и кислота, а среди продуктов вода и органическое соединение с двумя атомами кислорода, это характерный признак образования сложного эфира.

Гидролиз и применение

Гидролиз сложного эфира является обратным процессом этерификации. При нагревании с водой в кислой среде эфир распадается на карбоновую кислоту и спирт: CH₃COOC₂H₅ + H₂O ⇄ CH₃COOH + C₂H₅OH. Поскольку реакция обратима, кислота здесь лишь катализирует процесс и не расходуется.

В щелочной среде гидролиз идёт иначе и практически необратимо. Этилэтаноат с гидроксидом натрия даёт этанол и ацетат натрия: CH₃COOC₂H₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH. Карбоновая кислота сразу превращается в её соль, поэтому обратное образование эфира в этих условиях не происходит. Щелочной гидролиз жиров называют омылением; его продукты, соли высших кислот, входят в состав мыла.

Сложные эфиры применяют как растворители, ароматизаторы, компоненты косметических средств и сырьё органического синтеза. Однако область применения определяется конкретным веществом и его чистотой. Одни эфиры допустимы в пищевых ароматизаторах в малых количествах, другие используют только в технике. В учебной задаче достаточно установить строение и уравнять реакцию, а в реальной лаборатории обязательно учитывают токсичность, пожароопасность и правила обращения с реагентами.

• Сложные эфиры содержат функциональную группу -COOR′ и имеют общую структурную формулу R-COOR′.
• Этерификация идёт между карбоновой кислотой и спиртом с образованием эфира и воды.
• Концентрированная серная кислота в этой реакции служит катализатором и водоотнимающим средством.
• Гидролиз в кислой среде обратим, а щелочной гидролиз даёт соль кислоты и идёт практически необратимо.
• Жиры и воски относятся к природным сложным эфирам.