Chemia Kolokwium 1

1. Estryfikacja – reakcja chemiczna, w wyniku której powstają estry. Najczęściej zachodzi ona pomiędzy kwasami (głównie karboksylowymi) i alkoholami (szerzej: związkami zawierającymi grupę hydroksylową), niemniej możliwe i często stosowane są inne metody syntezy estrów np. z bezwodników czy chlorków kwasowych.

Reakcja estryfikacji z użyciem kwasu i alkoholu, której produktem ubocznym jest woda, jest zazwyczaj reakcją równowagową. Aby zapewnić jej wysoką wydajność należy z układu reakcji usuwać przynajmniej jeden z produktów i jest nim najczęściej woda.

Estryfikacja Fischera
Estryfikacja kwasu karboksylowego z alkoholem przy obecności katalitycznej ilości kwasu siarkowego lub innego silnego kwasu mineralnego została opisana przez Emila Fischera i nazywana jest estryfikacją Fischera. Aby uzyskać wysoką wydajność tego procesu trzeba z układu reakcji na bieżąco usuwać przez destylację tworzący się ester, wodę lub oba na raz.

Przebieg katalizowanej silnym kwasem mineralnym estryfikacji Fischera wygląda następująco:

przykład:

2. Estry są to związki chemiczne powstałe w wyniku połączenia cząsteczki kwasu z cząsteczką alkoholu; są one pochodnymi kwasów karboksylowych, w których zamiast atomu wodoru grupy karboksylowej znajduje się grupa alkilowa lub arylowa. Wzór ogólny tej grupy związków przedstawia się następująco:



2.Otrzymywanie estrów:
a).reakcja estryfikacji - reakcja kwasu karboksylowego z alkoholem lub fenolem w obecności środowisku kwasowym. Ogólny schemat przebiegu estryfikacji przedstawia się następująco:

np.: 

Reakcja estryfikacji jest przykładem reakcji kondensacji i polega ona na tym, że z dwóch cząsteczek reagentów organicznych powstaje cząsteczka właściwego produktu, złożona z fragmentów cząsteczek obu reagentów oraz niewielka cząsteczka produktu ubocznego, którym  najczęściej jest woda. Aby ustalić mechanizm procesu estryfikacji tzn. by dowiedzieć się z którego z substratów pochodzi atom tlenu w cząsteczce wody wykorzystano metodę atomów znaczonych, w której zastąpiono atom tlenu w cząsteczce alkoholu jego izotopem radioaktywnym. Po przeprowadzonej reakcji stwierdzono, że znalazł się on w cząsteczce estru a nie wody, co oznaczało, że atom tlenu w cząsteczce wody pochodzi z kwasu:

 

b).reakcja chlorków kwasów karboksylowych z alkoholami :

 

np.:

 

c).reakcja transestryfikacji – reakcja ta polega na wymianie jednego estru z drugim; ogólny mechanizm tej reakcji przedstawia się następująco:

W reakcji transestryfikacji wytwarza się stan równowagi chemicznej. W celu przesunięcia stanu równowagi w prawo należy użyć dużego nadmiaru tego alkoholu, którego ester chcemy otrzymać lub ewentualnie usuwać w sposób ciągły z reagującej mieszaniny jeden z produktów. W przypadkach, w których można zastosować drugą metodę postępowania, otrzymuje się lepsze wyniki, gdyż stwarza ona możliwość przeprowadzenia reakcji do końca.

d).reakcja bezwodników kwasowych i alkoholi lub fenoli:

REAKCJE Z OCTANEM ETYLU :

3. HYDROLIZA ESTRÓW-  nazywamy rozkład estru, który pod wpływem wody zamienia się na kwas oraz alkohol:

ESTER i WODA -> KWAS i ALKOHOL
HCOOC3H7 + H2O -> HCOOH + C3H7OH

Można je również hydrolizować w wodnym roztworze zasady oraz kwasu. Wynikiem reakcji jest kwas karboksylowy i alkohol.
Biorąc pod uwagę środowisko kwasowe hydroliza występuje jako reakcja odwracalna. Katalizatorem tej reakcji są kationy wodoru, które się w niej nie zużywają.

•  Biorąc pod uwagę środowisko kwasowe reakcja hydrolizy octanu etylu wygląda następująco:

CH3COOCH2CH3 + H2O  ->  CH3COOH + CH3CH2OH

PRZYKŁAD MRÓWCZANU IZOBUTYLU (KWAS)




Biorąc pod uwagę środowisko zasadowe reakcja hydrolizy jest to reakcja nieodwracalna. Przebiega aż do wyczerpania się substratów. Reakcja hydrolizy octanu etylu wygląda następująco:

CH3COOCH2CH3 + NaOH → CH3COONa + CH3CH2OH

Rozpatrując środowisko zasadowe taka reakcja estrów zwana jest reakcją „zmydlania”. Przebiega ona według schematu jak reakcja substytucji nukleofilowej grupy acylowej. Jon hydroksylowy OH- występuje jako nukleofil, przyłączając się do atomu węgla w grupie karbonylowej w estrze i tworzy tetraedryczny produkt pośredni. W kolejnym etapie jon alkoksylowy odszczepia się i powstaje cząsteczka kwasu karboksylowego, ulegając deprotonowaniu (odszczepieniu protonu) tworzy jon karboksylanowy. Poprzez dołożenie do środowiska reakcji HCl (wodnego roztworu), aby można było protonować jon karboksylanowy (przesuwając równowagę dysocjacji kwasu w kierunku struktury niezdysocjowanej) można uzyskać kwas karboksylowy.


PRZYKŁAD MRÓWCZANU IZOBUTYLU (ZASADA)





4. FENOLE- Sa to związki zawierające grupę hydroksylową –OH bezpośrednio związaną z atomem węgla w pierścieniu aromatycznym. Najprostszym przedstawicielem tej grupy jest benzenol (hydroksybenzen), zwany fenolem, o wzorze C₆H₅–OH

Fenol otrzymujemy w reakcji opisanej poniższymi równaniami:
C₆H₅-Cl + 2 NaOH → C₆H₅-ONa + NaCl + H₂O
C₆H₅ONa + HCl → C₆H₅-OH + NaCl

Fenol wykazuje wyraźny charakter kwasowy. W roztworze wodnym dysocjuje jak kwas, czyli odszczepia kation wodoru H⁺ (uproszczony zapis):

Zaliczany jest do słabych kwasów. Kwas węglowy jako mocniejszy kwas wypiera słabszy fenol z jego soli, np.
C₆H₅ONa + CO₂ + H₂O → C₆H₅OH + NaHCO₃

Fenol reaguje z metalami aktywnymi (litowce) i mocnymi zasadami, np.
C₆H₅OH + Na → C₆H₅ONa + ¹/₂ H₂
C₆H₅OH + KOH → C₆H₅OK + H₂O

Fenolan potasu jako sól słabego kwasu i mocnej zasady ulega hydrolizie anionowej. Wodny roztwór tego związku posiada odczyn zasadowy, co potwierdza jonowy zapis tego procesu:

Reakcją charakterystyczną fenoli jest reakcja z solami żelaza(III) – obserwuje się fioletowe (lub granatowe) zabarwienie roztworu. Fenol jest związkiem aromatycznym i stąd ulega również reakcjom charakterystycznym dla tych związków, np. bromowaniu i nitrowaniu. Reakcje te zachodzą dużo łatwiej niż w przypadku benzenu:

1. bromowanie (bez katalizatora) – powstaje 2,4,6-tribromofenol
   

2. nitrowanie (rozcieńczony HNO₃) – powstaje mieszanina o-nitrofenolu i p-nitrofenolu
   

Grupa –OH w cząsteczce fenolu, jako podstawnik I rodzaju, kieruje następny podstawnik w pozycje orto i para.

Przykładowe inne fenole, np. metylowe pochodne fenolu, czyli krezole:

Fenole będące pochodnymi naftalenu to naftole:

6. Alkohole i fenole wykazują wiele podobieństw, np.
są małolotne, rozpuszczalne w wodzie (dotyczy małych cząsteczek tych związków), tworzą między swoimi cząsteczkami wiązania wodorowe i są palne. Mimo tego te dwie klasy związków należy rozpatrywać oddzielnie, ponieważ wiele ich właściwości jest całkowicie odmiennych.
Alkohole i fenole mają identyczną grupę funkcyjną – grupę hydroksylową. Mimo tego ich własności różnią się znacząco.
- Odmiennej budowy alkoholi i fenoli. W alkoholach grupa OH łączy się z resztą węglowodorową za pomocą tetraedrycznego atomu węgla, podczas gdy w fenolach poprzez węgiel z pierścienia aromatycznego. W związku z tym siła wiązania C-O w alkoholach i fenolach jest różna.
- Łatwiej jest oderwać stosunkowo słabo związaną grupę OH w alkoholach, dlatego alkohole łatwiej ulegają reakcjom podstawiania grupy wodorotlenkowej przez atom fluorowca niż fenole. Reakcja eliminacji cząsteczki wody z alkoholi także zachodzi łatwo. Silne oddziaływanie elektronów zdelokalizowanych w pierścieniu i wolnych elektronów tlenu w cząsteczkach fenoli powoduje, że jest niewiele reakcji, w których następuje oderwanie grupy OH.
- Zarówno alkohole, jak i fenole wykazują pewne właściwości kwasowe. Świadczy o tym reakcja z sodem lub potasem, w wyniku której następuje odszczepienie atomu wodoru
!!! Fenole nie wymagają jednak tak agresywnego reagenta, jak metale z pierwszej grupy układu okresowego, aby nastąpiło oderwanie protonu.
- fenole mają zdecydowanie silniejsze właściwości kwasowe niż alkohole, fakt świadczący o silniejszych właściwościach kwasowych fenoli niż alkoholi, to częściowa dysocjacja fenoli z odszczepieniem jonu H+.
- Alkohole nie ulegają dysocjacji.
- Zarówno alkohole, jak i fenole ulegają reakcjom wynikającym z obecności reszty węglowodorowej. Łańcuch węglowodorowy alkoholi może ulegać reakcji substytucji w obecności światła – podobnie reagowały alkany.
- Pierścień benzenowy w fenolach łatwo ulega reakcjom podstawiania, np. chlorowcowania czy nitrowania, bez konieczności stosowania światła czy katalizatora.

Pomimo identycznej grupy funkcyjnej, obecnej w alkoholach i fenolach, wpływ reszty węglowodorowej na właściwości tych grup związków jest tak duży, że różnią się one znacząco i konieczne jest rozdzielenie tych klas związków organicznych.

7. Tłuszcze są grupą związków chemicznych związanych z kwasami tłuszczowymi i jednego tylko alkoholu glicerolu (gliceryny)

Gliceryna jak wiemy jest alkoholem trójhydroksylowym

Związki chemiczne, które powstają mają ogólną nazwę glicerydy. Ich cechą wspólną jest:

• względna nierozpuszczalność w wodzie

• rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych, jak eter, chloroform, benzen, itp.

W skład tłuszczów wchodzą kwasy tłuszczowe zawierające w swojej cząsteczce zwykłe parzystą liczbę atomów węgla. Łańcuch węglowy tych kwasów może być nasycony lub posiadający jedno lub więcej wiązań podwójnych.

Przykłady:
Przykłady tłuszczów: ciekle
C17H33COOH - oleinowy
C17H31COOH - linolowy

nasycone: stale
C15H31COOH- palmitynowy 

8. ZMYDLANIE TŁUSZCZÓW - polega na rozkładzie estrów (tłuszcze są estrami wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny) w środowisku wodnym zasadowym (hydroliza zasadowa) na sole kwasów i alkohole. 
Zmydlanie tłuszczów to podstawowy proces w produkcji mydła.



Zmydlanie tłuszczów to reakcja tłuszczu z wodorotlenkiem sodu, której produktami są mydło i glicerol.

tłuszcz + NaOH ---temperatura---> mydło + glicerol

Hydroliza tłuszczu to rozkład tłuszczu pod wpływem wody na glicerynę i kwas tłuszczowy (z udziałem tlenu).

tłuszcz + woda ----enzymy hydroliza---> kwasy tłuszczowe + gliceryna