Теоретичні відомості. Експериментально, за допомогою методу мічених атомів, доведено, що від молекули карбонової кислоти відщеплюється гідроксильна група

Експериментально, за допомогою методу мічених атомів, доведено, що від молекули карбонової кислоти відщеплюється гідроксильна група, а від молекули спирту — атом Гідрогену, за рахунок цього утворю­ється молекула води. Якщо важкий ізотоп Оксигену з атомною масою 18 ввести в молекулу спирту, то цей ізотоп можна виявити в молекулі естеру, добутого в результаті реакції естерифікації

Ця реакція оборотна: одночасно з естерифікацією відбувається взаємодія естеру з водою, або гідроліз (від грецьк.— розкладання водою) естеру на спирт і кислоту.

Після встановлення рівноваги в суміші містяться кислота, спирт, естер і вода.

Пригадайте, що таке хімічна рівновага? За яких умов вона встановлюється?

Оборотність реакції становить певну незручність для добування естерів, а тому, щоб збільшити вихід продукту реакції, треба змістити її рівновагу в потріб­ному напрямі. Для цього можна збільшувати кон­центрацію однієї з вихідних речовин. Можна також видаляти із зони реакції один з продуктів, тим самим стимулюючи його утворення. Для видалення естеру його відганяють, а воду видаляють за допомогою осу­шувальних засобів.

Тепер уявімо, що наша мета — добути кислоту з естеру за допомогою реакції гідролізу. Для цього треба хімічно зв'язати кислоту або спирт, щоб вони не всту­пали в реакцію естерифікації, і тим самим змістити рівновагу реакції ліворуч. Для зв'язування кислоти можна використати луг, з яким реагуватиме кислота, утворюючи сіль.

Спирт можна відділити відгонкою, а кислоту до­бути, діючи на сіль сильнішою кислотою, що витісняє оцтову з її соле

На цьому прикладі ви переконались, як на основі теоретичних знань можна спланувати синтез і добути потрібну речовину.

Застосування естері. Якправило, естери мають

приємний запах і завдяки цьому використовуються в парфумерній та харчовій промисловості. Наприклад, метиловий естер масляної кислоти має запах яблук, етиловий естер цієї кислоти — запах ананасів, а пентиловий естер (від пентанолу) оцтової кислоти пахне бананами.

З цих та інших естерів виготовляють есенції, які додають до прохолоджувальних напоїв, цукерок, кре­мів, парфумерних та косметичних виробів. Оскільки крім природних запашних речовин використовуються і синтетичні, естери добувають у промисловості у ве­ликій кількості.

Склад і будова молекул жирів. Естери можуть ут­ворюватися найрізноманітнішими карбоновими кис­лотами і спиртами. Але найбільше значення мають ті, що утворені трьохатомним спиртом гліцерином і ви­щими карбоновими кислотами. До останніх належать, наприклад, стеаринова кислота складу С₁₇Нз₅СООН й олеїнова кислота складу С₁₇Н₃₃СООН. Перша — наси­чена кислота, друга — ненасичена, в її вуглеводне­вому радикалі є подвійний зв'язок між карбоновими атомами, через це у молекулі олеїнової кислоти на два атоми Гідрогену менше.

Хімічну природу жирів почали вивчати в першій половині XIX ст. Синтез жиру тристеарину вперше здійснив французький хімік М. Бертло у 1854 р.

Фізичні властивості жирів. Склад і будова вугле­водневих радикалів впливають на властивості жирів.

Ось як, наприклад, змінюються їхні температури плавлення:

Як бачимо, жир, утворений насиченою кислотою, твердий за стандартних умов, ненасиченою — рідкий. Рідкі жири називають ще оліями.

До складу олій (со­няшникової, кукурудзяної, маслинової та ін.) входять

залишки переважно ненасичених кислот, до складу тваринних (яловичого, баранячого та ін.) — залишки насичених кислот. До складу вершкового масла вхо­дять змішані естери насичених і ненасичених кислот.

Жири легші за воду і нерозчинні в ній, але роз­чиняються в органічних розчинниках.

• Порівняйте на досліді розчинність олії у воді, спирті, бен­зині. Опишіть (усно) цей дослід.

Біологічне значення жирів. Жири разом із білками та вуглеводами належать до біологічно активних ре­човин. Вони входять до складу клітин рослинних і тваринних організмів і є для них джерелом енергії. У результаті окиснення 1 г жиру виділяється 37, 7 кДж енергії, що удвічі більше, ніж під час окиснення 1 г білка чи вуглеводу.

Основна кількість жирів, що споживаються лю­диною, міститься у м'ясі, рибі, молочних і зернових продуктах. У разі, коли в організм людини з їжею надходить більше енергії, ніж витрачається нею, утво­рюються жироподібні речовини, що відкладаються в тканинах організму. Таким чином він акумулює енергію.

Згідно з даними сучасної медицини надмірне вжи­вання жирів, утворених насиченими кислотами, тобто тваринних жирів, може призвести до накопиченняречовин, що утруднюють рух крові в артеріях, зокре­ма тих, що постачають кров'ю мозок. Кориснішими для вживання визнаються жири, утворені ненасиче-ними кислотами, тобто олії. У складі соняшникової олії, наприклад, міститься 91 % ненасичених карбо­нових кислот.

Вуглеводи - це органічні сполуки, склад яких можна виразити загальною формулою С_п(Н₂0)_m, де п і m> 3. За здатністю гідрол­ізуватися вуглеводи поділяють на три великі групи: моносахари­ди, олігосахариди та полісахариди.

Моносахаридами називаються такі вуглеводи, які не можуть гідролізуватися з утворенням більш простих сахаридів. Найпрості­ший моносахарид - гліцериновий альдегід С₃Н₆0₃:

Найважливішими з моносахаридів є дві ізомерні форми гексози -глюкоза і фруктоза, які мають спільну емпіричну формулу С₆Н₁₂0₆.

Глюкоза або виноградний цукор - біла кристалічна речовина, солодка на смак, добре розчинна у воді. Глюкоза міститься у рос­линних і тваринних організмах, особливо велика кількість її у виноградному соку (звідси і назва - виноградний цукор), меду, стиглих фруктах і ягодах.

Будову глюкози встановлено на підставі вивчення її хімічних властивостей. Так, глюкоза, як типовий спирт, утворює алкого­ляти (сахарати), а оцтовий естер глюкози містить п'ять кислот­них залишків (за числом гідроксильних груп). Отже, глюкоза є багатоатомним спиртом. З аміачним розчином оксиду аргентуму глюкоза дає реакцію " срібного дзеркала", що свідчить про на­явність альдегідної групи в кінці карбонового ланцюга. Отже, глюкоза є альдегідоспиртом.

Сахароза. З групи дисахаридів найбільше значення має саха­роза С₁₂Н₂₂О₁₁ (інші назви - буряковий або тростинний цукор) -біла кристалічна речовина, добре розчиняється у воді, солодша від глюкози. У великих кількостях сахароза міститься в коренях цукрових буряків і стеблах цукрової тростини, менше - в клено­вому та березовому соках, у багатьох плодах і овочах.

Молекула сахарози складається з двох циклів: шестичленного залишку а-глюкози в піранозній формі та п'ятичленного залишку в-фруктози у фуранозній формі, сполучених за рахунок глікозид­ного гідроксилу глюкози:

Гідроліз сахарози проходить в кислому середовищі за нагріван­ня або під дією ферментів. При цьому зв'язок між двома циклами розривається і утворюються відповідно глюкоза та фруктоза:

Висока розчинність сахарози у воді лежить в основі її про­мислового добування з рослинної сировини. Сировину (корені цукрового буряка або стебла цукрової тростини).

Молекули полісахаридів можна розглядати як продукти полі­конденсації моносахаридів. Загальна формула полісахаридів (С₆Н₁₀О₅)_п. Розглянемо найважливіші природні полісахариди -крохмаль і целюлозу.

Крохмаль - білий порошок без запаху і смаку, нерозчинний у холодній воді (в гарячій воді набухає, утворюючи клейстер), широ­ко розповсюджений у природі. Для багатьох рослин він служить запасним поживним матеріалом і міститься в них у вигляді крох­мальних зерен. Найбагатші на крохмаль зерна злаків (70-86%) та бульби картоплі (25%). Крохмаль є одним з продуктів фотосинтезу.

Добувають крохмаль із рослин руйнуванням клітин та відми­ванням холодною водою. У промисловості його одержують пе­реважно з картоплі та кукурудзи.

За будовою крохмаль - це природний полімер, утворений за­лишками сс-глюкози. Він існує в двох формах: амілоза та аміло­пектин. Амілоза розчиняється у воді і є лінійним полімером, в якому залишки а-глюкози зв'язані один з одним через перший та четвертий атоми карбону:

Целюлоза (клітковина) - ще більш поширений полісахарид, ніж крохмаль. З целюлози складаються в основному стінки рос­линних клітин. У деревині міститься до 60% целюлози, в бавов­няній ваті - до 90%.

В рослинах целюлоза утворюється в результаті складних біо­хімічних перетворень під дією сонячного світла в зеленій масі рос­лин, що містить хлорофіл. Цей процес, що здобув назву фото­синтезу, можна виразити сумарним рівнянням:

6пС0₂ +5пН₂0 ==============(С₆Н₁₀О₅)_п+6п0₂.

В процесі фотосинтезу виділяється молекулярний кисень.

Чиста целюлоза - біла тверда речовина, нерозчинна у воді та більшості органічних розчинників, але добре розчинна в аміач­ному розчині гідроксиду купруму(ІІ) (реактив Швейцера). З такого розчину целюлозу осаджують у вигляді волокон (гідратцелюлоза).

Целюлоза це - природний полімер. На відміну від крохмалю, її молекули складаються тільки з лінійних ланцюгів, що містять залишки (б-глюкози, зв'язані через перший та четвертий атоми карбону).

Як і крохмаль, целюлоза в кислому середовищі гідролізується з утворенням глюкози. Гідроліз целюлози, відомий ще під назвою оцукрювання, дає змогу добувати з відходів деревообробної про­мисловості (тирса, стружки) глюкозу, а зброджуванням остан­ньої - етанол. Добутий з деревини етанол носить назву гідроліз­ний спирт.

Целюлоза також не дає реакції " срібного дзеркала", але з кис­лотами вступає в реакцію етерифікації

Застосування. Целюлоза у вигляді бавовни та льону застосо­вується для виготовлення тканин. Основна кількість целюлози, добутої з деревини, йде на виготовлення паперу. Піддаючи целю­лозу хімічній переробці, виробляють кілька видів штучних волокон (зокрема, ацетатний шовк), пластмаси, кіно- та фотоплівку, бездим­ний порох, лаки тощо. Глюкозу, добуту гідролізом целюлози, вико­ристовують як корм для худоби, а також для добування гідролізно­го спирту, який, в свою чергу, має широке технічне застосування.

Питання для самоконтролю:

1 Яку будову мають естери та де їх застосовують?

2 Яка будова жирів і вуглеводів?

3 Яку функцію в організмі виконують жири та вуглеводи?

4 Який розподіл добової норми споживання жирів та вуглеодів?