Номер 706, страница 158 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

706. Напишите возможные структурные формулы триглицеридов, образованных одним остатком олеиновой, одним остатком линолевой и одним остатком линоленовой кислот. Укажите конфигурацию двойных связей. В каком агрегатном состоянии будут находиться эти триглицериды при $20^\circ\text{C}$? Смесь таких триглицеридов прореагировала с избытком водорода в присутствии никелевого катализатора. Какой продукт образовался при этом? В каком агрегатном состоянии он будет находиться при $20^\circ\text{C}$?

Для решения задачи необходимо рассмотреть строение и свойства триглицеридов, образованных остатками олеиновой, линолевой и линоленовой кислот.

1. Возможные структурные формулы триглицеридов и конфигурация двойных связей

Триглицериды — это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и трех молекул жирных кислот. В данном случае триглицерид образован тремя различными кислотными остатками:

Остаток олеиновой кислоты (C18:1): $-C(O)(CH_2)_7CH=CH(CH_2)_7CH_3$

Остаток линолевой кислоты (C18:2): $-C(O)(CH_2)_7CH=CHCH_2CH=CH(CH_2)_4CH_3$

Остаток α-линоленовой кислоты (C18:3): $-C(O)(CH_2)_7CH=CHCH_2CH=CHCH_2CH=CHCH_2CH_3$

Поскольку все три кислотных остатка различны, возможно существование трех структурных изомеров (региоизомеров), которые отличаются положением кислотного остатка на глицериновом скелете. Центральное (β или 2-е) положение в молекуле глицерина неэквивалентно двум крайним (α и α' или 1-е и 3-е). Кроме того, поскольку к крайним атомам углерода глицерина присоединены разные кислотные остатки, центральный атом углерода (С-2) является хиральным центром, что приводит к существованию оптических изомеров (энантиомеров) для каждой структурной формулы.

Возможные структурные формулы (региоизомеры):

Изомер 1: Остаток линолевой кислоты в положении 2 (β-положении)

$ \begin{array}{l} \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-(CH_2)_7-CH_3 \quad \text{(Олеат)} \\ | \\ \text{CH}-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-CH_2-CH=CH-(CH_2)_4-CH_3 \quad \text{(Линолеат)} \\ | \\ \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_3 \quad \text{(Линоленат)} \end{array} $

Изомер 2: Остаток олеиновой кислоты в положении 2 (β-положении)

$ \begin{array}{l} \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-CH_2-CH=CH-(CH_2)_4-CH_3 \quad \text{(Линолеат)} \\ | \\ \text{CH}-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-(CH_2)_7-CH_3 \quad \text{(Олеат)} \\ | \\ \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_3 \quad \text{(Линоленат)} \end{array} $

Изомер 3: Остаток линоленовой кислоты в положении 2 (β-положении)

$ \begin{array}{l} \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-(CH_2)_7-CH_3 \quad \text{(Олеат)} \\ | \\ \text{CH}-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_3 \quad \text{(Линоленат)} \\ | \\ \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_7-CH=CH-CH_2-CH=CH-(CH_2)_4-CH_3 \quad \text{(Линолеат)} \\ \end{array} $

Все двойные связи в природных олеиновой, линолевой и линоленовой кислотах имеют цис-конфигурацию (или Z-конфигурацию).

Ответ: Существует три структурных изомера (региоизомера), отличающихся положением кислотных остатков на глицериновом скелете (формулы приведены выше). Все двойные связи в остатках жирных кислот имеют цис-конфигурацию.

2. В каком агрегатном состоянии будут находиться эти триглицериды при 20 °C?

Все три жирные кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая) являются ненасыщенными, то есть содержат одну или несколько двойных связей C=C в своих углеводородных цепях. Цис-конфигурация двойных связей создает изгибы ("кинки") в цепях. Эти изгибы мешают молекулам триглицеридов плотно упаковываться друг с другом. В результате межмолекулярные взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) ослаблены, что приводит к низким температурам плавления. Триглицериды с высокой степенью ненасыщенности, как в данном случае (в сумме $1+2+3=6$ двойных связей на молекулу), являются жидкостями при комнатной температуре (20 °C). Такие жидкие жиры называют маслами.

Ответ: При 20 °C данные триглицериды будут находиться в жидком агрегатном состоянии.

3. Смесь таких триглицеридов прореагировала с избытком водорода в присутствии никелевого катализатора. Какой продукт образовался при этом?

Реакция с водородом в присутствии металлического катализатора (Ni, Pt, Pd) — это реакция каталитического гидрирования. В условиях избытка водорода все двойные связи C=C в остатках жирных кислот насыщаются, присоединяя водород и превращаясь в одинарные связи C-C. При этом сложноэфирные группы не затрагиваются.

В ходе реакции все три ненасыщенных кислотных остатка превращаются в один и тот же насыщенный остаток — остаток стеариновой кислоты (C17H35COO-):

Олеиновый остаток (C18:1) + $H_2 \rightarrow$ Стеариновый остаток (C18:0)

Линолевый остаток (C18:2) + $2H_2 \rightarrow$ Стеариновый остаток (C18:0)

Линоленовый остаток (C18:3) + $3H_2 \rightarrow$ Стеариновый остаток (C18:0)

Поскольку все три различных остатка превращаются в одинаковые, все изомеры исходного триглицерида дадут один и тот же продукт — триглицерид, в котором все три положения заняты остатками стеариновой кислоты. Это вещество называется тристеарин или глицерилтристеарат. Его формула:

$ \begin{array}{l} \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_{16}-CH_3 \\ | \\ \text{CH}-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_{16}-CH_3 \\ | \\ \text{CH}_2-\text{O}-\text{CO}-(CH_2)_{16}-CH_3 \end{array} $

Уравнение реакции для одного из изомеров (например, первого):

$C_{57}H_{98}O_6 + 6H_2 \xrightarrow{Ni, t} C_{57}H_{110}O_6$

Ответ: В результате реакции образуется тристеарин (глицерилтристеарат).

4. В каком агрегатном состоянии он будет находиться при 20 °C?

Продукт реакции, тристеарин, является насыщенным триглицеридом. Его углеводородные цепи не содержат двойных связей и имеют линейное строение. Это позволяет молекулам плотно упаковываться в кристаллическую решетку, что приводит к сильным межмолекулярным взаимодействиям. Как следствие, насыщенные жиры имеют значительно более высокие температуры плавления по сравнению с ненасыщенными. Температура плавления тристеарина составляет около 72 °C. Следовательно, при 20 °C он будет твердым веществом.

Ответ: При 20 °C тристеарин будет находиться в твердом агрегатном состоянии.