Este và lipit

Thủy phân este

Este có công thức chung \mathrm{RCOOR'}, được tạo từ axit cacboxylic \mathrm{RCOOH} và ancol \mathrm{R'OH}. Thủy phân este là cắt liên kết C–O của nhóm -COO- bằng nước hoặc dung dịch kiềm, trả lại gốc axit và gốc ancol. Sản phẩm phụ thuộc vào môi trường.

• Môi trường axit (đun nóng, xúc tác H₂SO₄ loãng hoặc HCl): phản ứng thuận nghịch, tạo axit và ancol. \mathrm{RCOOR' + H_2O \rightleftharpoons RCOOH + R'OH}
• Môi trường kiềm (xà phòng hóa, dùng NaOH hoặc KOH): phản ứng một chiều, tạo muối của axit và ancol. \mathrm{RCOOR' + NaOH \rightarrow RCOONa + R'OH}

Muốn suy ngược cấu tạo este từ sản phẩm, ghép gốc axit với gốc ancol. Ví dụ: axit axetic và propan-1-ol cho \mathrm{CH_3COOC_3H_7} (propyl axetat). Este đơn chức thủy phân trong NaOH theo tỉ lệ mol 1:1, nên số mol muối bằng số mol este; ví dụ thủy phân hoàn toàn metyl axetat cho natri axetat theo tỉ lệ 1:1.

Chỉ este có gốc ancol là \mathrm{C_2H_5}- (như \mathrm{CH_3COOC_2H_5}) mới cho etanol khi xà phòng hóa; este có gốc ancol là \mathrm{CH_3}- cho metanol.

Este của axit fomic \mathrm{HCOOR} khi xà phòng hóa cho muối \mathrm{HCOONa} (natri fomat); muối này có nhóm -CHO nên tham gia phản ứng tráng bạc. Este của ancol không bền (enol, ví dụ vinyl fomat) khi thủy phân cho andehit; vinyl fomat cho \mathrm{HCOOH} và \mathrm{CH_3CHO}, cả hai đều có phản ứng tráng bạc.

Este của phenol như phenyl axetat tác dụng với NaOH theo tỉ lệ 1:2, vì ngoài gốc axit, sản phẩm phenolat \mathrm{C_6H_5ONa} còn trung hòa thêm một mol NaOH. Trong hỗn hợp có cả este phenol và este ancol, phải tách riêng hai loại khi tính toán.

Este đa chức (hai hoặc ba nhóm -COO-) cần số mol NaOH bằng số nhóm -COO- nhân với số mol este. Hợp chất có nhóm -OH ngoài nhóm chức este vẫn chỉ có một nhóm -COO-, nên không phải este đa chức; nhóm -OH của nó tác dụng với Na cho 0,5 mol H₂ trên mỗi mol. Khi xà phòng hóa hỗn hợp este, dùng bảo toàn khối lượng: m_{\text{este}} + m_{\text{NaOH}} = m_{\text{muối}} + m_{\text{ancol}}.

Chất béo và xà phòng hóa

Chất béo là trieste của glixerol \mathrm{C_3H_5(OH)_3} với các axit béo (axit monocacboxylic mạch dài, số nguyên tử C chẵn), còn gọi là triglixerit. Glixerol là ancol đa chức nên không phải chất béo; xenlulozơ là polisaccarit và metyl axetat là este đơn chức.

Gốc axit béo quyết định trạng thái: gốc no như stearic \mathrm{C_{17}H_{35}COO}- cho chất béo rắn (mỡ động vật); gốc không no như oleic \mathrm{C_{17}H_{33}COO}- (một liên kết đôi) hoặc linoleic (hai liên kết đôi) thường cho dầu thực vật lỏng. Tristearin \mathrm{(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5} có 57 nguyên tử C; triolein \mathrm{(C_{17}H_{33}COO)_3C_3H_5} có công thức \mathrm{C_{57}H_{104}O_6}.

Xà phòng hóa chất béo: \mathrm{(RCOO)_3C_3H_5 + 3NaOH \rightarrow 3RCOONa + C_3H_5(OH)_3}. Số mol NaOH bằng 3 lần số mol chất béo, và số mol glixerol bằng số mol chất béo. Khối lượng muối được tính bằng bảo toàn khối lượng: m_{\text{muối}} = m_{\text{chất béo}} + m_{\text{NaOH}} - m_{\text{glixerol}}.

Chất béo có thể chứa axit béo tự do (không ở dạng este) với nhóm -COOH. Axit này tác dụng với NaOH tạo muối và nước; khi tính toán phải tách riêng gốc axit tự do và gốc trong triglixerit, vì glixerol chỉ sinh ra từ triglixerit.

Thủy phân triolein trong NaOH cho glixerol, không cho etylen glicol.

Mỗi liên kết C=C trong gốc không no cộng 1 mol Br₂; số mol Br₂ tối đa bằng tổng số liên kết C=C trong các gốc axit. Ví dụ, một gốc oleic cho 1 mol Br₂, còn gốc linoleic cho 2 mol Br₂.

Hydro hóa hoàn toàn chất béo không no (xúc tác Ni, đun nóng) làm no các liên kết C=C, chuyển thành chất béo no, thường ở thể rắn. Chất béo đã no không còn phản ứng với Br₂.

Trên phổ hồng ngoại, este có dải của nhóm C=O nhưng không có dải O–H, còn ancol có dải O–H; do đó chất béo và glixerol có tín hiệu đặc trưng khác nhau. Muối natri của axit béo (xà phòng) có phần kị nước là mạch hiđrocacbon dài và phần ưa nước là nhóm -COONa, nên có tính giặt rửa.

Phản ứng este hóa

Este hóa là phản ứng giữa axit cacboxylic và ancol, có xúc tác H₂SO₄ đặc và đun nóng: \mathrm{RCOOH + R'OH \rightleftharpoons RCOOR' + H_2O}. Phản ứng thuận nghịch; H₂SO₄ đặc vừa làm xúc tác vừa hút nước, làm cân bằng chuyển về phía tạo este. Mỗi mol este sinh ra đi kèm 1 mol H₂O, nên khi nước được tách khỏi hỗn hợp, tổng số mol chất hữu cơ giảm đúng bằng số mol este tạo thành.

Khi axit đơn chức phản ứng với ancol đa chức, có thể tạo este đơn chức, este đa chức hoặc hỗn hợp nhiều sản phẩm; các nhóm -OH và -COOH còn dư đều phản ứng với Na, mỗi nhóm cho 0,5 mol H₂. Mỗi liên kết C=C của axit không no cộng 1 mol Br₂, dùng để xác định lượng axit không no còn dư.

Khi khảo sát ảnh hưởng của một yếu tố (ví dụ nhiệt độ) đến lượng este thu được, phải giữ cố định các yếu tố còn lại như thời gian phản ứng, nồng độ và thể tích chất phản ứng, lượng H₂SO₄ đặc; màu sắc của hỗn hợp không phải điều kiện cần kiểm soát. Ví dụ điều chế etyl axetat: \mathrm{CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O}.

Đồng phân và công thức phân tử hữu cơ

Độ bất bão hòa của hợp chất \mathrm{C_xH_yO_z} được tính bằng k = \dfrac{2x+2-y}{2}; nguyên tử O không ảnh hưởng đến k. Este no, đơn chức, mạch hở có k = 1 và công thức chung \mathrm{C_nH_{2n}O_2} với n \ge 2.

Khi tìm đồng phân este cùng công thức phân tử, ghép các gốc R và R' sao cho tổng số nguyên tử C đúng, rồi viết dưới dạng \mathrm{RCOOR'} hoặc \mathrm{HCOOR'}. Ví dụ, \mathrm{C_3H_6O_2} có hai đồng phân este là etyl fomat \mathrm{HCOOC_2H_5} và metyl axetat \mathrm{CH_3COOCH_3}. Đồng phân axit \mathrm{CH_3CH_2COOH} có cùng công thức nhưng không phải este nên không được tính.

Công thức phân tử và cấu tạo este

Este đơn chức, no, mạch hở có công thức chung \mathrm{C_nH_{2n}O_2} (n \ge 2), phân tử khối M = 14n + 32. Từ phân tử khối có thể suy ra n rồi viết công thức phân tử. Ví dụ: nếu M = 102 thì 14n = 70, n = 5, công thức là \mathrm{C_5H_{10}O_2}.

Cùng một phân tử khối có thể ứng với nhiều loại hợp chất khác nhau: \mathrm{C_5H_{12}O} (ancol) và \mathrm{C_4H_8O_2} (este) đều có M = 88. Vì vậy phải dựa vào nhóm chức để xác định đúng loại: este có cấu tạo \mathrm{RCOOR'}, ancol chỉ có nhóm -OH, axit có nhóm -COOH.

Nhiệt độ sôi của este và muối hữu cơ

Este không có nhóm -OH nên các phân tử không tạo liên kết hiđro với nhau; vì vậy este có nhiệt độ sôi thấp hơn ancol và axit cacboxylic có cùng số nguyên tử C. Axit cacboxylic tạo liên kết hiđro bền nên thường sôi cao nhất. Ví dụ: etanol sôi ở khoảng 78 °C, axit fomic khoảng 100,8 °C và axit axetic khoảng 118 °C, nên các axit này đều sôi cao hơn etanol.

Muối hữu cơ như natri fomat hay natri palmitat là hợp chất ion, không bay hơi và có nhiệt độ nóng chảy cao; chúng không phải este dù có nhóm -COO-. Để phân biệt, xét nhóm -COO- liên kết với gốc hiđrocacbon (este) hay với kim loại (muối).

Phản ứng este hóa

Định nghĩa và tính chất. Phản ứng este hóa là phản ứng giữa acid carboxylic và ancol, tạo thành ester và nước, thường có H_2SO_4 đặc làm xúc tác: RCOOH + R′OH ⇌ RCOOR′ + H_2O. Đây là phản ứng thuận nghịch (kí hiệu ⇌), nên hỗn hợp không chuyển hết thành ester mà đạt trạng thái cân bằng.

Ở trạng thái cân bằng, tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch bằng nhau nhưng khác không, tức là cân bằng động; phản ứng vẫn tiếp tục xảy ra.

Vai trò của H_2SO_4 đặc. H_2SO_4 đặc vừa là chất xúc tác làm phản ứng nhanh hơn, vừa hút nước nên cân bằng chuyển dịch về phía tạo ester. Nó không phải chất oxi hóa, vì số oxi hóa của lưu huỳnh không thay đổi.