Estry i tłuszcze na maturze z chemii: hydroliza i porównanie właściwości

Ester powstaje z kwasu i alkoholu: kwas traci grupę hydroksylową, alkohol atom wodoru, a obie reszty łączą się przez atom tlenu. To połączenie nazywa się wiązaniem estrowym i właśnie ono pęka podczas hydrolizy. Nazwa systematyczna ma dwa człony, najpierw od kwasu, jak etanian, potem od alkoholu, jak etylu, zawsze w tej kolejności, bez względu na to, w którą stronę zapisano wzór. Atom węgla grupy estrowej należy do reszty kwasu i wlicza się go do pierwszego członu. Cząsteczki estrów nie mają atomu wodoru przy tlenie, więc nie łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi. Dlatego estry wrą w niższej temperaturze niż kwasy i alkohole o podobnej masie cząsteczkowej, a te o krótkim łańcuchu są lotne i pachną owocami, stąd ich użycie w aromatach spożywczych i kosmetykach.

Najczęstszą drogą otrzymania estru jest estryfikacja, czyli ogrzewanie kwasu karboksylowego z alkoholem w obecności stężonego kwasu siarkowego(VI). Kwas siarkowy(VI) przyspiesza reakcję i wiąże powstającą wodę. Estryfikacja jest odwracalna i kończy się stanem równowagi, w którym obok estru i wody zostają nieprzereagowane substraty. Stąd biorą się zadania łączące ten dział z równowagą chemiczną: pytają, jak zwiększyć ilość estru, na przykład nadmiarem alkoholu albo odbieraniem wody, albo każą obliczyć skład mieszaniny ze stałej równowagi. Ester można też otrzymać z bardziej reaktywnej pochodnej kwasu. Z chlorku kwasowego i alkoholu powstają ester i chlorowodór, z bezwodnika kwasowego ester i cząsteczka kwasu karboksylowego. Produkt uboczny jest w każdej z tych dróg inny, dlatego pracę zaczyna się od sprawdzenia, jaki substrat podano w treści.

Hydroliza to rozpad estru pod wpływem wody, czyli reakcja odwrotna do estryfikacji. W środowisku kwasowym produktami są kwas karboksylowy i alkohol. Hydroliza kwasowa i estryfikacja to dwa kierunki jednej reakcji odwracalnej, więc w danej temperaturze stan równowagi opisuje ta sama stała, niezależnie od tego, z której strony układ do niego dochodzi. Skład mieszaniny w równowadze zależy jednak od ilości substratów, na przykład od nadmiaru wody. W roztworze zasady przebieg się zmienia. Jony wodorotlenkowe zużywają się w reakcji, a kwas od razu przechodzi w anion karboksylanowy, który z alkoholem już nie reaguje, więc hydroliza biegnie do końca. Wśród produktów jest wtedy sól albo anion karboksylanowy, zależnie od tego, czy równanie zapisuje się w formie cząsteczkowej, czy jonowej skróconej, a nie wolny kwas. Zadania z tej części proszą o równanie hydrolizy w podanym środowisku, o wskazanie produktów albo o wyjaśnienie, dlaczego hydroliza zasadowa jest nieodwracalna, a kwasowa nie.

Tłuszcze są estrami glicerolu, alkoholu z trzema grupami hydroksylowymi, i kwasów tłuszczowych o długich łańcuchach. Cząsteczka tłuszczu ma więc trzy wiązania estrowe, a jej reszty kwasowe mogą być jednakowe albo różne. Przewaga reszt kwasów nasyconych daje zwykle tłuszcze stałe, przewaga reszt nienasyconych, z wiązaniami podwójnymi między atomami węgla, tłuszcze ciekłe, czyli oleje. Wiązania podwójne przyłączają brom, co pozwala odróżnić tłuszcz nienasycony od nasyconego, a przyłączenie wodoru w obecności katalizatora zamienia olej w tłuszcz stały i na tym polega utwardzanie. Hydroliza tłuszczu w roztworze zasady nazywa się zmydlaniem i daje glicerol oraz sole kwasów tłuszczowych, czyli mydła. Anion mydła ma długi niepolarny łańcuch, który wnika w kroplę tłuszczu, i naładowaną grupę karboksylanową, która zostaje w wodzie. Na tym opiera się działanie myjące.