MYDŁA to sole sodu lub potasu wyższych kwasów karboksylowych (tłuszczowych), głównie stearynowego i palmitynowego.

C15H31COOH + NaOH → C15H31COONa + H2O

palmitynian sodu (mydło)

Kwas stearynowy reaguje z wodorotlenkiem sodu, o czym świadczy odbarwienie wskaźnika. W tej reakcji kwas stearynowy zachowuje się jak inne kwasy, tworząc z zasadami sole. Substancja ogrzewana intensywnie się pieni, po ostygnięciu powstaje biała, śliska w dotyku masa, która rozpuszcza się w wodzie, a po wstrząśnięciu - pienie się. W reakcji powstała sól kwasu stearynowego – mydło. 

Jako sole słabych kwasów i mocnych zasad ulegają w wodzie hydrolizie anionowej, wykazując odczyn zasadowy.

C17H35COONa + H2O → NaOH + C17H35COOH

C15H31COONa + H2O → C15H31COOH + NaOH

C15H31COO- + Na+ +H2O → C15H31COOH + Na+ + OH- (zasada sodowa)

Mydła sodowe są twarde i białe, a mydła potasowe – szare i maziste. Stosowane do codziennej higieny mydła toaletowe to uszlachetnione (o lepszych właściwościach) mydła sodowe z dodatkiem substancji nawilżających, natłuszczających, oleju kokosowego, olejków zapachowych i barwników.

Kilka charakterystycznych reakcji:

C15H31COONa + MgCl2 → (C15H31COO)­2Mg¯ + 2NaCl

C15H31COO + Mg2+ → (C15H31COO)­2Mg¯

C15H31COO + Ca2+ → (C15H31COO)­2Ca¯

Mydła jako związki powierzchniowo czynne:

Badając napięcie powierzchniowe wody i roztworu mydła  zauważa się , że żyletka ostrożnie położona na powierzchni wody wodociągowej nie tonie. Dzieje się tak za sprawą dużego napięcia powierzchniowego wody, które w uproszczeniu można przedstawić jako rodzaj błony na powierzchni wody, a także innych cieczy. Napięcie powierzchniowe sprawia, że woda tworzy krople, a na jej powierzchni mogą się utrzymywać płaskie , lekkie przedmioty. Taka woda słabo zwilża szkło, skórę lub materiały. Powierzchnie i materiały łatwo zwilżane przez wodę nazywa się hydrofilowymi (to znaczy lubiącymi wodę), np. kreda, drewno, bawełniana tkanina. Natomiast te słabo przez wodę zwilżane nazywamy hydrofobowymi (nielubiącymi wody), np. tworzywa sztuczne, tłuszcz.

W wodzie z mydłem żyletka tonie, świadczy to o mniejszym napięciu powierzchniowym tego roztworu i o zdolności mydeł do obniżania napięcia powierzchniowego wody. Woda z mydłem łatwiej wnika w głąb tkaniny czy skóry i dlatego lepiej wymywa z nich cząstki brudu, który jest mieszaniną różnych związków, np. sadzy, krzemionki, soli mineralnych, barwników, składników potu, tłuszczu lub białka. Ściśle przylega do powierzchni tkaniny lub skóry i nie daje się łatwo usunąć ani mechanicznie, ani za pomocą słabo zwilżającej brud wody. Aby polepszyć zwilżalność i skutecznie usnąć brudne plamy, należy obniżyć napięcie powierzchniowe wody, dodając do niej mydła lub innej substancji o podobnych właściwościach (np. detergentu). Substancje takie nazywają się związkami powierzchniowo czynnymi. Polepszają one zwilżalność tłuszczu przez cząsteczki wody. Mechaniczne tarcie w trakcie mycia i mieszanie podczas prania powodują powstanie emulsji brudu z wodą. Tworząca się przy tym piana utrzymuje cząsteczki brudu na powierzchni, a tym samym ułatwia ich usunięcie i uniemożliwia ich ponowne przywieranie do czyszczonej powierzchni. Związki powierzchniowo czynne swoje właściwości zawdzięczają charakterystycznej dwoistej budowie: część hydrofobową (grupa węglowodorowa kwasu tłuszczowego) przylegają do hydrofobowych cząstek obecnych w zawiesinie brudu i wody, a częścią hydrofilową (jonowa grupa funkcyjna – COO-) wraz z towarzyszącymi jej kationami kierują się do polarnych cząsteczek wody. Odrywają cząstki brudu od powierzchni czyszczonej i warz z pianą unoszą je na powierzchnię wody, skąd są spłukiwane.

ESTRY  stanowią ważną grupę związków organicznych. Tworzą je połączenia kwasów karboksylowych i alkoholi. Ogólny wzór estrów alifatycznych kwasów karboksylowych ma postać:

Gdzie:  - R1 – grupa alkilowa, pochodzącą od kwasów karboksylowych, lub wodór

 - R2 - grupa alkilowa, pochodzącą od alkoholi 

 - COO- grupa estrowa

Estry kwasów karboksylowych można traktować jako pochodne kwasów, w których grupa

–OH  z grupy karboksylowej została zastąpiona grupą OR2, a R2 jest resztą alkilową pochodzącą od alkoholi. Nazwy estrów składają się z dwóch wyrazów, podobnie jak nazwy soli. Pierwszy człon nazwy estrów pochodzi od nazwy kwasu karboksylowego, z którego powstał ester. Na przykład ester kwasu mrówkowego to mrówczan, kwasu octowego – octan, kwasu propionowego – propionian, kwasu masłowego  - maślan. Drugi człon nazwy estru określa alkil pochodzący od alkoholu, np. alkohol metylowy daje nazwę …metylu, alkohol etylowy - … etylu itd. Niekiedy stosuje się tez nazwy zgodne ze schematem:

„ester …owy kwasu …owego”

Np. ester propylowy kwasu octowego, ester butylowy kwasu mrówkowego. Poniżej przedstawiono przykładowe nazwy i wzory estrów:

W wyniku reakcji alkoholu etylowego z kwasem octowym powstaje ester: octan etylu i woda. Przebieg reakcji przedstawia równanie:

W obecności stężonego kwasu siarkowego (VI) kwasy karboksylowe reagują z alkoholami, dając estry  - związki o intensywnym, przyjemnym zapachu – oraz wodę. Reakcja powstawania estrów nosi nazwę reakcji estryfikacji. można ją zapisać ogólnie jako:

kwas  + alkohol → ester  + woda

Woda w tej reakcji tworzy się z grupy hydroksylowej kwasu oraz z atomu wodoru grupy – OH alkoholu. Reakcje estryfikacji katalizują jony H+ pochodzące z dysocjacji mocnych kwasów nieorganicznych, np. H2SO4. Pod wpływem powstającej w reakcji wody jej główny produkt, czyli ester, zaczyna się rozkładać na substraty wyjściowe – alkohol i kwas. Estryfikacja jest więc reakcją odwracalną, w której po pewnym czasie ustala się stan równowagi dynamicznej. Aby zapobiec reakcji odwrotnej i zwiększyć wydajność powstawania estrów, należy przesunąć równowagę reakcji w prawo. Można to osiągnąć albo poprzez usuwanie powstającego produktu ze środowiska reakcji, albo przez dodanie substratu (np. alkoholu). Najczęściej wiąże się wodę albo usuwa ester (np. przez destylowanie).Stężony

H2SO4 ma właściwości higroskopijne, wiąże więc powstającą wodę i jednocześnie dostarcza jony H+ katalizujące powstawanie estru.

Reakcja odwrotna do estryfikacji to reakcja hydrolizy estru, polegająca na rozkładzie estru wobec działania wody na kwas i alkohol:

ester + woda → kwas  + alkohol

np.

HCOOC3H7 + H2O → HCOOH + C3H7OH

mrówczan propylu kwas alkohol

 mrówkowy  propylowy

Octan etylu – właściwości:

Ester ogrzewany z czystą wodą nie zmienia się w dostrzegalnym stopniu, w reakcji z H2SO4 stwierdza się zanik zapachu estru i pojawienie się zapachu kwasu octowego, natomiast w reakcji z dodatkiem NaOH wyczuwa się zapach etanolu. Obserwacje te można wyjaśnić zachodzeniem procesu hydrolizy octanu etylu:

W środowisku kwasowym hydroliza octanu etylu przebiega zgodnie z równaniem reakcji:

CH3COOC2H5 + H2O → CH3-COOH + C2H5OH

  octan etylu  kwas octowy  alkohol etylowy

Hydroliza tego estru w obecności zasady sodowej przebiega według równania reakcji:

CH3COOC2H5 + NaOH → CH3-COONa + C2H5OH

  octan etylu  octan sodu  alkohol etylowy

W środowisku kwasowym i obojętnym ustala się pewien stan równowagi w reakcji hydrolizy estrów, natomiast w środowisku zasadowym reakcja jest praktycznie nieodwracalna i prowadzi do otrzymania soli.

Niższe estry są lotnymi cieczami, w miarę wzrostu łańcucha węglowego rośnie ich gęstość, przechodzą w oleiste ciecze, a następnie w substancje stałe. Trudno rozpuszczają się w wodzie, natomiast same są często dobrymi rozpuszczalnikami innych związków organicznych. Dlatego stosuje się je do produkcji farb i lakierów oraz jako rozpuszczalniki.

Estry mają przyjemne zapachy kwiatów i owoców:

  • Mrówczan etylu HCOOC2H5 – zapach rumu
  • Octan n-pentylu CH3COOC5H11 – zapach gruszek
  • Maślan etylu C3H7COOC6H5 – zapach ananasów
  • Octan fenylu CH3COOC6H5 – zapach jaśminu
  • Octan n- butylu CH3COOC4H9  -  zapach bananów

Łatwo można też otrzymać estry o zapachu goździków, koniczyny czy sosny. Wszystkie te estry występują w przyrodzie. Kwiaty, owoce czy korzenia niektórych roślin zawdzięczają przyjemny zapach właśnie estrom. Dzięki swoim właściwościom estry i ich mieszaniny znalazły zastosowanie do wytwarzania roślinnych substancji zapachowych. Produkuje się z nich perfumy, wody kwiatowe, mydła, esencje zapachowe. Są też stosowane jako dodatki smakowe do wyrobów cukierniczych.  Estry długołańcuchowych kwasów karboksylowych występują w naturze w postaci półpłynnych substancji, które wyglądem przypominają tłuszcz lub wosk. Spełniają one w przyrodzie ważną funkcję – pokryte nimi liście nie tracą tak szybko wilgoci, dzięki czemu rośliny chronione są przed wysychaniem. Ważna grupa estrów to także związki znane pod nazwą tłuszczy. Znane są estry alkoholi z kwasami nieorganicznymi (mineralnymi). Najbardziej popularny w tej grupie jest triazotan (V) glicerolu, gdyż nie jest to związek nitrowy, lecz ester. Związek ten powstaje w reakcji estryfikacji glicerolu stężonym kwasem azotowym (V) w obecności stężonego H2SO4. Triazotan (V) glicerolu ma postać:

Jest oleistą, lekko żółtą cieczą, niesłychanie wrażliwą na wstrząsy, przy których gwałtownie wybucha. Ta jego cecha została wykorzystana do produkcji środków wybuchowych, a zwłaszcza dynamitu. Triazotan (V) gliceryny jest stosowany również w chorobie wieńcowej serca jako lek rozszerzający naczynia krwionośne.

Inne estry kwasów nieorganicznych, np. azotan (III) etylu C2H5ONO czy azotan (III)

n – pentylu C5H11ONO, stosuje się w lecznictwie jako środki rozszerzające naczynia krwionośne i obniżające ciśnienie krwi. Estry kwasu siarkowego (VI) i alkoholi o długich nierozgałęzionych łańcuchach węglowych znalazły zastosowanie w produkcji detergentów. Estry kwasu fosforowego (V) występują w organizmach żywych, gdzie biorą udział w procesach biochemicznych.

TŁUSZCZE

Tłuszcze są substancjami szeroko rozpowszechnionymi w przyrodzie. Występują one w tkankach zwierzęcych oraz w nasionach roślin. Liczne tłuszcze znane są dobrze z życia codziennego, ponieważ stanowią jeden z podstawowych składników spożywanych pokarmów. Najważniejsze tłuszcze pochodzenia zwie­rzęcego to smalec, masło i łój. Tłuszcze roślinne to przede wszystkim różne oleje — rzepakowy, słonecznikowy, sojowy i inne.

Pod względem chemicznym tłuszcze są estrami gliceryny i kwasów karboksylowych, najczęściej o długich łańcuchach (stąd nazwa zwyczajowa tych kwasów — kwasy tłuszczowe). Ponieważ cząsteczka gliceryny ma trzy grupy hydroksylowe, w cząsteczce jej estru znajdują się trzy reszty kwasowe.

Reszty kwasowe w cząsteczce tłuszczu mogą być jednakowe (R1 = R2 = R3) taką budowę mają tylko tłuszcze syntetyczne, albo też różne (w tłuszczach natural­nych).

W skład tłuszczów wchodzi kilkadziesiąt różnych kwasów. Są wśród nich kwasy nasycone — masłowy, palmitynowy, stearynowy i inne, oraz nienasycone, z jednym lub z wieloma wiązaniami podwójnymi (np. oleinowy, linolowy, linolenowy). 

Tłuszcze są ciałami stałymi, półstałymi (o konsystencji mazistej) lub oleistymi cieczami. Są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie i bardzo słabo rozpuszczalne w alkoholu etylowym, natomiast dobrze rozpuszczają się w węglowodorach, fluorowcopochodnych i innych rozpuszczalnikach niepolarnych. Dobrą rozpuszczalność tłuszczów w węglowodorach wykorzystuje się do wy­odrębniania ich z nasion roślin oleistych (np. słonecznika, rzepaku, lnu, soi itp.). Nasiona rozgniata się i ogrzewa z rozpuszczalnikiem, po czym otrzymany roztwór tłuszczu poddaje się destylacji. Odzyskany rozpuszczalnik zawraca się do powtórnego wykorzystania, a pozostały po destylacji tłuszcz poddaje oczyszczaniu (tzw. rafinacji).

Tłuszcze, podobnie jak i inne estry, ulegają reakcji hydrolizy. Zasadowa hydro­liza tłuszczów, zwana reakcją zmydlania, znana jest człowiekowi od bardzo dawna. Jej produktami są: gliceryna i sole kwasów tłuszczowych, czyli mydło.

Zmydlanie tłuszczów było do niedawna jedyną metodą otrzymywania gliceryny i mydła. Obecnie są one produkowane także syntetycznie z surowców otrzymywanych z ropy naftowej, co umożliwia przeznaczenie większych ilości tłuszczów do celów spożywczych.

Hydroliza tłuszczów zachodzi także w przewodzie pokarmowym zwierząt i człowieka. Tłuszcze wprowadzane z pokarmem ulegają hydrolizie pod wpływem katalizatorów biochemicznych — enzymów zwanych lipazami.

Omawiając właściwości fizyczne tłuszczów można, że znane są tłuszcze stałe i ciekłe. Okazuje się, że stan skupienia tłuszczu zależy od obecności wiązań podwójnych w łańcuchach reszt kwasowych. W tłuszczach stałych łańcuchy te są w większości nasycone, natomiast w tłuszczach ciekłych przeważają łańcuchy z jednym lub większą liczbą wiązań podwójnych.

Tłuszcze ciekłe można przekształcić w stałe w reakcji katalitycznego uwodornie­nia wiązań podwójnych. Proces ten nosi nazwę utwardzania tłuszczów. Częściowo uwodornione oleje, w których pozostała pewna część wiązań podwójnych używa się do produkcji margaryny - dzięki czemu można używać do celów spożywczych niektóre niejadalne oleje roślinne. Margaryna — oprócz częściowo uwodornionych olejów — zawiera także dodatki, takie jak witaminy, barwniki, sole mineralne i mleko, dzięki czemu ma wygląd i właściwości odżywcze zbliżone do masła.

Oleje roślinne zawierające reszty kwasowe o dużym stopniu nienasycenia używa się do wyrobu farb olejnych. W skład tych farb wchodzą: pokost — będący olejem roślinnym (najczęściej lnianym) z domieszkami przyspieszającymi twardnienie powłoki farby, pigment nadający farbie barwę oraz rozcieńczalnik ułatwiający jej na­noszenie na pokrywany przedmiot.

AMINY są organicznymi pochodnymi amoniaku, NH3, analogicznie jak alkohole i etery są organicznymi pochodnymi wody. Aminy, podobnie jak amoniak, zawierają atom azotu z wolna parą elektronową, która powoduje ,że aminy wykazują właściwości zarówno nukleofilowe jak i zasadowe. Aminy są szeroko rozpowszechnione zarówno w organizmach roślin, jak i zwierząt. Na przykład trimetyloamina występuje w tkankach zwierzęcych i jest częściowo odpowiedzialna za charakterystyczny zapach wielu ryb, chinina jest ważnym lekiem antymalarycznym, wyodrębnionym z kory południowo – amerykańskiego drzewa chinowego, a kodeina jest analgetykiem (środkiem przeciwbólowym), którego obecność stwierdzono w maku opiumowym.

Nazewnictwo amin.

Rozróżnia się aminy pierwszorzędowe (1° RNH2), drugorzędowe (2° R2NH) i trzeciorzędowe (3° R3N) w zależności od liczby podstawników organicznych połączonych z atomem azotu. Na przykład metyloamina CH3NH2 jest aminą pierwszorzędową, dimetyloamina (CH3)2NH jest amina drugorzędową, a trimetyloamina (CH3)3N jest aminą trzeciorzędową. Warto zauważyć, że zastosowanie określenia rzędowości 1°, 2°, 3° w przypadku amin jest nieco odmienne od poprzednio stosowanych. Gdy mówimy o trzeciorzędowym alkoholu lub halogenku alkilowym określamy stopień podstawienia przy alkilowym atomie węgła, natomiast gdy mówimy o trzeciorzędowej aminie określamy stopień podstawienia przy atomie azotu.

  alkohol tert-butylowy trimetyloamina tert – butyloamina

(3° alkohol) (3° amina) (1° amina)

Istnieją również związki zawierające atom azotu z czterema grupami dołączonymi do niego, ale wówczas na atomie azotu pojawia się ładunek dodatni. Związki takie noszą nazwę czwartorzędowych soli amoniowych.

Aminy klasyfikujemy jako alifatyczne ( z podstawnikiem alkilowym) i jako aromatyczne (z podstawnikiem arylowym). Większość właściwości chemicznych tych dwóch klas związków jest podobna, ale istniejące różnice są na tyle istotne, że są omawiane oddzielnie.

 

metyloamina  anilina   benzyloamina

(amina alifatyczna)  (amina aromatyczna) (amina alifatyczna)

Aminy pierwszorzędowe (1° RNH2) można nazywać na kilka sposobów, w zależności od ich struktury. Na przykład przyrostek -amina dołączony jest do nazwy podstawnika alkilowego:

 

tert-butyloamina  cykloheksyloamina  1,4-butanodiamina

Alternatywnie przyrostek –amina można dołączyć do nazwy związku macierzystego, wstawiając między obydwa człony literę „o”:

4, 4 -dimetylocykloheksanoamina

Aminy o więcej niż jednej grupie funkcyjnej noszą nazwę traktującą grupę  NH2 jako podstawnik aminowy przy związku macierzystym:

  kwas 2-aminobutanowy kwas 2, 4- diaminobenzoesowy

  4-amino-2-butanon

Symetryczne drugo- i trzeciorzędowe aminy noszą nazwy utworzone przez dodanie przedrostka di- lub tri- do grupy alkilowej:

difenyloamina  trietyloamina 

Podstawione niesymetryczne drugo- i trzeciorzędowe aminy są określane jako N-podstawione aminy pierwszorzędowe. Jako nazwę macierzystą wybiera się nazwę największej grupy alkilowej, a pozostałe grupy alkilowe uważa się za N-podstawniki układu macierzystego (N, ponieważ są dołączone do atomu azotu):

N,N-dimetylopropyloamina  N-etylo-N-metylocykloheksyloamina

[propyloamina stanowi nazwę macierzystą; [cykloheksyloamina stanowi nazwę macierzystą;

2 grupy metylowe SA podstawnikami  metyl i etyl są podstawnikami przy atomie azotu

przy atomie azotu (N)] (N)]

Istnieje stosunkowo niewiele nazw zwyczajowych dla prostych amin, ale zasady nazewnictwa dopuszczają nazwy: anilina dla aminobenzenu, toluidyna dla aminotoluenu.

  anilina  m-toluidyna

Aminy heterocykliczne, związki, których atom azotu stanowi część pierścienia również noszą nazwy zwyczajowe i każdy odrębny układ pierścienia heterocyklicznego ma swoją własną nazwę macierzystą. Heterocykliczny atom azotu jest zawsze oznaczany jako położenie 1.

Właściwości fizyczne amin:

Aminy o mniej niż pięciu atomach węgla, podobnie jak alkohole SA rozpuszczalne w wodzie. Również podobnie jak alkohole, aminy pierwszo- i drugorzędowe tworzą wiązania wodorowe i są silnie asocjowane. W efekcie aminy wykazują wyższe temperatury wrzenia niż alkany o podobnej masie cząsteczkowej. Na przykład dimetyloamina wrze w temp. 56,3 °C, podczas gdy pentan wrze w 36,1°C.

  dimetyloamina   pentan

Inną cechą charakterystyczną amin jest ich zapach. Aminy niskocząsteczkowe, takie jak trimetyloamina, wykazują wyróżniającą je woń, podobną do zapachu nieświeżych ryb.

Zasadowość amin.

Właściwości chemiczne amin są zdeterminowane obecnością wolnej pary elektronowej na atomie azotu. Ze względu na nią aminy są i zasadowe i nukleofilowe. Reagują one z kwasami, tworząc sole typu kwas – zasada, ponadto reagują z elektrofilami w wielu reakcjach polarnych. Aminy są bardziej zasadowe niż alkohole, etery i woda. Gdy aminę rozpuści się w wodzie, ustala się równowaga, w której woda działa jak kwas protonowy i przenosi proton do aminy. Moc zasady aminowej można zmierzyć, tak samo jak można oznaczyć moc kwasu karboksylowego, określając jego stałą kwasowości. W przypadku aminy podobnie definiuje się stałą zasadowości K­b:

Często wykorzystuje się zasadowość amin w procedurze ich oczyszczania. Na przykład jeśli mieszaninę zasadowej aminy i związku obojętnego, takiego jak keton, alkohol lub eter, rozpuści się w rozpuszczalniku organicznym i będzie się ekstrahować wodnym roztworem kwasu, to zasadowa amina rozpuści się w warstwie wodnej, w postaci jej proponowanej soli, podczas gdy związek obojętny pozostanie w warstwie organicznej rozpuszczalnika. Rozdział warstw, zalkalizowanie i ekstrakcja warstwy wodnej rozpuszczalnikiem organicznym da następnie roztwór oczyszczonej aminy:

Aminy pierwszorzędowe i drugorzędowe, oprócz tego, że zachowują się jak zasady, mogą również reagować jak bardzo słabe kwasy, ponieważ proton N­ – H może zostać oderwany przez dostatecznie mocną zasadę.

Źródła przemysłowe i zastosowanie alkiloamin.

Alkiloaminy są wykorzystywane w licznych przypadkach jako substraty w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym do otrzymywania środków owadobójczych i leków. Na przykład propranolol, środek nasercowy, stosowany w terapii arytmii sercowej, jest otrzymywany w reakcji epoksydu w izopropyloaminą.

Proste aminy metylowe otrzymuje się w reakcji amoniaku z metanolem w obecności tlenku glinu jako katalizatora. Reakcja daje mieszaninę produktów mono-, di- i trimetylowych, jest jednak użyteczna na skale przemysłową, ponieważ rozdział tych trzech produktów poprzez destylacje nie stwarza trudności.