Жиры и их свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Что такое жиры?

2. Жиры и их классификация

3. Свойства жиров

4. Продукты переработки жиров

Литература

1. Что такое жиры?

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот (глицериды).В зависимости от состава ацила, содержащего преимущественно предельные или непредельные высшие кислоты, различают твердые или жидкие жиры. Химическая природа жиров была установлена в первой четверти XIX в. Шеврелем, а синтез жиров впервые осуществлен Бертло в 1854 г.

В состав твердых жиров входят предельные кислоты: масляная (С₄), капроновая (С₆), капрадовая (С₈), каприновая (С₁₀), лауриновая (C₁₂), пальмитиновая (С₁₆), стеариновая (C₁₈) и арахиновая (С₂₀), содержащие четное число углеродных атомов и неразветвленную углеродную цепь.

В состав жидких жиров, называемых маслами, входят непредельные кислоты - олеиновая, линолевая и линоленовая, имеющие соответственно одну, две и три двойные углерод-углеродные связи.

Твердые жиры образуется в животных организмах, а жидкие жиры синтезируются растениями из крахмала, который является продуктом ассимиляции угольной кислоты. Например, свиной, говяжий, бараний жиры и коровье масло - твердые вещества, а растительные масла -- льняное, подсолнечное, конопляное, хлопковое и оливковое -- жидкие жиры Исключением является рыбий жир - жидкий жир животного Происхождения.

При гидролизе жиров водными растворами кислот или щелочей получают глицерин и соответствующие предельные и непредельные кислоты. В щелочной среде наряду с глицерином образуются соли этих кислот -- мыла.

Растительные масла, содержащие непредельные кислоты с двумя и более двойными связями, легко окисляются на воздухе с образованием гидропероксидных мостиков.

При помощи пероксидных мостиков (-О-О-) отдельные молекулы ненасыщенных глицеридов объединяются в полимерные структуры -прозрачные пленки. Это происходит тем легче, чем более ненасыщенными являются кислотные остатки, входящие в состав глицеридов. Высыхание масла ускоряется в присутствии катализаторов (сиккативов) - оксидов или солей свинца, кобальта, марганца. Льняное масло, сваренное с оксидом или нафтенатами свинца, называют олифой. Олифы используют для приготовления масляных красок.

Растительные масла реакцией гидрогенизации (присоединением водорода к двойным или тройным углерод-углеродным связям) переводят в твердые жиры. Впервые процесс гидрогенизации растительных масел был разработан в 1906 г. русским ученым С. А. Фокиным, а в 1909 г. им же осуществлен в промышленном масштабе. Такой процесс используют, в частности, в производстве пищевого маргарина. В состав маргарина для повышения питательных и вкусовых свойств вводят яичный желток; молоко, а для запаха - дикетондиацетил СН_з--СО--СО--СН_з - душистое вещество сливочного масла и различные витамины.

Жиры играют важную биологическую роль. Они входят в состав пищи и являются источником энергии для живого организма. При окислении в живом организме 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Средний суточный рацион для человека 60 - 70 г жира.

В процессе пищеварения жиры под действием фермента липазы (содержится в слюне, печени, желудочном и кишечном соках) гидролизуются до свободных глицерина и кислот, которые проходят через стенки кишечника и затем снова связываются в различных комбинациях в жиры.

Обычно содержание жира в человеческом организме составляет 10 - 20% от общей массы организма. У растений масла накапливаются в семенах плодов и в мякоти (до 50% от общей массы). Жидкие жиры семян масличных плодов содержат много непредельной олеиновой кислоты - до 80% в оливковом масле и до 36% в подсолнечном масле. Жир человека содержит до 70% олеиновой кислоты и до 25% - пальмитиновой. В жирах жвачных животных присутствует в основном стеариновая кислота.

Так как жиры представляют собой сложные смеси глицеридов, то они имеют различные физико-химические свойства. У жиров отсутствует резко выраженная температура плавления. Твердые жиры сначала размягчаются, потом плавятся в некотором интервале температур. Температура затвердевания жира тем выше, чем больше в нем содержится предельных кислот. Так, твердый жир тристеарин плавится при 73° С, а жидкий жир триолеин - при - 5° С.

Жиры легко растворяются в органических растворителях: бензине, эфире, хлороформе, тетрахлориде углерода, бензоле и толуоле, но не растворяются в воде. С водой они образуют стойкие эмульсии, особенно в присутствии поверхностно-активных веществ. Примером водной эмульсии жира, стабилизованной белком, является молоко.

Смеси растительных масел с минеральными используют для приготовления некоторых смазочных масел.

На основе эфиров карбоновых кислот и многоатомных спиртов разработаны смазочные масла для металлургического оборудования, применяемые при температурах до 120° С, а со специальными присадками и до 200° С.

На основе диэфиров изготовляют консистентные смазки с температурой плавления до 185° С, обладающие высокой стойкостью к окислению, малой испаряемостью, отсутствием корродирующего действия.

Жиры используют также для фармацевтических целей и в парфюмерии (кремы, помады и др.)

Полученный твердый жир используют для технических целей, а также в производстве маргарина. При гидрировании одновременно с повышением температуры плавления достигается и другой важный результат: некоторые масла, обладающие неприятным вкусом и запахом, превращаются в высококачественные съедобные жиры.

Обе составные части жиров - и глицерин, и жирные кислоты - в промышленном масштабе получают в настоящее время из нефти. Очевидно, что, если бы была в том экономическая необходимость, можно было бы без особого труда извлекать из этих компонентов и синтетический жир. Однако сегодня источником пищевых жиров служат продукты сельского хозяйства - главная задача в том, чтобы сократить расход жиров на технические цели, который пока еще значителен.

При действии воды в присутствии кислотных или щелочных катализаторов происходит гидролиз жиров, как и всех сложных эфиров. При проведении гидролиза в щелочной среде (едким натром или содой) входящие в состав жира кислоты выделяются в виде натриевых солей, а эти соли не что иное, как мыла. Поэтому и процесс гидролиза часто называют омылением:

Свойства мыла зависят не только от природы входящей в его состав жирной кислоты, но и от катиона: натриевые мыла - твердые, калиевые - жидкие (входят в состав «зеленого мыла»).

Одним из путей сокращения расхода пищевых, жиров на технические цели является использование в мыловарении синтетических жирных кислот. Для этой цели их получают окислением алканов, содержащихся в высших фракциях нефти:

Конечно, на самом деле молекула алкана не расщепляется точно посередине, поскольку получаются смеси кислот с разным числом атомов углерода. Эти смеси приходится разделять, выделяя из них сравнительно узкие фракции, в составе которых находятся родственные кислоты с близким числом С-атомов. Полученные таким образом смеси жирных кислот действием щелочи или соды превращают в мыла.

Однако на самом деле мыло -- далеко не идеальное моющее средство. Оно не мылится в жесткой морской воде: с ионами кальция и магния образуется осадок нерастворимых солей жирных кислот.

Начиная с 30-х годов получили применение синтетические моющие средства, которые в настоящее время призводятся во всем мире миллионами тонн.

Главной составной частью современных синтетических моющих средств являются Поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые представляют собой серусодержащиие органические соединения.

2. Жиры и их классификация

К нитросоединениям относят класс органических веществ, содержащих нитрогруппу -NO₂. Физическими методами установлено, что этой функциональной группе обе NO-связи имеют одинаковую длину: 0,122 нм (для N==0 0,115 нм, для N-0 0,136 нм). Следовательно, изображая нитрогруппу в развернутом виде , нужно помнить, что реальное распределение электронной плотности в этой группе следует выражать в виде гибрида двух резонансных структур:

За основу названия нитроалканов берется название соответствующего предельного углеводорода; перед основой ставится слово "нитро" и цифра, показывающая положение нитрогруппы в основной цепи:

В соответствии с нахождением нитрогруппы у первичного, вторичного или третичного атомов углерода нитросоединения классифицируют на первичные, вторичные или третичные соответственно.

По химическим свойствам двухосновные кислоты подобны одноосновные. Можно отметить лишь большую кислотность первых членов ряда, обусловленную взаимным влиянием двух карбоксильных групп, являющихся мощными электроноакцепторами:

Приведем значения рK_а (показателей константы кислотности) первой ступени диссоциации для некоторых двухосновных кислот: HOOC-COOH 1,23; НООС-СН₂СООН 2,80; НООС-(СН₂)₂СООН 4,17; НООС-(СН₂)₃-СООН 4,34.

Для сравнения напомним, что для уксусной кислоты рK_а равно 4,75, а для пропановой 4,87.

По мере удаления карбоксильных групп друг от друга их взаимное влияние ослабевает и сила кислоты падает. Поскольку двухосновные кислоты имеют две карбоксильные группы, могут быть получены два ряда производных кислот. Например, можно синтезировать моно- и дихлорангидрид, сложные моно- и диэфир и другие производные щавелевой кислоты.

Отдельные представители дикарбоновых кислот применяют в пищевой, парфюмерной, химической промышленности; в последние годы, например, адипиновую (гексан-1,6-диовая) кислоту используют для получения полиамидных смол и волокна "найлон"; в промышленности ее получают окислением циклогексанола азотной кислотой.

Нитрилы получают, как правило, дегидратацией амидов либо действием цианидов металлов (NaCN, KCN, CuCN) на алкилгалогениды. Называют нитрилы, руководствуясь теми же принципами, что и при названии амидов, только слово "амид" заменяют на "нитрил", например:

Гидролиз нитрилов приводит к карбоновым кислотам:

RC?N + 2H₂0 > RCOOH + NH₃

При восстановлении нитрилов (водород в момент выделения или LiAlH₄) или при каталитическом гидрировании с хорошими выходами образуются первичные амины:

В присутствии сильных кислот карбоновые кислоты реагируют со спиртами с образованием сложных эфиров - реакция этерификации.

В названии сложного эфира отражено название исходных спиртовых кислот:

Сложные эфиры получают также реакцией ангидридов либо галогенангидридов кислот со спиртами или реакцией солей карбоновых кислот с алкилгалогенидами:

где Х = Cl, Br, I.

Под действием воды в кислой или щелочной средах сложные эфиры расщепляются (гидролизуются) с образованием карбоновых кислот и спиртов:

Реакцию гидролиза под действием щелочей называют также омылением.

Высшие предельные (жирные) карбоновые кислоты в воде нерастворимы из-за наличия в молекуле большого углеводородного остатка, однако хорошо растворимы в растворах щелочей за счет образования солей.

Натриевые и калиевые соли высших предельных (жирных) карбоновых кислот многие столетия применяют в качестве мыла.

Важнейшие представители высших жирных кислот - пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH и стеариновая С₁₇H₃₅СООН кислоты. Натриевые соли именно этих кислот - основная составная часть обычного твердого мыла, в состав которого могут входить и соли других жирных кислот с числом углеродных атомов 10 - 18. Калиевые соли указанных кислот жидкие.

Мыла - это поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они состоят из гидрофобной части (углеводородная цепь) и гидрофильной части (группа СОО). В процессе мойки гидрофобная часть растворяется в частичке грязи (жира), а гидрофильная - в воде. Таким образом, частицы грязи (жира) обволакиваются молекулами мыла. Такая мицелла удерживается во взвешенном состоянии, т.е. образуются устойчивые эмульсии или суспензии, которые и выводятся с поверхности отмываемого предмета (рис. 1).

Рис. 1. Схема действия моющего вещества (мыла):

а - карбоксилатный конец молекулы мыла растворен в воде, углеводородный конец растворен в масле; б - 1 - частица грязи (жира) на очищаемой поверхности; 2 - адсорбция молекул мыла на частице; 3 -переход оторвавшейся частицы грязи в моющий раствор, образование эмульсии (суспензии).

Обычно мыла получают гидролизом (омылением) жиров либо из синтетических высших жирных кислот.

Мыла широко используют в текстильной промышленности при подготовке к отделке различных видов тканей. Например, при отмывке шерстяных тканей, при отварке шелка и целлюлозных волокон.

Следует отметить, что обычные мыла имеют плохую моющую способность в жесткой воде, так как натриевые и калиевые соли высших жирных кислот вступают в реакцию обмена с находящимися в воде кислыми карбонатами щелочно-земельных металлов (Са, Kg, Ba):

Образующиеся соли кальция - плохо растворимы в воде, мыло не «мылится», не пенится, становится липким. Кроме того, в жесткой воде мыла частично гидролизуются, образуя свободные высшие кислоты и щелочи, которые способны разрушать некоторые виды волокон. С экономической точки зрения использование мыла в большом количестве для технических целей также нецелесообразно, так как мыловаренная промышленность потребляет для производства мыла огромное количество ценных пищевых жиров. Поэтому в последние годы вместо мыла в возрастающем объеме в технике используют синтетические моющие средства - детергенты.

3. Свойства жиров

жир гидролиз животный растительный

«Физические свойства и нахождение в природе. Сложные эфиры одноосновных карбоновых кислот - это обычно жидкости с приятным запахом. Этиловый эфир муравьиной кислоты имеет запах рома, бутиловый эфир масляной кислоты напоминает запах ананаса и т. д.

Приятный аромат цветов, плодов и ягод в значительной степени обусловлен присутствием в них тех или иных сложных эфиров. Это свойство эфиров находит и практическое применение.

Синтетические сложные эфиры в виде фруктовых эссенций используются наряду с другими душистыми веществами в производстве фруктовых вод, кондитерских изделий, при изготовлении духов и одеколонов. Некоторые из сложных эфиров (например, этиловый эфир уксусной кислоты) служат растворителями.

Жиры широко распространены в природе. Наряду с углеводами и белками они входят в состав всех растительных и животных организмов и составляют одну из основных частей нашей пищи.

Животные жиры, как правило, твердые вещества. Растительные жиры чаще бывают жидкими, их называют еще маслами.

Все жиры легче воды. В воде они нерастворимы, но хорошо растворяются во многих органических растворителях (дихлорэтане, бензине).

Химические свойства. Важнейшим химическим свойством сложных эфиров является взаимодействие их с водой. Если какой-либо эфир, например этиловый эфир уксусной кислоты, нагревать с водой в присутствии неорганической кислоты, то образуются уксусная кислота и этиловый спирт:

Такая реакция называется гидролизом. Она противоположна реакции образования сложного эфира. Поэтому если нагревать смесь спирта и карбоновой кислоты, то происходит не только этерификация, но и гидролиз образующегося эфира. Это значит, что реакция этерификации обратима. Скорость обратного процесса при этерификации возрастает по мере того, как увеличивается количество эфира и воды в смеси. Наконец, скорости реакций этерификации и гидролиза становятся равными. Наступает химическое равновесие, и количество эфира в смеси практически более не увеличивается.

В общем виде уравнение выглядит так:

Чтобы сместить равновесие этой реакции в сторону образования сложного эфира, нужно помешать образующимся веществам реагировать друг с другом, например отгонять эфир из смеси веществ или связывать выделяющуюся воду водоотнимающими веществами.

Если же, наоборот, требуется гидролизовать эфир, т. е. разложить его водой на кислоту и спирт, можно проводить реакцию в присутствии щелочи. Она будет превращать кислоту в соль и тем самым устранять возможность ее реакции со спиртом. Далее из соли легко получить нужную кислоту.

Химические свойства жиров определяются принадлежностью их к классу сложных эфиров. Поэтому наиболее характерная для них реакция - гидролиз.

Ненасыщенные карбоновые кислоты ведут себя как насыщенные карбоновые кислоты и как алкены. В то же время сочетание в молекуле карбоксильной группы и сопряженной двойной связи приводит к появлению определенных специфических свойств. Алкеновые карбоновые кислоты образуют все обычные производные кислот (соли, галогенангидриды, ангидриды, эфиры) и вступают практически во все реакции присоединения, свойственные алкенам, легко окисляются.

Однако присоединение несимметрично построенных реагентов таких как HBr, HC1, HI, Н₂О к алкеновым кислотам, у которых двойная связь расположена рядом с карбоксильной группой, проходит против правила Марковникова, с промежуточным образованием продукт том присоединения.

4. Продукты переработки жиров

Гидролиз жиров в технике. Реакция гидролиза используется в технике для получения из жиров глицерина, карбоновых кислот, мыла.

Глицерин и кислоты образуются при нагревании жира с водой в автоклавах.

Для получения мыла кислоты нагревают с раствором карбоната натрия (составьте уравнение происходящей при этом реакции). Чтобы выделить мыло, в раствор добавляют хлорид натрия, при этом мыло всплывает наверх в виде плотного слоя - ядра. Из этой массы готовят так называемое ядровое мыло обычные сорта хозяйственного мыла.

Гидрирование жиров. Для получения мыла и других веществ требуются преимущественно твердые жиры. Между тем они являются весьма ценным продуктом питания. Поэтому давно возникла мысль превращать более дешевые растительные масла в твердые жиры, которые затем можно было бы подвергать той или иной технической переработке.

Вспомним, что жидкие жиры отличаются от твердых непредельностью своего состава - наличием двойных связей в углеводородных радикалах. Значит, подобно тому как жидкие непредельные кислоты могут быть превращены в твердые путем присоединения к ним водорода, таким же путем можно превратить жидкие жиры в твердые.

Сущность способа заключается в том, что через нагретую смесь масла с тонко измельченным катализатором (никелевым или медно-никелевым) пропускают водород под давлением. Водород присоединяется по месту двойных связей в углеводородных радикалах, и масло превращается в твердый жир, например:

В промышленности процесс гидрирования осуществляют в ряде последовательно соединенных автоклавов по непрерывному методу. Проходя через систему автоклавов, жир подвергается все большему гидрированию; в результате получается масса, похожая по своей консистенции на сало. Поэтому гидрированное масло называют еще саломасом. От катализатора саломас отделяется при помощи фильтрования.

Гидрированный жир - полноценный продукт для производства мыла, а при использовании определенных сортов масел -- и для употребления в пищу, например в составе маргарина.

Синтетические моющие вещества. Производство мыла требует большого расхода жиров. Между тем жиры - ценнейший продукт питания. Чтобы сберечь их для народного потребления, мыло следует получать из непищевого сырья. Органическая химия предоставляет такие возможности.

В состав мыла входят соли карбоновых кислот. Сейчас такие кислоты получают в промышленности окислением углеводородов, входящих в состав парафина. Процесс ведут в аппаратах колонного типа, продувая через расплавленную смесь углеводородов воздух при температуре около 120°С в присутстствии соединений марганца в качестве катализатора.

В результате образуется смесь различных кислот и других кислородсодержащих соединений, которую подвергают разделению. Нейтрализацией кислот получают соли. Эти соли (в смеси с наполнителем) идут на производство туалетного и хозяйственного мыла.

Мыла, получаемые из синтетических кислот, будучи аналогичны по своей химической природе обычным мылам, обладают и их недостатками. Например, они плохо моют в жесткой воде. Поэтому сейчас развивается производство моющих средств другого типа.

Синтетические моющие вещества входят в состав широко известных стиральных порошков «Астра», «Лотос», «Кристалл» и др.

Производство синтетических моющих средств - одно из особенно быстро развивающихся направлений современной промышленности органической химии.

Моющие средства в процессе их использования, не подвергаются разрушению; поступая со сточными водами в водоемы, они могут загрязнять окружающую среду. Поэтому, создавая новые препараты, стремятся обеспечить не только высокие моющие свойства, но и биоразлагаемость этих веществ - последующее уничтожение в природе некоторыми видами микроорганизмов в процессе их жизнедеятельности. Биологическое разрушение в природных условиях - обязательное требование к выпускаемым в нашей стране синтетическим моющим веществам.

Литература

1. Органическая химия. А.В. Атанасян. - М.: Просвещение, 1956.

2. Словарь по органической химии. Балуев А.Г. - М.: Просвещение, 1972.

3. Органическая химия. «Средняя школа». - 1952 г.

4. Каталоги «Avon».

Размещено на Allbest.ru