''Estry - nie tylko ładny zapach'' (''Chemia w Szkole'' 3-2007 r.).pdf - Artykuły chemiczne z gazet - Orlan

Kształcenie nauczycieli chemii

Estry – nie tylko

ładny zapach

BEATA DASIEWICZ, KATARZYNA DOBROSZ–TEPEREK

nie o estry najprawdopodobniej usły-

szymy stereotypową odpowiedź, że

ładnie pachną, najczęściej owocami. Nato-

miast podanie wzoru i poprawnej nazwy czę-

sto sprawia mu kłopot. Czym są estry? Są one

pochodnymi kwasów karboksylowych. Moż-

na je otrzymać na wiele sposobów. Jedną ze

starszych metod jest reakcja estryfikacji Fi-

schera polegająca na ogrzewaniu kwasu kar-

boksylowego i znacznego nadmiaru alkoholu

w obecności niewielkiej ilości mocnego kwa-

su nieorganicznego jako katalizatora. Ko-

nieczność użycia nadmiaru alkoholu ograni-

cza jej zastosowanie jedynie do otrzymy-

wania estrów metylowych, etylowych i propy-

lowych. Nazwy estrów tworzy się od nazwy

kwasu karboksylowego, z jakiego powstał

określony związek oraz nazwy grupy alkilo-

wej, która została wprowadzona do cząstecz-

ki w miejsce atomu wodoru w grupie karbok-

sylowej kwasu. Nazwa estru ma końcówkę

- an dodaną w miejsce końcówki - owy w przy-

miotnikowej części kwasu (Rys. 1) [1, 3].

Aromaty w żywności

Charakterystyczny aromat owoców jest

wynikiem współdziałania wielu związków

organicznych. W jego tworzeniu biorą

udział w dużym stopniu terpeny zwane olej-

kami eterycznymi, ale również alifatyczne

estry i etery. Często zapach wielu estrów

kojarzy się z konkretnym owocem, np. hek-

sanian allilu, maślan butylu, maślan etylu,

heksanian pentylu (Rys. 2) – z aromatem

ananasa; pentanian geranylu, izowalerian

etylu, mrówczan linalolu, pentanian penty-

lu – z aromatem jabłka; cynamonian mety-

lu, octan izobutylu, mrówczan etylu, buta-

nian etylu, octan benzylu – z aromatem

truskawki. Ponieważ pozyskiwanie natural-

nych aromatów jest procesem kosztownym,

używa się do nadawania żywności odpo-

wiednich cech smakowo-zapachowych syn-

tetycznych esencji, które otrzymuje się me-

todą syntezy organicznej lub biosyntezy.

Przykłady estrów, które są syntetycznymi

aromatami stosowanymi do żywności za-

wiera tabela 1. [2].

Rys. 1. Octan etylu i benzoesan metylu

Estry stanowią jedną z najbardziej rozpo-

wszechnionych i popularnych grup związ-

ków występujących w przyrodzie. Wiele

z nich to ciecze o bardzo przyjemnym zapa-

chu, ale tłuszcze to również estry. Syntetycz-

ne związki z połączeniem estrowym wyko-

rzystujemy w wielu dziedzinach życia.

Rys. 2. Estry o aromacie ananasa: a) heksanian allilu,

b) maślan butylu, c) maślan etylu, d) heksanian pentylu

3/2007

Z adając uczniowi lub studentowi pyta-

Kształcenie nauczycieli chemii

Tabela1.

Przykłady syntetycznych aromatów stoso-

wanych w żywności

rodzaje tłuszczów: roślinne i zwierzęce. Ce-

chą odróżniającą je jest stan skupienia, ro-

ślinne tłuszcze mają w większości konsy-

stencję ciekłą (oleju), natomiast zwierzęce

– stałą. Różnica ta wynika z przewagi nie-

nasyconych kwasów tłuszczowych, tworzą-

cych określone tłuszcze roślinne.

Większość kwasów tłuszczowych, nasyco-

nych i nienasyconych, należy do związków

o łańcuchu prostym i parzystej liczbie ato-

mów węgla. Mimo że mogą one zwierać od 2

do 80 atomów węgla w łańcuchu, to najczę-

ściej występują kwasy o 16, 18, 20 i 22 ato-

mach. W naturalnych kwasach nienasyco-

nych przeważa konfiguracja cis . Nazewnic-

two systematyczne pozwala na utworzenie

nazwy tych związków poprzez dodanie do na-

zwy rdzenia macierzystego węglowodoru

końcówki - owy i słowa kwas przed nazwą.

W przypadku wystąpienia wiązań podwój-

nych określa się ich ilość przedrostkami li-

czebnymi di-, tri, tetra-, itd. oraz wskazuje się

miejsce ich położenia, stosując system nu-

meryczny, np. kwas oktadeka-9,12,15-trieno-

wy. Najczęściej jednak stosuje się nazwy zwy-

czajowe, które przeważnie odnoszą się

do źródła ich odkrycia. Przykładem jest kwas

linolenowy (Rys. 3). Używana jest również

powszechnie nomenklatura skrótowa,

np. 16:0 oznaczająca szesnastowęglowy, pro-

stołańcuchowy, nie zawierający wiązań po-

dwójnych (kwas palmitynowy), natomiast

18:1 (9 c ) oznacza kwas osiemnastowęglowy,

prostołańcuchowy zawierający jedno wiąza-

nie podwójne przy C-9, o konfiguracji cis

(kwas oleinowy).

Związek chemiczny

Typ aromatu

Benzoesan etylu

anyżowy

Cykloheksylopropionian

allilu

poziomkowy

Maślan amylu

bananowy

Mrówczan izoamylu

śliwkowy

Octan izobutylu

ananasowy

Octan geranylu

agrestowy

Izowalerian izoamylu

jabłkowy

Lipidy

Lipidy to związki pochodzenia natural-

nego (głównie tłuszcze), które wraz z biał-

kami i sacharydami są podstawowymi

składnikami żywych komórek. Stanowią

one grupę substancji, która została okre-

ślona jako klasa związków organicznych

na podstawie właściwości fizycznych, a nie

budowy i reaktywności. Lipidy nie rozpusz-

czają się w wodzie, natomiast rozpuszczają

się w niepolarnych rozpuszczalnikach orga-

nicznych, takich jak eter dietylowy, chloro-

form, benzen czy tetrachlorek węgla. Ze

względu na pewne podobieństwa struktu-

ralne, lipidy podzielono na trzy zasadnicze

grupy: lipidy proste, złożone i wtórne (po-

chodne) [2]. Do lipidów prostych (właści-

wych) zostały zaliczone: estry kwasów

tłuszczowych i gliceryny – triacyloglicerole,

zwane także triglicerydami, oraz estry kwa-

sów tłuszczowych i wyższych alkoholi – wo-

ski. Lipidy złożone zawierają oprócz kwa-

sów tłuszczowych i alkoholi także inne

składniki, takie jak kwas fosforowy(V) czy

cząsteczkę cukru i aminoalkohole.

Nazwa lipidy pochodzi od greckiego sło-

wa lipos – tłuszcz, ponieważ tłuszcze natu-

ralne są wieloskładnikową mieszaniną róż-

nych lipidów, w których triacyloglicerole są

podstawowym składnikiem (98%). Ze

względu na pochodzenie wyróżniamy dwa

Rys. 3. Kwas oktadeka-9,12,15-trienowy (kwas linolenowy)

Konfiguracja cis - wiązań podwójnych po-

woduje wygięcie łańcuchów kwasów i wpły-

wa na obniżenie ich temperatury wrzenia,

zapewniając tłuszczom roślinnym stan cie-

kły. Ze względu na strukturę łańcucha, mię-

Chemia w Szkole

Kształcenie nauczycieli chemii

dzy terminalną grupą metylową a najbliż-

szym względem niej podwójnym wiązaniem,

polienowe kwasy tłuszczowe dzieli się na ro-

dziny kwasów: n-9, n-6 i n-3. Niektóre

z kwasów n-6 i n-3 należą do niezbędnych,

nienasyconych kwasów tłuszczowych

(NNKT) (tabela 2). NNKT są niezbędne

do prawidłowego funkcjonowania organi-

zmu. Spełniają ważną rolę w zapobieganiu

i leczeniu miażdżycy oraz innych stanów

chorobowych, prowadzących do zaburzeń

gospodarki lipidowej. Powodują, między in-

nymi, obniżenie poziomu cholesterolu i tri-

acyloglicerolu w surowicy krwi, zapobiegają

powstawaniu zakrzepów, poprawiają pracę

serca i przepływ krwi przez naczynia wień-

cowe, zapobiegają nadciśnieniu tętniczemu

krwi, prawdopodobnie w wyniku zwiększo-

nego wydzielania jonu sodowego z moczem

oraz rozszerzania naczyń tętniczych [2].

Acylogricerole, w których skład wcho-

dzą kwasy tłuszczowe, są podstawowym

składnikiem tłuszczów i najbardziej zna-

czącą klasą lipidów zapasowych roślin

i większości zwierząt. Zwyczajowo określa

się acylogricerole mianem tłuszczów.

Organizm człowieka o masie 75 kg zawie-

ra około 10% acylogliceroli (tj. ok. 7 kg).

Tłuszcze zawarte w pożywieniu powinny do-

starczać człowiekowi około 30% ogółu ener-

gii. Zapotrzebowanie na tłuszcze u osób do-

rosłych wynosi około 1 g (38,93 kJ energii

czyli 9,3 kcal, to jest ponad dwukrotnie wię-

cej energii, aniżeli dostarcza 1 g białka czy

węglowodanów) na kg masy ciała.

Spożyte tłuszcze są hydrolizowane już

w żołądku przez lipazę żołądkową, która

rozszczepia część wiązań estrowych. Dalsze

etapy trawienia spożytych tłuszczów mają

miejsce w jelicie cienkim. Do dwunastnicy

trzustka dostarcza lipazę trzustkową, która

rozkłada tłuszcze do monoacylogliceroli

i diacylogliceroli, hydrolizując wiązania es-

trowe tylko w zewnętrznych pozycjach tri-

acylogliceroli. W trawieniu tłuszczów nie-

zmiernie istotna jest żółć, która wpływa

do dwunastnicy z pęcherzyka żółciowego.

Pęcherzyk żółciowy jest jedynie magazy-

nem żółci, bowiem sama żółć jest produko-

wana w hepatocytach wątroby. Żółć jest za-

sadowym płynem, barwy żółtobrunatnej.

Zawiera kwasy żółciowe, cholesterol, śluz,

kwasy tłuszczowe, bilirubinę, jony sodu,

potasu, chloru, wodorowęglany i fosfolipi-

dy. Żółć jest emulgatorem, substancją

zmniejszającą napięcie powierzchniowe

tłuszczów. Tłuszcze pod wpływem żółci

ulegają rozbiciu na drobne kropelki, przez

co zwiększa się powierzchnia oddziaływa-

nia lipaz na tłuszczowce. Enzym dzięki żół-

ci ma więc większą dostępność do lipidów.

Dzięki składnikom żółci kwasy tłuszczowe

Tabela 2.

Kwasy tłuszczowe mające właściwości NNKT [2]

Kwasy tłuszczowe n-6

Kwasy tłuszczowe n-3

Nazwa zwyczajowa

struktura

Nazwa zwyczajowa

struktura

linolowy

18:2(9,12)

-linolenowy

18:3(9,12,15)

-linolenowy

18:3(6,9,12)

–

18:4(6,9,12,15)

–

20:3(8,11,14)

–

20:4(5,8,11,14,17)

arachidowy

20:4(5,8,11,14)

–

20:5(5,8,11,14,17)

–

22:4(7,10,13,16)

–

22:5(7,10,13,16,19)

–

22:5(4,7,10,13,16)

klupanodonowy

22:6(4,7,10,13,16,19)

3/2007

Kształcenie nauczycieli chemii

zawarte w tłuszczowcach stają się kwasami

choleinowymi rozpuszczalnymi w wodzie,

co ułatwia ich wchłanianie z jelit do krwi.

Tłuszczowce nie są w całości hydrolizowa-

ne do glicerolu (lub innego alkoholu wielo-

wodorotlenowego) oraz kwasów tłuszczo-

wych. Część z nich, pod wpływem żółci, jest

emulgowana na chylomikrony, które prze-

nikają z jelit do krwi [2,4].

Tłuszcze stanowią jeden z podstawo-

wych składników odżywczych i spełniają

w organizmie człowieka wiele różnorod-

nych funkcji:

•

jak ściana jelita. Kiedy lek trafia do krwio-

obiegu, ester ulega hydrolizie, uwalniając

aktywną strukturę. Związki działające w ten

sposób nazywa się prolekami. Często tego

typu połączenia wykorzystywane są w le-

kach kardiologicznych i antybiotykach [5].

Najpopularniejszym lekiem z wiązaniem es-

trowym jest aspiryna czyli kwas O -acetylosa-

licylowy (Rys. 4).

są skoncentrowanym źródłem energii

dla tkanek i narządów;

Rys. 4. Aspiryna, kwas O-acetylosalicylowy

•

ułatwiają odczuwanie smaku i przełyka-

nie pokarmu;

Polimery

Połączenia estrowe znalazły swoje miej-

sce również w produkcji polimerów zwa-

nych poliestrami. Posiadają one sztywniej-

sze i bardziej polarne łańcuchy główne

w porównaniu z polimerami winylowymi,

przez co częściej tworzą fazę krystaliczną

oraz są bardziej kruche, twarde i trudniej

topliwe. Podstawową metodą syntezy po-

liestrów jest reakcja estryfikacji hydroksy-

kwasów samych z sobą lub reakcja dioli

z kwasami dikarboksylowymi. W ten spo-

sób otrzymuje się, np. poli(tereftalan etyle-

nu) (PET), będący podstawą większości

włókien poliestrowych oraz materiałem,

z którego produkuje się plastikowe butelki

(Rys. 5).

•

hamują skurcze żołądka i wydzielanie

kwaśnego soku żołądkowego;

•

stanowią budulec błon komórkowych

i białej masy mózgu;

•

jako tłuszcz podskórny chronią przed

nadmierną utratą ciepła;

•

jako tłuszcz okołonarządowy stabilizują

nerki i inne narządy wewnątrz ciała;

dostarczają niezbędnych nienasyconych

kwasów tłuszczowych.

Ponadto tłuszcze są nośnikami witamin

A, D, E i K oraz ułatwiają ich przyswajanie

z innych produktów, zaś w technologii po-

traw stanowią medium grzejne, dzięki któ-

remu możliwe są takie techniki kulinarne,

jak smażenie i duszenie [2].

Leki

Wiele leków zawiera estrowe grupy funk-

cyjne. Mogą one oddziaływać z docelowymi

miejscami wiążącymi jako akceptory wiązań

wodorowych. Jednakże estry w warunkach

fizjologicznych są dość podatne na metabo-

lizm. Organizm ludzki zawiera, zarówno we

krwi, jak też w innych tkankach, enzymy

zwane esterazami, które powodują hydroli-

zę estrów. Pomimo to grupa estrowa jest wy-

korzystywana do maskowania polarnych

grup funkcyjnych, np. karboksylowej, feno-

lowej czy alkoholowej, ponieważ jest ona

mniej polarna od nich, co ułatwia lekowi

przekraczanie barier hydrofobowych, takich

Rys. 5. Struktura poli(tereftalanu etylenu)

Innymi metodami otrzymywania polie-

strów są: reakcja chlorków kwasów kar-

boksylowych z diolami oraz reakcja bez-

wodników kwasowych z diolami i triolami.

Pierwszy sposób pozwala na uzyskanie po-

liestrów aromatycznych, takich jak dakron,

a także poliwęglanów, natomiast drugi

– żywicy poliestrowej zwanej gliptalem, bę-

dącej podstawą wielu klejów, w tym synte-

tycznej gumy arabskiej [3].

Chemia w Szkole

•

Kształcenie nauczycieli chemii

Pisząc o tworzywach sztucznych nie

można nie wspomnieć o jednym z pierw-

szych polimerów pochodzenia naturalne-

go, jakim jest azotan celulozy zwany celulo-

idem. Jest to tworzywo termoplastyczne

(mięknące pod wpływem ogrzewania), któ-

re produkuje się poprzez rozpuszczenie

azotanu celulozy w kamforze, a następnie

kontrolowane odparowywanie kamfory, aż

do uzyskania stałego produktu. Celuloid

jest łatwopalny i rozpuszczalny w prawie

wszystkich polarnych rozpuszczalnikach

organicznych (etanol, aceton itp.). Był sto-

sowany do produkcji zabawek, galanterii

i błon filmowych. Obecnie stosowany jest

już właściwie prawie wyłącznie do produk-

cji piłeczek do tenisa stołowego. Technolo-

gia produkcji celuloidu została opatento-

wana przez braci J. Hyatta i I. Hyatta

w 1873 r. W produkcji taśm i folii dla prze-

mysłu fotograficznego celuloid został za-

stąpiony przez trudnopalny octan celulozy,

który otrzymuje się działając kwasem octo-

wym lub jego bezwodnikiem na celulozę

w obecności kwasu siarkowego lub chlorku

cynkowego jako katalizatora. Jest on bez-

barwnym termoplastycznym polimerem

odpornym na zarysowanie, mało odpor-

nym na ścieranie, wykazuje właściwości

izolacyjne oraz antystatyczne, jest odporny

na działanie wody, olejów i tłuszczów, roz-

puszcza się w acetonie.

Oprócz wykorzystania połączeń estro-

wych do tworzenia polimeru zastosowanie

w tej gałęzi przemysłu znalazły również in-

ne estry. Często są one używane jako pla-

styfikatory, czyli związki, które powodują

zmiękczenie polimeru, większą jego rozcią-

gliwość, łatwiejsze przetwórstwo, przy

czym nie zmieniają właściwości chemicz-

nych tworzywa. Przykładem takiego zmięk-

czacza może być ftalan dibutylu (Rys. 6).

Jeszcze jedno

ciekawe wykorzystanie estru

Jedną z najbardziej gorzkich substancji

znanych na świecie jest bitrex – benzoesan

denatonium (Rys 7.). Jest on dodawany

do denaturatu, alkoholu metylowego, pre-

paratu przeciw obgryzaniu paznokci i mro-

zoodpornego płynu do spryskiwaczy. Do-

zuje się go w ilości poniżej 10 ppm.

Rys. 7. Bitrex – benzoesan denatonium

Pisząc o estrach kwasów karboksylowych

nie należy zapominać, że istnieją również

estry kwasów nieorganicznych, które są wy-

korzystywane w wielu dziedzinach życia, np.

estry kwasu siarkowego znajdują ogromne

zastosowanie jako środki powierzchniowo

czynne (w tym środki myjące), czy też estry

kwasu krzemowego, które wykorzystywane

są w inżynierii materiałowej.

dr BEATA DASIEWICZ

Nauczyciel akademicki, adiunkt w Katedrze Chemii

Wydziału Technologii Żywności SGGW w Warszawie.

Specjalizuje się w analizie związków organicznych

w żywności.

dr inż. KATARZYNA DOBROSZ-TEPEREK

Nauczyciel akademicki, starszy wykładowca w Katedrze Chemii

Wydziału Technologii Żywności SGGW w Warszawie.

Prowadzi badania nad doskonaleniem metod dydaktycznych

w szkole wyższej.

L ITERATURA

[1]. J. McMurry, Chemia organiczna . Wydawnictwo Naukowe PWN,

2000.

[2]. Z. Sikorski i inni, Chemia żywności . Wydawnictwo Naukowo-Tech-

niczne, 2002.

[3]. E. Białecka-Florjańczyk, J. Włostowska, Chemia organiczna .

Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 2002.

[4]. L. Stryer, Biochemia . Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.

Rys. 6. Ftalan dibutylu

[5]. G. Patrick, Chemia leków . Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004.

3/2007

''Estry - nie tylko ładny zapach'' (''Chemia w Szkole'' 3-2007 r.).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: