Ester – Lipid

Ester – lipid mở đầu chương trình Hóa học 12 và gần như năm nào cũng có mặt ở cả ba phần của đề: 1–2 câu nhiều lựa chọn (danh pháp, tính chất, xà phòng), thường một câu đúng/sai về thí nghiệm điều chế ester hoặc xà phòng hóa, và một câu trả lời ngắn tính khối lượng, hiệu suất. Nắm chắc hai phản ứng thủy phân là làm được phần lớn câu hỏi của chủ đề này.

Kiến thức trọng tâm

Ester: khái niệm, công thức, danh pháp

Khi thay nhóm $\ce{-OH}$ trong nhóm carboxyl của carboxylic acid bằng nhóm $\ce{-OR'}$ ta được ester. Ester đơn chức có công thức chung $\ce{RCOOR'}$⁠, trong đó R là H hoặc gốc hydrocarbon, R′ là gốc hydrocarbon (không phải H).

• Ester no, đơn chức, mạch hở: $\ce{C_{n}H_{2n}O2}$ với $n \ge 2$⁠.

• Tên ester = tên gốc R′ + tên gốc acid (đổi đuôi ic acid thành ate).

• $\ce{HCOOCH3}$⁠: methyl formate (methyl methanoate).

• $\ce{CH3COOC2H5}$⁠: ethyl acetate (ethyl ethanoate).

• $\ce{C2H5COOCH3}$⁠: methyl propionate (methyl propanoate).

• $\ce{CH3COOCH=CH2}$⁠: vinyl acetate; $\ce{CH2=CHCOOCH3}$⁠: methyl acrylate.

• $\ce{CH3COOC6H5}$⁠: phenyl acetate; $\ce{C6H5COOCH3}$⁠: methyl benzoate.

• $\ce{CH3COOCH2CH2CH(CH3)2}$⁠: isoamyl acetate.

Đồng phân ester: $\ce{C3H6O2}$ có 2 ester (⁠$\ce{HCOOC2H5}$⁠, $\ce{CH3COOCH3}$⁠); $\ce{C4H8O2}$ có 4 ester (⁠$\ce{HCOOCH2CH2CH3}$⁠, $\ce{HCOOCH(CH3)2}$⁠, $\ce{CH3COOC2H5}$⁠, $\ce{C2H5COOCH3}$⁠).

Tính chất vật lí của ester

• Giữa các phân tử ester không có liên kết hydrogen nên ester sôi thấp hơn hẳn alcohol và acid có phân tử khối tương đương. Ba chất cùng $M = 60$⁠: methyl formate sôi ở khoảng 32 °C, propan-1-ol khoảng 97 °C, acetic acid khoảng 118 °C.
• Ester ít tan trong nước, các ester đơn giản thường nhẹ hơn nước (tách lớp, nổi lên trên); nhiều ester có mùi thơm của hoa quả: isoamyl acetate (chuối chín), ethyl butanoate (dứa), benzyl acetate (hoa nhài).

Tính chất hóa học của ester

Thủy phân trong môi trường acid — phản ứng thuận nghịch (chiều ngược của phản ứng ester hóa):

Thủy phân trong môi trường base (phản ứng xà phòng hóa) — phản ứng một chiều:

Các trường hợp đặc biệt hay bị hỏi:

Đốt cháy ester no, đơn chức, mạch hở luôn cho $n_{\ce{CO2}} = n_{\ce{H2O}}$⁠.

Điều chế và ứng dụng

Ester hóa: đun carboxylic acid với alcohol, xúc tác $\ce{H2SO4}$ đặc:

$\ce{H2SO4}$ đặc vừa là xúc tác vừa hút nước làm cân bằng chuyển dịch theo chiều tạo ester. Muốn tăng hiệu suất: dùng dư một chất đầu hoặc chưng cất tách ester ra khỏi hỗn hợp. Ứng dụng: dung môi (ethyl acetate, butyl acetate trong sơn, keo dán), hương liệu thực phẩm và mĩ phẩm, nguyên liệu sản xuất polymer (methyl methacrylate → thủy tinh hữu cơ, vinyl acetate).

Lipid và chất béo

Lipid là các hợp chất hữu cơ trong tế bào sống, không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ không phân cực; gồm chất béo, sáp, steroid, phospholipid… Chất béo là triester của glycerol với acid béo (gọi chung là triglyceride).

Chất béo thường gặp: tristearin $\ce{(C17H35COO)3C3H5}$ (⁠$M = 890$⁠), tripalmitin $\ce{(C15H31COO)3C3H5}$ (⁠$M = 806$⁠), triolein $\ce{(C17H33COO)3C3H5}$ (⁠$M = 884$⁠). Chất béo chứa chủ yếu gốc acid béo no thường ở thể rắn (mỡ động vật); chứa chủ yếu gốc không no thường ở thể lỏng (dầu thực vật, dầu cá). Chất béo nhẹ hơn nước, không tan trong nước.

Phản ứng hydrogen hóa chuyển dầu lỏng thành mỡ rắn (sản xuất bơ thực vật). Gốc acid béo không no dễ bị oxi hóa bởi oxygen không khí, tạo sản phẩm có mùi khó chịu (dầu mỡ bị "ôi"). Chất béo là nguồn năng lượng, dung môi hòa tan vitamin A, D, E, K; acid béo omega-3, omega-6 (liên kết đôi đầu tiên ở carbon số 3 hoặc số 6 tính từ đầu $\ce{CH3}$⁠) có lợi cho tim mạch.

Xà phòng và chất giặt rửa

Xà phòng

• Thành phần chính: muối sodium hoặc potassium của acid béo, như $\ce{C17H35COONa}$⁠.
• Sản xuất: đun chất béo với dung dịch $\ce{NaOH}$ hoặc $\ce{KOH}$⁠.
• Trong nước cứng: tạo kết tủa với $\ce{Ca^{2+}}$⁠, $\ce{Mg^{2+}}$ → giảm tác dụng giặt rửa, vải bị cứng, ố.
• Dễ bị vi sinh vật phân hủy, ít gây ô nhiễm.

Chất giặt rửa tổng hợp

• Thành phần chính: muối sodium alkylsulfate $\ce{ROSO3Na}$⁠, sodium alkylbenzenesulfonate $\ce{RC6H4SO3Na}$⁠.
• Sản xuất từ sản phẩm của dầu mỏ.
• Muối calcium, magnesium tan được → vẫn giặt rửa tốt trong nước cứng.
• Loại có gốc hydrocarbon phân nhánh khó bị vi sinh vật phân hủy, gây ô nhiễm nguồn nước.

Cơ chế giặt rửa: phân tử có đầu ưa nước (⁠$\ce{COO^-}$⁠, $\ce{SO3^-}$⁠) và đuôi kị nước (gốc hydrocarbon dài). Đuôi kị nước cắm vào vết dầu mỡ, đầu ưa nước quay ra ngoài, chia vết bẩn thành giọt nhỏ phân tán vào nước — đây là quá trình vật lí, không phải phản ứng hóa học với dầu mỡ.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Thí nghiệm thủy phân ester (đúng/sai)

Xem lời giải

• a) Đúng. Ethyl acetate ít tan trong nước, nhẹ hơn nước nên nổi thành lớp trên.
• b) Đúng. Ống (1): phản ứng thuận nghịch, còn ester dư nên vẫn phân lớp. Ống (2): phản ứng một chiều, sản phẩm $\ce{CH3COONa}$ và $\ce{C2H5OH}$ đều tan tốt nên chất lỏng đồng nhất.
• c) Sai. Ống (1) vẫn phân lớp; thủy phân trong acid không hoàn toàn vì là phản ứng thuận nghịch.
• d) Đúng. $\ce{KOH}$ cũng là base mạnh, xà phòng hóa tạo $\ce{CH3COOK}$ và ethanol đều tan.

Dạng 2: Xà phòng hóa ester đơn chức, bẫy kiềm dư

Xem lời giải

1. $n_X = \dfrac{10{,}2}{102} = 0{,}1$ mol; $n_{\ce{NaOH}} = 0{,}15$ mol → $\ce{NaOH}$ dư 0,05 mol.
2. Chất rắn khan gồm muối $\ce{RCOONa}$ (0,1 mol) và $\ce{NaOH}$ dư (0,05 · 40 = 2 g).
3. Khối lượng muối $= 11{,}6 - 2 = 9{,}6$ g → $M_{\ce{RCOONa}} = \dfrac{9{,}6}{0{,}1} = 96 = M_{\ce{C2H5COONa}}$⁠.
4. Gốc acid có 3 C nên gốc alcohol có 2 C: X là $\ce{C2H5COOC2H5}$ (ethyl propanoate).

Sai lầm hay gặp: coi cả 11,6 g là muối → $M = 116$⁠, không ứng với muối nào.

Dạng 3: Chất béo – sản xuất xà phòng

Xem lời giải

1. $m_{\text{tristearin}} = 89$ kg → $n = \dfrac{89}{890} = 0{,}1$ kmol.
2. $n_{\ce{C17H35COONa}} = 3 \cdot 0{,}1 \cdot 90\% = 0{,}27$ kmol → $m = 0{,}27 \cdot 306 = 82{,}62$ kg.
3. Khối lượng xà phòng $= \dfrac{82{,}62}{72\%} = 114{,}75 \approx 115$ kg.

Dạng 4: Đếm phát biểu đúng

Xem lời giải

• (a) đúng: vinyl alcohol tạo ra chuyển ngay thành $\ce{CH3CHO}$⁠.
• (b) sai: ester không có liên kết hydrogen giữa các phân tử, sôi thấp hơn acid cùng $M = 60$⁠.
• (c) đúng: mọi chất béo là triester của glycerol.
• (d) sai: triolein có gốc oleic không no → thể lỏng.
• (e) đúng: tạo kết tủa calcium, magnesium stearate.

Có 3 phát biểu đúng.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Viết công thức và gọi tên các ester đồng phân có công thức $\ce{C3H6O2}$⁠.

Xem đáp án

$\ce{HCOOC2H5}$ (ethyl formate) và $\ce{CH3COOCH3}$ (methyl acetate).

2. Đun 6,0 g acetic acid với 6,9 g ethanol (xúc tác $\ce{H2SO4}$ đặc) thu được 6,6 g ethyl acetate. Tính hiệu suất phản ứng.

Xem đáp án

$n_{\text{acid}} = 0{,}1$ mol, $n_{\text{ethanol}} = 0{,}15$ mol → tính theo acid. Khối lượng ester theo lí thuyết $= 0{,}1 \cdot 88 = 8{,}8$ g → $H = \dfrac{6{,}6}{8{,}8} = 75\%$⁠.

3. Cho 6,8 g phenyl acetate tác dụng vừa đủ với dung dịch NaOH, đun nóng. Tính số mol NaOH phản ứng và khối lượng muối.

Xem đáp án

$n = \dfrac{6{,}8}{136} = 0{,}05$ mol → $n_{\ce{NaOH}} = 0{,}1$ mol. Muối: 0,05 mol $\ce{CH3COONa}$ (4,1 g) và 0,05 mol $\ce{C6H5ONa}$ (5,8 g) → tổng 9,9 g.

4. Thể tích $\ce{H2}$ (điều kiện chuẩn, 24,79 L/mol) cần để hydrogen hóa hoàn toàn 17,68 g triolein là bao nhiêu?

Xem đáp án

$n_{\text{triolein}} = \dfrac{17{,}68}{884} = 0{,}02$ mol; mỗi phân tử có 3 liên kết C=C → $n_{\ce{H2}} = 0{,}06$ mol → $V = 0{,}06 \cdot 24{,}79 \approx 1{,}49$ L.

5. Vì sao chất giặt rửa tổng hợp dùng được với nước cứng còn xà phòng thì kém?

Xem đáp án

Muối calcium, magnesium của acid béo không tan (kết tủa, bám lên vải) nên xà phòng bị tiêu hao; muối calcium, magnesium của alkylsulfate, alkylbenzenesulfonate tan được nên chất giặt rửa tổng hợp vẫn hoạt động.