Kształcenie nauczycieli chemii

n
i
e
t
y
l
k
o
Estry  nie tylko
ładny zapach
ł
a
d
n
y
z
a
p
a
c
h
BEATA DASIEWICZ, KATARZYNA DOBROSZ TEPEREK
adając uczniowi lub studentowi pyta- Aromaty w żywności
nie o estry najprawdopodobniej usły- Charakterystyczny aromat owoców jest
Zszymy stereotypową odpowiedz
, że wynikiem współdziałania wielu związków
ładnie pachną, najczęściej owocami. Nato- organicznych. W jego tworzeniu biorą
miast podanie wzoru i poprawnej nazwy czę- udział w dużym stopniu terpeny zwane olej-
sto sprawia mu kłopot. Czym są estry? Są one kami eterycznymi, ale również alifatyczne
pochodnymi kwasów karboksylowych. Moż- estry i etery. Często zapach wielu estrów
na je otrzymać na wiele sposobów. Jedną ze kojarzy się z konkretnym owocem, np. hek-
starszych metod jest reakcja estryfikacji Fi- sanian allilu, maślan butylu, maślan etylu,
schera polegająca na ogrzewaniu kwasu kar- heksanian pentylu (Rys. 2)  z aromatem
boksylowego i znacznego nadmiaru alkoholu ananasa; pentanian geranylu, izowalerian
w obecności niewielkiej ilości mocnego kwa- etylu, mrówczan linalolu, pentanian penty-
su nieorganicznego jako katalizatora. Ko- lu  z aromatem jabłka; cynamonian mety-
nieczność użycia nadmiaru alkoholu ograni- lu, octan izobutylu, mrówczan etylu, buta-
cza jej zastosowanie jedynie do otrzymy- nian etylu, octan benzylu  z aromatem
wania estrów metylowych, etylowych i propy- truskawki. Ponieważ pozyskiwanie natural-
lowych. Nazwy estrów tworzy się od nazwy nych aromatów jest procesem kosztownym,
kwasu karboksylowego, z jakiego powstał używa się do nadawania żywności odpo-
określony związek oraz nazwy grupy alkilo- wiednich cech smakowo-zapachowych syn-
wej, która została wprowadzona do cząstecz- tetycznych esencji, które otrzymuje się me-
ki w miejsce atomu wodoru w grupie karbok- todą syntezy organicznej lub biosyntezy.
sylowej kwasu. Nazwa estru ma końcówkę Przykłady estrów, które są syntetycznymi
-an dodaną w miejsce końcówki -owy w przy- aromatami stosowanymi do żywności za-
miotnikowej części kwasu (Rys. 1) [1, 3]. wiera tabela 1. [2].
a)
b)
Rys. 1. Octan etylu i benzoesan metylu
Estry stanowią jedną z najbardziej rozpo-
c)
wszechnionych i popularnych grup związ-
ków występujących w przyrodzie. Wiele
z nich to ciecze o bardzo przyjemnym zapa-
d)
chu, ale tłuszcze to również estry. Syntetycz-
ne związki z połączeniem estrowym wyko-
Rys. 2. Estry o aromacie ananasa: a) heksanian allilu,
rzystujemy w wielu dziedzinach życia. b) maślan butylu, c) maślan etylu, d) heksanian pentylu
3/2007
11
Kształcenie nauczycieli chemii
Tabela1.
rodzaje tłuszczów: roślinne i zwierzęce. Ce-
Przykłady syntetycznych aromatów stoso-
chą odróżniającą je jest stan skupienia, ro-
wanych w żywności
ślinne tłuszcze mają w większości konsy-
Związek chemiczny Typ aromatu
stencję ciekłą (oleju), natomiast zwierzęce
 stałą. Różnica ta wynika z przewagi nie-
Benzoesan etylu anyżowy
nasyconych kwasów tłuszczowych, tworzą-
cych określone tłuszcze roślinne.
Cykloheksylopropionian
poziomkowy
allilu Większość kwasów tłuszczowych, nasyco-
nych i nienasyconych, należy do związków
Maślan amylu bananowy
o łańcuchu prostym i parzystej liczbie ato-
mów węgla. Mimo że mogą one zwierać od 2
Mrówczan izoamylu śliwkowy
do 80 atomów węgla w łańcuchu, to najczę-
Octan izobutylu ananasowy
ściej występują kwasy o 16, 18, 20 i 22 ato-
mach. W naturalnych kwasach nienasyco-
Octan geranylu agrestowy
nych przeważa konfiguracja cis. Nazewnic-
Izowalerian izoamylu jabłkowy
two systematyczne pozwala na utworzenie
nazwy tych związków poprzez dodanie do na-
zwy rdzenia macierzystego węglowodoru
Lipidy końcówki -owy i słowa kwas przed nazwą.
Lipidy to związki pochodzenia natural- W przypadku wystąpienia wiązań podwój-
nego (głównie tłuszcze), które wraz z biał- nych określa się ich ilość przedrostkami li-
kami i sacharydami są podstawowymi czebnymi di-, tri, tetra-, itd. oraz wskazuje się
składnikami żywych komórek. Stanowią miejsce ich położenia, stosując system nu-
one grupę substancji, która została okre- meryczny, np. kwas oktadeka-9,12,15-trieno-
ślona jako klasa związków organicznych wy. Najczęściej jednak stosuje się nazwy zwy-
na podstawie właściwości fizycznych, a nie czajowe, które przeważnie odnoszą się
budowy i reaktywności. Lipidy nie rozpusz- do z
ródła ich odkrycia. Przykładem jest kwas
czają się w wodzie, natomiast rozpuszczają linolenowy (Rys. 3). Używana jest również
się w niepolarnych rozpuszczalnikach orga- powszechnie nomenklatura skrótowa,
nicznych, takich jak eter dietylowy, chloro- np. 16:0 oznaczająca szesnastowęglowy, pro-
form, benzen czy tetrachlorek węgla. Ze stołańcuchowy, nie zawierający wiązań po-
względu na pewne podobieństwa struktu- dwójnych (kwas palmitynowy), natomiast
ralne, lipidy podzielono na trzy zasadnicze 18:1 (9c) oznacza kwas osiemnastowęglowy,
grupy: lipidy proste, złożone i wtórne (po- prostołańcuchowy zawierający jedno wiąza-
chodne) [2]. Do lipidów prostych (właści- nie podwójne przy C-9, o konfiguracji cis
wych) zostały zaliczone: estry kwasów (kwas oleinowy).
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.
Rys. 3. Kwas oktadeka-9,12,15-trienowy (kwas linolenowy)
Nazwa lipidy pochodzi od greckiego sło-
wa lipos  tłuszcz, ponieważ tłuszcze natu- Konfiguracja cis- wiązań podwójnych po-
ralne są wieloskładnikową mieszaniną róż- woduje wygięcie łańcuchów kwasów i wpły-
nych lipidów, w których triacyloglicerole są wa na obniżenie ich temperatury wrzenia,
podstawowym składnikiem (98%). Ze zapewniając tłuszczom roślinnym stan cie-
względu na pochodzenie wyróżniamy dwa kły. Ze względu na strukturę łańcucha, mię-
Chemia w Szkole
12
Kształcenie nauczycieli chemii
dzy terminalną grupą metylową a najbliż- rosłych wynosi około 1 g (38,93 kJ energii
szym względem niej podwójnym wiązaniem, czyli 9,3 kcal, to jest ponad dwukrotnie wię-
polienowe kwasy tłuszczowe dzieli się na ro- cej energii, aniżeli dostarcza 1 g białka czy
dziny kwasów: n-9, n-6 i n-3. Niektóre węglowodanów) na kg masy ciała.
z kwasów n-6 i n-3 należą do niezbędnych, Spożyte tłuszcze są hydrolizowane już
nienasyconych kwasów tłuszczowych w żołądku przez lipazę żołądkową, która
(NNKT) (tabela 2). NNKT są niezbędne rozszczepia część wiązań estrowych. Dalsze
do prawidłowego funkcjonowania organi- etapy trawienia spożytych tłuszczów mają
zmu. Spełniają ważną rolę w zapobieganiu miejsce w jelicie cienkim. Do dwunastnicy
i leczeniu miażdżycy oraz innych stanów trzustka dostarcza lipazę trzustkową, która
chorobowych, prowadzących do zaburzeń rozkłada tłuszcze do monoacylogliceroli
gospodarki lipidowej. Powodują, między in- i diacylogliceroli, hydrolizując wiązania es-
nymi, obniżenie poziomu cholesterolu i tri- trowe tylko w zewnętrznych pozycjach tri-
acyloglicerolu w surowicy krwi, zapobiegają acylogliceroli. W trawieniu tłuszczów nie-
powstawaniu zakrzepów, poprawiają pracę zmiernie istotna jest żółć, która wpływa
serca i przepływ krwi przez naczynia wień- do dwunastnicy z pęcherzyka żółciowego.
cowe, zapobiegają nadciśnieniu tętniczemu Pęcherzyk żółciowy jest jedynie magazy-
krwi, prawdopodobnie w wyniku zwiększo- nem żółci, bowiem sama żółć jest produko-
nego wydzielania jonu sodowego z moczem wana w hepatocytach wątroby. Żółć jest za-
oraz rozszerzania naczyń tętniczych [2]. sadowym płynem, barwy żółtobrunatnej.
Acylogricerole, w których skład wcho- Zawiera kwasy żółciowe, cholesterol, śluz,
dzą kwasy tłuszczowe, są podstawowym kwasy tłuszczowe, bilirubinę, jony sodu,
składnikiem tłuszczów i najbardziej zna- potasu, chloru, wodorowęglany i fosfolipi-
czącą klasą lipidów zapasowych roślin dy. Żółć jest emulgatorem, substancją
i większości zwierząt. Zwyczajowo określa zmniejszającą napięcie powierzchniowe
się acylogricerole mianem tłuszczów. tłuszczów. Tłuszcze pod wpływem żółci
Organizm człowieka o masie 75 kg zawie- ulegają rozbiciu na drobne kropelki, przez
ra około 10% acylogliceroli (tj. ok. 7 kg). co zwiększa się powierzchnia oddziaływa-
Tłuszcze zawarte w pożywieniu powinny do- nia lipaz na tłuszczowce. Enzym dzięki żół-
starczać człowiekowi około 30% ogółu ener- ci ma więc większą dostępność do lipidów.
gii. Zapotrzebowanie na tłuszcze u osób do- 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) ą-linolenowy 18:3(9,12,15)
ł-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
13
Kształcenie nauczycieli chemii
zawarte w tłuszczowcach stają się kwasami jak ściana jelita. Kiedy lek trafia do krwio-
choleinowymi rozpuszczalnymi w wodzie, obiegu, ester ulega hydrolizie, uwalniając
co ułatwia ich wchłanianie z jelit do krwi. aktywną strukturę. Związki działające w ten
Tłuszczowce nie są w całości hydrolizowa- sposób nazywa się prolekami. Często tego
ne do glicerolu (lub innego alkoholu wielo- typu połączenia wykorzystywane są w le-
wodorotlenowego) oraz kwasów tłuszczo- kach kardiologicznych i antybiotykach [5].
wych. Część z nich, pod wpływem żółci, jest Najpopularniejszym lekiem z wiązaniem es-
emulgowana na chylomikrony, które prze- trowym jest aspiryna czyli kwas O-acetylosa-
nikają z jelit do krwi [2,4]. licylowy (Rys. 4).
Tłuszcze stanowią jeden z podstawo-
wych składników odżywczych i spełniają
w organizmie człowieka wiele różnorod-
nych funkcji:
Rys. 4. Aspiryna, kwas O-acetylosalicylowy
" są skoncentrowanym z
ródłem energii
dla tkanek i narządów;
" ułatwiają odczuwanie smaku i przełyka- Polimery
nie pokarmu; Połączenia estrowe znalazły swoje miej-
" hamują skurcze żołądka i wydzielanie sce również w produkcji polimerów zwa-
kwaśnego soku żołądkowego; nych poliestrami. Posiadają one sztywniej-
" stanowią budulec błon komórkowych sze i bardziej polarne łańcuchy główne
i białej masy mózgu; w porównaniu z polimerami winylowymi,
" jako tłuszcz podskórny chronią przed przez co częściej tworzą fazę krystaliczną
nadmierną utratą ciepła; oraz są bardziej kruche, twarde i trudniej
" jako tłuszcz okołonarządowy stabilizują topliwe. Podstawową metodą syntezy po-
nerki i inne narządy wewnątrz ciała; liestrów jest reakcja estryfikacji hydroksy-
" dostarczają niezbędnych nienasyconych kwasów samych z sobą lub reakcja dioli
kwasów tłuszczowych. z kwasami dikarboksylowymi. W ten spo-
Ponadto tłuszcze są nośnikami witamin sób otrzymuje się, np. poli(tereftalan etyle-
A, D, E i K oraz ułatwiają ich przyswajanie nu) (PET), będący podstawą większości
z innych produktów, zaś w technologii po- włókien poliestrowych oraz materiałem,
traw stanowią medium grzejne, dzięki któ- z którego produkuje się plastikowe butelki
remu możliwe są takie techniki kulinarne, (Rys. 5).
jak smażenie i duszenie [2].
Leki
Wiele leków zawiera estrowe grupy funk-
cyjne. Mogą one oddziaływać z docelowymi
miejscami wiążącymi jako akceptory wiązań Rys. 5. Struktura poli(tereftalanu etylenu)
wodorowych. Jednakże estry w warunkach
fizjologicznych są dość podatne na metabo- Innymi metodami otrzymywania polie-
lizm. Organizm ludzki zawiera, zarówno we strów są: reakcja chlorków kwasów kar-
krwi, jak też w innych tkankach, enzymy boksylowych z diolami oraz reakcja bez-
zwane esterazami, które powodują hydroli- wodników kwasowych z diolami i triolami.
zę estrów. Pomimo to grupa estrowa jest wy- Pierwszy sposób pozwala na uzyskanie po-
korzystywana do maskowania polarnych liestrów aromatycznych, takich jak dakron,
grup funkcyjnych, np. karboksylowej, feno- a także poliwęglanów, natomiast drugi
lowej czy alkoholowej, ponieważ jest ona  żywicy poliestrowej zwanej gliptalem, bę-
mniej polarna od nich, co ułatwia lekowi dącej podstawą wielu klejów, w tym synte-
przekraczanie barier hydrofobowych, takich tycznej gumy arabskiej [3].
Chemia w Szkole
14
Kształcenie nauczycieli chemii
Pisząc o tworzywach sztucznych nie Jeszcze jedno
można nie wspomnieć o jednym z pierw- ciekawe wykorzystanie estru
szych polimerów pochodzenia naturalne- Jedną z najbardziej gorzkich substancji
go, jakim jest azotan celulozy zwany celulo- znanych na świecie jest bitrex  benzoesan
idem. Jest to tworzywo termoplastyczne denatonium (Rys 7.). Jest on dodawany
(mięknące pod wpływem ogrzewania), któ- do denaturatu, alkoholu metylowego, pre-
re produkuje się poprzez rozpuszczenie paratu przeciw obgryzaniu paznokci i mro-
azotanu celulozy w kamforze, a następnie zoodpornego płynu do spryskiwaczy. Do-
kontrolowane odparowywanie kamfory, aż zuje się go w ilości poniżej 10 ppm.
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-
Rys. 7. Bitrex  benzoesan denatonium
cji piłeczek do tenisa stołowego. Technolo-
gia produkcji celuloidu została opatento-
wana przez braci J. Hyatta i I. Hyatta Pisząc o estrach kwasów karboksylowych
w 1873 r. W produkcji taśm i folii dla prze- nie należy zapominać, że istnieją również
mysłu fotograficznego celuloid został za- estry kwasów nieorganicznych, które są wy-
stąpiony przez trudnopalny octan celulozy, korzystywane w wielu dziedzinach życia, np.
który otrzymuje się działając kwasem octo- estry kwasu siarkowego znajdują ogromne
wym lub jego bezwodnikiem na celulozę zastosowanie jako środki powierzchniowo
w obecności kwasu siarkowego lub chlorku czynne (w tym środki myjące), czy też estry
cynkowego jako katalizatora. Jest on bez- kwasu krzemowego, które wykorzystywane
barwnym termoplastycznym polimerem są w inżynierii materiałowej.
odpornym na zarysowanie, mało odpor-
nym na ścieranie, wykazuje właściwości
izolacyjne oraz antystatyczne, jest odporny
dr
BEATA DASIEWICZ
na działanie wody, olejów i tłuszczów, roz-
Nauczyciel akademicki, adiunkt w Katedrze Chemii
puszcza się w acetonie. Wydziału Technologii Żywności SGGW w Warszawie.
Specjalizuje się w analizie związków organicznych
Oprócz wykorzystania połączeń estro-
w żywności.
wych do tworzenia polimeru zastosowanie
w tej gałęzi przemysłu znalazły również in-
dr inż.
KATARZYNA DOBROSZ-TEPEREK
ne estry. Często są one używane jako pla-
Nauczyciel akademicki, starszy wykładowca w Katedrze Chemii
styfikatory, czyli związki, które powodują
Wydziału Technologii Żywności SGGW w Warszawie.
zmiękczenie polimeru, większą jego rozcią-
Prowadzi badania nad doskonaleniem metod dydaktycznych
gliwość, łatwiejsze przetwórstwo, przy
w szkole wyższej.
czym nie zmieniają właściwości chemicz-
nych tworzywa. Przykładem takiego zmięk-
L ITERATURA
czacza może być ftalan dibutylu (Rys. 6).
[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.
[5]. G. Patrick, Chemia leków. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004.
Rys. 6. Ftalan dibutylu
3/2007
15