Tłuszcze należą do grupy estrów, dlatego, tak jak pozostałe estry, ulegają procesom hydrolizy w odpowiednich warunkach. Są to reakcje hydrolizy zasadowej oraz hydrolizy kwasowej. Przyjrzyjmy się więc, czym się różnią oba procesy.

Hydroliza w środowisku zasadowym

W reakcji zmydlania, czyli zasadowej hydrolizy tłuszczów, powstaje glicerolglicerolglicerol (propano‑1,2,3‑triol) oraz sole kwasów tłuszczowych, z których reszt kwasowych zbudowany jest wyjściowy tłuszcz. Spójrzmy, jak właściwie wygląda schematyczne równanie reakcji chemicznej powstawania mydła:

R12xj0gHL4La7

Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka tłuszczu strzałka w prawo, nad strzałką jedna cząsteczka wodorotlenku sodu, pod strzałką jedna cząsteczka wody, daje jedną cząsteczkę mydła dodać jedną cząsteczkę glicerolu. W cząsteczce tłuszczu kolorem różowym zaznaczono część następującą część wzoru: atom węgla połączony jest z lewej strony z atomem tlenu, u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, po prawej stronie z literą R. Kolorem różowym zaznaczono także NaOH oraz wzór cząsteczki mydła, który jest następujący - atom węgla łączy się po lewej stronie z 3R, u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, po prawej stronie z O indeks górny minus N a indeks góry plus. Opis: R łańcuch alifatyczny ${\mathrm{C}}_{11}-{\mathrm{C}}_{19}$.

Mydła to nic innego jak właśnie sole sodowe lub potasowe wyższych kwasów karboksylowych (tłuszczowych). Zwykłe znane Ci mydło jest najczęściej mieszaniną soli sodowych wyższych kwasów tłuszczowych, ponieważ tłuszcz, z którego to mydło powstaje, również jest mieszaniną.

Dla zainteresowanych

Hydroliza zasadowa tłuszczu przebiega wg mechanizmu substytucji nukleofilowej, tak jak typowa hydroliza estru. Dla przejrzystości poniższego schematu, pokazano tylko jedno ugrupowanie estrowe, ale dla dwóch pozostałych grup estrowych w cząsteczce tłuszczu mechanizm przebiega w ten sam sposób. Spójrzmy zatem na schemat i przeanalizujmy, co dzieje podczas każdego etapu.

Hydroliza zasadowa tłuszczu przebiega wg mechanizmu substytucji nukleofilowej, tak jak typowa hydroliza estru. Dla przejrzystości poniższego schematu, pokazano tylko jedno ugrupowanie estrowe, ale dla dwóch pozostałych grup estrowych w cząsteczce tłuszczu mechanizm przebiega w ten sam sposób. Zapoznaj się z opisem schematu i przeanalizuj, co dzieje się podczas każdego etapu.

R1E8JdLYHbW8b

Schemat mechanizmu substytucji nukleofilowej. Na schemacie pokazano kolejne etapy mechanizmu. We wzorze: atom węgla połączony wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, połączony z R i OR', po prawej stronie jest anion wodorotlenkowy ze strzałką prowadzącą w kierunku atomu węgla. W pierwszym etapie jon wodorotlenkowy łączy się z opisaną cząsteczką. Atom tlenu jest zaznaczony jako anion. W czasie drugiego etapu odłącza się jon - anion OR’. Wzór jest teraz następujący: atom węgla łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, a na dole z R i OH. Pod wzorem jest zapis: + indeks górny minus OR'. W trzecim etapie wzór cząsteczki jest następujący: atom węgla łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, na dole z R oraz z anionem tlenu. Do odłączonego w etapie drugim OR' dołącza H, dając HOR'. W czwartym etapie pod wpływem jonu oksoniowego powstaje cząsteczka o wzorze: atom węgla łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, a na dole z R i OH. .

Nukleofilem jest anion wodorotlenkowy, który przyłącza się do atomu węgla grupy karbonylowej tłuszczu w pierwszym etapie. Zauważ przy tym, że kształt cząsteczki jest trygonalny – hybrydyzacja ${\mathrm{sp}}^2$. Po addycji nukleofilowej jonu wodorotlenkowego powstaje typowy, tetraedryczny (hybrydyzacja ${\mathrm{sp}}^3$) produkt pośredni. W czasie drugiego etapu następuje odszczepienie jonu $-\mathrm{OR}\text{'}$ (jonu alkoksylowego) i powstaje kwas karboksylowy, który ulega deprotonacji w trzecim etapie, tworząc anion karboksylanowy. Zwróć uwagę – jon alkoksylowy ulega protonowaniu przez oderwanie kwasowego protonu z powstałego kwasu karboksylowego. W czwartym etapie następuje protonowanie jonu karboksylanowego przez dodanie wodnego roztworu kwasu nieorganicznego (np. $\mathrm{HCl}$) lub przyłącza się jon ${\mathrm{Na}}^{+}$.

A teraz, na przykładzie hydrolizy zasadowej tristearynianu gliceryny:

R15NTFoNWGqka

Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka tristearynianu gliceryny dodać trzy cząsteczki wodorotlenku sodu strzałka w prawo trzy cząsteczki stearynianu sodu dodać jedna cząsteczka glicerolu (gliceryny).

W przypadku, gdy grupy R nie są identyczne, możliwe jest również otrzymanie mieszaniny soli kwasów tłuszczowych. W tym przykładzie są to: stearynian sodu, oleinian sodu oraz palmitynian sodu. Wówczas równanie tej reakcji chemicznej wygląda następująco:

R1aTvjhg9INHw

Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka mieszaniny kwasu stearynowego, oleinowego i palmitynowego dodać trzy cząsteczki wodorotlenku sodu strzałka w prawo mieszanina stearynianu sodu, oleinianu sodu i palmitynianu sodu dodać jedna cząsteczka glicerolu (gliceryny).

Czy można przygotować właściwy roztwór mydła?

Zauważ, że otrzymywane sole posiadają długie łańcuchy alifatyczneŁańcuch alifatycznyłańcuchy alifatyczne, które stanowią część hydrofobową („bojącą się wody”), czyli niepolarną. Z drugiej strony posiadają również polarny koniec jonowy $-{\mathrm{COO}}^{-}{\mathrm{Na}}^{+}$, czyli hydrofilowy („lubiący wodę”). Zatem nie można mówić o właściwym roztworze mydła. W rzeczywistości mydło jest rozproszone w wodzie w postaci kulistych tworów, czyli miceli.

Czy można otrzymać mydło z twardej wody

Na pewno ze szkoły, jak i życia codziennego znasz pojęcie tzw. twardej wody. Jest bogata w sole wapniowe i magnezowe, które, reagując z mydłem, tworzą nierozpuszczalne sole wapniowe i magnezowe wyższych kwasów karboksylowych. To one są odpowiedzialne za brudny pierścień w wannie czy zszarzałą białą odzież. Równanie takiej reakcji chemicznej możemy zapisać następująco:

RGnvSJQfz54FX

Na ilustracji jest równanie reakcji: dwa aniony kwasu stearynowego dodać kation magnezu, strzałka w prawo, cząsteczka stearynianu magnezu.

Jak za pomocą hydrolizy w środowisku kwasowym otrzymać kwasy tłuszczowe?

Aby otrzymać kwas tłuszczowy należy przeprowadzić hydrolizę tłuszczu pod wpływem wody w środowisku kwasowym. Podobnie jak w procesie zmydlania, tutaj również otrzymujemy glicerol, ale drugim produktem nie są sole kwasu tłuszczowego, lecz same kwasy tłuszczowe, składające się z reszt kwasowych, które tworzyły tłuszcz wyjściowy.

R3e2wjSQuygiz

Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka tłuszczu strzałka w prawo, nad strzałką jon hydroniowy, jedna cząsteczka kwasu tłuszczowego dodać jedna cząsteczka glicerolu.

Dla zainteresowanych

Hydroliza estrów (w tym tłuszczów) w warunkach kwasowych przebiega wg poniższego schematu. Spójrzmy na następujące po sobie etapy.

Hydroliza estrów (w tym tłuszczów) w warunkach kwasowych przebiega wg poniższego schematu. Zapoznaj się z jego opisem.

R16r8wPsi9Ha0

Na ilustracji przedstawiono kolejne etapy hydrolizy estrów w warunkach kwasowych. Cząsteczka estru o wzorze: atom węgla łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, a na dole z R i OR'. U góry po prawej stronie cząsteczki jest cząsteczka o wzorze: kation tlenu łączy się z trzema atomami wodoru. Od atomu wodoru leżącego na dole po lewej stronie wzoru biegnie - nad wiązaniem - strzałka do kationu tlenu. Dodatkowo od atomu tlenu połączonego wiązaniem podwójnym w cząsteczce estru jest strzałka do atomu wodoru leżącego po lewej stronie drugiego opisanego wzoru. W pierwszym etapie do wzoru estru przyłączony jest u góry atom wodoru z cząsteczki jonu oksoniowego, atom tlenu jest zaznaczony jako kation, na dole do wzoru prowadzi strzałka z cząsteczką wody. W drugim etapie następuje addycja nukleofilowa cząsteczki wody. Cząsteczka wody jest rozbita na kation tlenu i dwa atomy wodoru. W trzecim etapie wzór cząsteczki jest następujący: atom węgla łączy się u góry wiązaniem pojedynczym z atomem tlenu. Ten łączy się z atomem wodoru. Poniżej atomu wodoru jest cząsteczka wody. Od atomu tlenu w cząsteczce wody prowadzi strzałka do atomu wodoru. Na dole opisywanego wzoru jest R, OH i atom tlenu - kation - połączony z R i H. W czwartym etapie powstaje cząsteczka o wzorze: atom węgla łączy się u góry wiązaniem podwójnym z atomem tlenu, a na dole z R i OH. Kolejnymi produktami reakcji są: .

Cząsteczka estru zostaje najpierw aktywowana przez protonowanie karbonylowego atomu tlenu w pierwszym etapie, dzięki czemu w drugim etapie następuje addycja nukleofilowa cząsteczki wody. Wówczas tworzy się tetraedryczny produkt pośredni i w trzecim etapie następuje przeniesienie protonu. Eliminacja cząsteczki alkoholu w czwartym etapie prowadzi do produktu końcowego, czyli kwasu karboksylowego. Wykorzystany na początku reakcji katalizator kwasowy zostaje odtworzony.

W galerii poniżej przedstawiono konkretne przykłady.

R1b2JfQPGncjP

Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka tristearynianu gliceryny dodać trzy cząsteczki wody strzałki w dwie strony, nad strzałkami jedna cząsteczka kwasu siarkowego, trzy cząsteczki kwasu stearynowego dodać jedna cząsteczka glicerolu (gliceryny).

RrEjzJqXWtaEi

Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka mieszaniny kwasu stearynowego, oleinowego i palmitynowego dodać trzy cząsteczki wody strzałki w dwie strony, nad strzałkami jedna cząsteczka kwasu siarkowego, mieszanina kwasu stearynowego, oleinowego i palmitynowego dodać jedna cząsteczka glicerolu (gliceryny).

Słownik

Bibliografia

Danikiewicz W., Część III. Chemia organiczna, Wydawnictwo Oficyna Edukacyjna, Warszawa, 2009.

Kaznowski K., CHEMIA Vademecum maturalne, Wydawnictwo Oficyna Edukacyjna, Warszawa, 2016.

McMurry J., Chemia organiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2000.

McMurry J., Chemia organiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2016.

Morrison R.T., Boyd R.N., Chemia organiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1985.