Bài 1. Ester - lipid

Một số ester như ethyl butyrate, benzyl acetate, linalyl acetate, geranyl acetate,... có mùi thơm nên được dùng làm hương liệu. Chất béo (thành phần chính của mỡ động vật và dầu thực vật) là thức ăn quan trọng của con người. Vậy, ester và chất béo là gì? Chúng có tính chất vật lí và tính chất hoá học cơ bản nào?

Khi thay thế nhóm $-\mathrm{O}\mathrm{H}$ ở nhóm carboxyl ($-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$) của carboxylic acid bằng nhóm $-\mathrm{O}\mathrm{R}{\phantom{X}}^{\mathrm{\prime }}$ thì được ester. Trong đó $\mathrm{R}{\phantom{X}}^{\mathrm{\prime }}$ là gốc hydrocarbon.
Ester đơn chức có công thức chung là $\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{R}{\phantom{X}}^{\mathrm{\prime }}$, trong đó $\mathrm{R}$ là gốc hydrocarbon hoặc $\mathrm{H}$, $\mathrm{R}{\phantom{X}}^{\mathrm{\prime }}$ là gốc hydrocarbon.
Ví dụ: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}{\phantom{X}}_2\mathrm{H}{\phantom{X}}_5$, $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2=\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3$, $\mathrm{C}{\phantom{X}}_6\mathrm{H}{\phantom{X}}_5\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3$.

Tên gọi của ester đơn chức:

Ví dụ:

Các phân tử ester không tạo được liên kết hydrogen với nhau nên nhiệt độ sôi của các ester thấp hơn nhiều so với alcohol và carboxylic acid có phân tử khối tương đương.
Các ester có phân tử khối thấp và trung bình thường là chất lỏng ở nhiệt độ phòng.
Những ester có phân tử khối lớn thường ở dạng rắn. Ester thường nhẹ hơn nước và ít tan trong nước. Một số ester có mùi thơm của hoa, quả chín.
(1) Nguồn: Haynes, W. M., Lide, D. R. & Bruno, T. J. 2017. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition, CRC Press LLC.

Ester bị thuỷ phân trong môi trường acid hoặc môi trường base. Sản phẩm thu được khác nhau tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng.

Ester bị thuỷ phân trong môi trường acid thường tạo thành carboxylic acid và alcohol (hoặc phenol) tương ứng.

Phản ứng thuỷ phân ester trong môi trường acid thường là phản ứng thuận nghịch.

Ester bị thuỷ phân trong môi trường base (như $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$, $\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}$) thường thu được muối carboxylate và alcohol:

Phản ứng thuỷ phân ester trong môi trường base là phản ứng một chiều. Phản ứng này được ứng dụng làm xà phòng nên được gọi là phản ứng xà phòng hoá.
(1) Nguồn: Haynes, W. M., Lide, D. R. & Bruno, T. J. 2017. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition, CRC Press LLC.

Ester thường được điều chế bằng phản ứng ester hoá giữa carboxylic acid và alcohol với xúc tác là acid (thường dùng $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{S}\mathrm{O}{\phantom{X}}_4$ đặc).

Các ester có mùi thơm, không độc, được dùng làm chất tạo hương trong công nghiệp thực phẩm (ethyl butyrate, benzyl acetate,...), mĩ phẩm (linalyl acetate, geranyl acetate,...).

Một số polymer có nhóm chức ester được dùng để sản xuất chất dẻo (poly(methyl methacrylate)), sơn tường (polyacrylate).
Một số hợp chất chứa nhóm chức ester được dùng làm dược phẩm (aspirin, methyl salicylate,...). Các ester có phân tử khối thấp được dùng làm dung môi để tách, chiết chất hữu cơ (ethyl acetate), pha sơn (butyl acetate)....
Em hãy tìm hiểu và trình bày về ứng dụng của một ester mà em biết.

Lipid là các hợp chất hữu cơ có trong tế bào sống, không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ không phân cực. Dựa trên cấu tạo, lipid được phân loại thành: chất béo, sáp, steroid, phospholipid....
Chất béo là triester (ester ba chức) của glycerol với acid béo, gọi chung là triglyceride.
Công thức cấu tạo chung của chất béo:
Acid béo là carboxylic acid đơn chức. Hầu hết chúng có mạch carbon dài (thường từ 12 đến 24 nguyên tử carbon), không phân nhánh và có số nguyên tử carbon chẵn.
Gốc hydrocarbon trong phân tử acid béo có thể là gốc no (acid béo bão hoà) hoặc không no chứa một hay nhiều liên kết đôi $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ (acid béo không bão hoà).
Các chất béo hay gặp thường là ester của một số acid béo sau:

Acid béo no
{ palmitic acid: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2]{\phantom{X}}_{14}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$
stearic acid: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2]{\phantom{X}}_{16}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$
Acid béo
{ oleic acid: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2]{\phantom{X}}_7\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2]{\phantom{X}}_7\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$
không no
linoleic acid: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2]{\phantom{X}}_4\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{C}\mathrm{H}[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2]{\phantom{X}}_7\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$

(Nguồn: Stoker, H. S. 2013. General, Organic and biological chemistry, Cengage Learning.)

Ở nhiệt độ thường, chất béo ở trạng thái lỏng hoặc rắn. Khi trong phân tử chất béo chứa nhiều gốc acid béo no thì chất béo thường ở trạng thái rắn như mỡ lợn, mỡ bò, mỡ cừu,... Khi trong phân tử chất béo chứa nhiều gốc acid béo không no thì chúng thường ở trạng thái lỏng như dầu lạc, dầu vừng, dầu cá,...
Chất béo nhẹ hơn nước và không tan trong nước, dễ tan trong các dung môi hữu cơ ít phân cực hoặc không phân cực.

Chất béo là ester nên có phản ứng thuỷ phân. Ngoài ra, chất béo còn có các phản ứng sau:

Các chất béo có gốc acid không no có thể phản ứng với hydrogen (khi có mặt xúc tác, ở điều kiện thích hợp), tạo thành chất béo chứa gốc acid no.

Khi để lâu trong không khí, các gốc acid béo không no trong chất béo có thể bị oxi hoá chậm bởi oxygen, tạo thành các hợp chất có mùi khó chịu. Đây là nguyên nhân của hiện tượng dầu mỡ bị ôi.

Chất béo là nguồn cung cấp và dự trữ năng lượng ở người và động vật. Chất béo khi được chuyển hoá sẽ cung cấp năng lượng nhiều hơn carbohydrate ở dạng tinh bột hoặc đường.
Chất béo cũng là nguồn cung cấp acid béo thiết yếu cho cơ thể. Nhiều vitamin như A, D, E và K hoà tan tốt trong chất béo nên chúng được vận chuyển, hấp thụ cùng với chất béo.
Chất béo là nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm, sản xuất xà phòng và glycerol,...
Acid béo omega-3 và omega-6 là các acid béo không no với liên kết đôi đầu tiên ở vị trí số 3 và 6 khi đánh số từ nhóm methyl.
Dầu cá biển chứa nhiều acid béo omega-3. Các loại dầu thực vật (dầu mè, dầu đậu nành, dầu hướng dương,...) chứa nhiều acid béo omega-6.
Acid béo omega-3 và omega-6 đều có vai trò quan trọng đối với cơ thể, giúp phòng ngừa nhiều loại bệnh. Vì nguồn cung cấp acid béo omega-6 phổ biến hơn so với acid béo omega-3 nên để có chế độ dinh dưỡng cân bằng, cần chú ý tăng cường sử dụng các thực phẩm giàu acid béo omega-3.

Các phân tử ester không tạo được liên kết hydrogen với nhau nên có nhiệt độ sôi thấp hơn so với alcohol và carboxylic acid có phân tử khối tương đương.
Phản ứng thuỷ phân: ester bị thuỷ phân trong môi trường acid (thường là phản ứng thuận nghịch) hoặc môi trường base (phản ứng một chiều).
Ester thường được điều chế từ phản ứng ester hoá:

Một số ester được dùng làm dung môi, hương liệu, phụ gia thực phẩm, nguyên liệu sản xuất polymer, dược phẩm....
Lipid là những hợp chất hữu cơ có trong tế bào sống, gồm chất béo (còn gọi là triglyceride), sáp, steroid, phospholipid....
Chất béo là triester của glycerol với acid béo.
Acid béo là carboxylic acid đơn chức, hầu hết chúng có mạch carbon dài, thường từ 12 – 24 nguyên tử carbon và không phân nhánh.
Phản ứng hydrogen hoá chất béo có gốc hydrocarbon không no (dạng lỏng) tạo thành chất béo có gốc hydrocarbon no (dạng rắn).
Chất béo bị oxi hoá bởi oxygen trong không khí tạo thành các hợp chất có mùi khó chịu.
Chất béo là nguồn cung cấp và dự trữ năng lượng ở người và động vật. Chất béo là nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm, sản xuất xà phòng và glycerol,....
Acid béo omega-3 và omega-6 có vai trò quan trọng đối với cơ thể, giúp phòng ngừa nhiều loại bệnh.

Giải thích được mùi hương đặc trưng của một số loài hoa, trái cây.
Biết một số cách lựa chọn và sử dụng chất béo phù hợp trong chế độ ăn uống để đảm bảo sức khoẻ.

Dưới đây là ví dụ về cấu tạo của xà phòng và chất giặt rửa:

Khi xà phòng, chất giặt rửa tan vào nước sẽ tạo dung dịch có sức căng bề mặt nhỏ làm cho vật cần giặt rửa dễ thấm ướt. Đuôi kị nước trong xà phòng và chất giặt rửa thâm nhập vào vết bẩn (Hình 2.3b), phân chia vết bẩn thành những hạt rất nhỏ có đầu ưa nước quay ra ngoài (Hình 2.3c), các hạt này phân tán vào nước và bị rửa trôi (Hình 2.3d).

Xà phòng được sản xuất bằng cách đun chất béo với dung dịch $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ đặc hoặc $\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}$ đặc (phản ứng xà phòng hoá):