Estry

Estry – wiadomości ogólne

Estry stanowią jedną z ważniejszych grup związków w chemii organicznej. Głównie są to produkty reakcji kwasów karboksylowych (ale również kwasów nieorganicznych) z alkoholami. Wzór ogólny estrów to R₁COOR₂ (gdzie R oznacza grupę alkilową). Nazwy estrów tworzy się od nazw odpowiednich kwasów, z których zostały otrzymane lub nazw reszt kwasowych i rodników wchodzących w skład estru, np. ester etylowy kwasu mrówkowego lub mrówczan etylu. Ich charakterystyczną cechą są zapachy, często określane jako owocowe.

Estry otrzymywane są w reakcji estryfikacji. Biorą w niej udział kwasy monokarboksylowe (posiadające w cząsteczce tylko jedno ugrupowanie -COOH), w których atom wodoru jest podstawiany rodnikiem alkilowym. Estry ulegają także reakcjom hydrolizy, czyli rozpadowi pod wpływem cząsteczek wody, w wyniku czego odtwarzają się kwas karboksylowy oraz alkohol. Hydroliza estrów zachodzi stosunkowo łatwo, a wprowadzając do układu jony wodorowe lub wodorotlenowe, można ją przyspieszyć. Inną, charakterystyczną reakcją, jest zmydlanie estrów. Działając wodorotlenkiem sodu, otrzymuje się sól sodową kwasu oraz odpowiedni alkohol. Otrzymywane w ten sposób, sole wyższych kwasów karboksylowych, nazywane są w chemii mydłami.

Reakcja estryfikacji

Reakcja pomiędzy kwasami karboksylowymi (lub nieorganicznymi) oraz alkoholami, nosi nazwę estryfikacji. W wyniku tego procesu powstaje odpowiedni ester, a atom wodoru z grupy karboksylowej oraz grupa hydroksylowa, łączą się tworząc cząsteczkę wody. Reakcja estryfikacji w niskiej temperaturze zachodzi bardzo powoli i nigdy do końca, nawet po długim okresie czasu. Po przereagowaniu znacznej ilości kwasu i alkoholu, ustala się stan równowagi (szybkość powstawania produktów zrównuje się z szybkością ich rozpadu i ponownego przekształcenia do cząsteczek substratów). Zatem jest to proces odwracalny. Szybkość, z jaką reakcja ta osiąga stan równowagi chemicznej zależy przede wszystkim od mocy kwasu biorącego w niej udział, a także od temperatury prowadzenia całego procesu. Katalizatorem estryfikacji często jest kwas siarkowy (VI). Stanowi on donor jonów wodorowych, a także jest czynnikiem wiążącym powstającą wodę. Dzięki czemu możliwe jest przesunięcie stanu równowagi chemicznej na korzyść tworzenia produktów.

Właściwości estrów

Właściwości fizykochemiczne estrów kwasów organicznych:

• Estry niższych kwasów karboksylowych są wysoce lotnymi cieczami. Charakteryzują się niską rozpuszczalnością w wodzie oraz mniejszą od niej gęstością.
• Temperatury wrzenia estrów są niższe w porównaniu do innych związków organicznych, z powodu braku występowania wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami. Wyjątkiem są estry o krótkich łańcuchach, np. octan etylu, który dzięki wiązaniom wodorowym dobrze rozpuszcza się w wodzie .
• W miarę wzrostu łańcucha węglowego w cząsteczkach estrów, zwiększa się ich gęstość i temperatura wrzenia, a stan skupienia zmienia się od oleistych cieczy do ciał stałych.
• Wszystkie estry są bezbarwne.
• Zdecydowana większość estrów posiada charakterystyczny, owocowy zapach, np. octan etylu ma zapach gruszki, a octan 3-metylobutylo banana. Związki otrzymywane z wyższych kwasów karboksylowych są bezwonne.
• Estry stanowią dobre rozpuszczalniki dla szerokiej gamy związków organicznych.

Estry kwasów nieorganicznych

Reakcja estryfikacji kwasów nieorganicznych z alkoholami, prowadzi do uzyskania estrów nieorganicznych.

Estry kwasów beztlenowych

Kwasy beztlenowe, takie jak np. kwas chlorowodorowy (HCl) lub bromowodorowy (HBr), reagują z alkoholami, np. etanolem, w wyniku czego powstają cząsteczki odpowiednich estrów (chlorek etylu, bromek etylu) oraz cząsteczka wody. Reakcja przebiega silnie w kierunku tworzenia produktów, ze względu na dużą lotność estrów kwasów beztlenowych (szybko ulatniają się ze środowiska reakcji).

Estry kwasu siarkowego

Istotne znaczenie w chemii mają estry kwasu siarkowego (VI). Do reakcji estryfikacji stosowany jest stężony kwas. Najprostszy w tej grupie związków jest ester metylowy kwasu siarkowego. Łatwo ulega hydrolizie, a także reakcjom z alkaliami. Destylacja tego związku pod zmniejszonym ciśnieniem prowadzi do otrzymania silnie trującego estru dimetylowego kwasu siarkowego. Estry H₂SO₄ i wyższych alkoholi znalazły natomiast zastosowanie, jako środki powierzchniowoczynne.

Estry kwasu azotowego

Związki te są wyjątkowe, przede wszystkim ze względu na swoje właściwości wybuchowe. Trójazotan gliceryny, czyli popularna nitrogliceryna, otrzymywany jest w reakcji gliceryny (alkohol polihydroksylowy) z mieszaniną kwasu azotowego i siarkowego. Jest bezbarwną, oleistą cieczą. Wybucha nawet pod wpływem słabego wstrząsu czy uderzenia. Mieszanina nitrogliceryny i ziemi okrzemkowej to dynamit. Natomiast azotyn etylu i amylu znalazły zastosowanie w lecznictwie.

Tłuszcze

Duże znaczenie praktyczne w chemii wykazują tłuszcze. Z chemicznego punktu widzenia są to estry (pochodzenia naturalnego). Powstają w wyniku reakcji gliceryny (alkoholu polihydroksylowego, zawierającego w cząsteczce trzy grupy hydroksylowe) z wyższymi kwasami tłuszczowymi. Estry nazywane są często także glicerydami. Ich budowa chemiczna jest zróżnicowana. W przyrodzie występują glicerydy jednolite, czyli takie, w których wszystkie trzy grupy hydroksylowe zostały zestryfikowane tym samym kwasem, lub mieszane, gdzie reszty kwasowe pochodzą od dwóch, a czasami nawet trzech kwasów tłuszczowych. W skład tłuszczów wchodzą kwasy nasycone (np. kwas palmitynowy i stearynowy) oraz nienasycone (np. kwas oleinowy).

Zwykle przyjmuje się podział na tłuszcze zwierzęce i roślinne.

Tłuszcze zwierzęce zbudowane są z reszt kwasów nasyconych, przez co przyjmują postać ciał stałych. Do tej grupy zalicza się łój, tran (wyjątek: ciekły stan skupienia), smalec, masło i inne.

Tłuszcze roślinne natomiast zawierają w cząsteczkach reszty kwasów nienasyconych, przez co zwykle są cieczami. Przykładami tłuszczów roślinnych są oliwa, olej rzepakowy, olej lniany itp..

Tłuszcze podobnie jak estry ulegają hydrolizie. Pod wpływem światła, wilgoci, bakterii oraz enzymów ulegają procesowi jełczenia. Nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast bardzo dobrze w rozpuszczalnikach organicznych. Ciekłe tłuszcze wyższych kwasów nienasyconych można przekształcić w nasycone w procesie utwardzania tłuszczów. Jest to reakcja uwodornienia, przebiegająca w obecności niklu, jako katalizatora. Glicerydy ulegają także hydrolizie, w wyniku której rozpadają się na glicerynę i odpowiednie kwasy tłuszczowe.