III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ПОЛУЧЕНИЕ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ И ПРИГОТОВЛЕНИЕ ДУХОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Гудкова М.М.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Сложные эфиры — это органические соединения на основе кислородосодержащих органических карбоновых или неорганических кислот.

Сложные эфиры широко распространены в природе и играют большую роль в жизни человека. Мы сталкиваемся с ними, когда нюхаем цветок, обязанный ароматом простейшим сложным эфирам. Мы моемся, моем и стираем средствами, которые получают с помощью переработки жиров, то есть сложных эфиров. Они используются в самых разных областях производства: с их помощью делают лекарства, краски и лаки, смазки, полимеры, синтетические волокна, используют в ароматерапии и получении духов.

Актуальность: Эта тема актуальна, так как сложные эфиры применяются в пищевой и парфюмерно-косметической промышленности, входят в состав эфирных масел, которые составляют основу любого запаха, используются в ароматерапии и производстве духов.

Проблема: Тема «Сложные эфиры» не изучается подробно в школьном курсе органической химии, и не всегда возможно в условиях школьной лаборатории получить сложные эфиры с разными запахами из-за недостатка оборудования и химических реагентов.

Мне стало интересно, могу ли я получить сложные эфиры в школьной лаборатории и самостоятельно создать свои запахи. Эта идея и легла в основу данной работы.

Цель: получить сложные эфиры в школьной лаборатории и создать парфюмерные композиции.

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме;

2. Получить сложные эфиры: этиловый эфир уксусной кислоты, изоамиловый эфир уксусной кислоты и этиловый эфир масляной кислоты;

3. Создать парфюмерные композиции на основе эфирных масел.

Гипотеза: В лабораторных условиях возможно самостоятельно получить сложные эфиры и собственные ароматы.

Методы исследования:

1) Изучение литературы;

2) Наблюдение;

3) Эксперимент.

1. Теоретическая часть

1.1.1. Сложные эфиры. Классификация и состав

Сложные эфиры — класс органических соединений, производные карбоновых или минеральных кислот, в которых гидроксильная группа -OH кислотной функции заменена на спиртовой остаток. Отличаются от простых эфиров, в которых два углеводородных радикала соединены атомом кислорода (R1-O-R2).

Классификация и состав сложных эфиров.Среди изученных и широко применяемых сложных эфиров большинство представляют соединения, полученные на основе карбоновых кислот. Сложные эфиры на основе минеральных (неорганических) кислот не столь разнообразны, т.к. класс минеральных кислот менее многочисленен, чем карбоновых.

Когда число атомов углерода в исходных карбоновой кислоте и спирте не превышает 6–8, соответствующие сложные эфиры представляют собой бесцветные маслянистые жидкости, чаще всего с фруктовым запахом. Они составляют группу фруктовых эфиров. Если в образовании сложного эфира участвует ароматический спирт (содержащий ароматическое ядро), то такие соединения обладают, как правило, не фруктовым, а цветочным запахом. Все соединения этой группы практически нерастворимы в воде, но легко растворимы в большинстве органических растворителей. Интересны эти соединения широким спектром приятных ароматов, некоторые из них вначале были выделены из растений, а позже синтезированы искусственно.

Аромат.

Структурная формула.

Название сложного эфира

Яблоко

Этиловый эфир

2-метилбутановой кислоты

Вишня

Амиловый эфир муравьиной кислоты

Груша

Изоамиловый эфир уксусной кислоты

Ананас

Этиловый эфир масляной кислоты

(этилбутират)

Банан

Изобутиловый эфир уксусной кислоты

(у изоамилацетата так же напоминает запах банана)

Жасмин

Бензиловый эфир уксусной (бензилацетат)

При увеличении размеров органических групп, входящих в состав сложных эфиров, до С15–30 соединения приобретают консистенцию пластичных, легко размягчающихся веществ. Эту группу называют восками, они, как правило, не обладают запахом. Пчелиный воск содержит смесь различных сложных эфиров. Один из компонентов воска, который удалось выделить и определить его состав, представляет собой мирициловый эфир пальмитиновой кислоты С15Н31СООС31Н63. Китайский воск (продукт выделения кошенили – насекомых Восточной Азии) содержит цериловый эфир церотиновой кислоты С25Н51СООС26Н53. Кроме того, воски содержат и свободные карбоновые кислоты и спирты, включающие большие органические группы. Воски не смачиваются водой, растворимы в бензине, хлороформе, бензоле.

Третья группа – жиры. В отличие от предыдущих двух групп на основе одноатомных спиртов ROH, все жиры представляют собой сложные эфиры, спирта глицерина НОСН2–СН(ОН)–СН2ОН. Карбоновые кислоты, входящие в состав жиров, как правило, имеют углеводородную цепь с 9–19 атомами углерода. Животные жиры (коровье масло, баранье, свиное сало) – пластичные легкоплавкие вещества. Они, в основном, состоят из смеси глицеридов стеариновой и пальмитиновой кислоты. Растительные жиры (оливковое, хлопковое, подсолнечное масло) – вязкие жидкости. Растительные масла содержат глицериды кислот с несколько меньшей длиной углеродной цепи: лауриновой С11Н23СООН и миристиновой С13Н27СООН. Такие масла могут долго храниться на воздухе, не меняя своей консистенции, и потому называются невысыхающими. В отличие от них, льняное масло содержит глицерид ненасыщенной линолевой кислоты. При нанесении тонким слоем на поверхность такое масло под действием кислорода воздуха высыхает в ходе полимеризации по двойным связям, при этом образуется эластичная пленка, не растворимая в воде и органических растворителях. На основе льняного масла изготавливают натуральную олифу.

(Глицериды стеариновой и пальмитиновой кислоты (А и Б)– компоненты животного жира. Глицерид линолевой кислоты (В) – компонент льняного масла)

Сложные эфиры минеральных кислот (алкилсульфаты, алкилбораты, содержащие фрагменты низших спиртов С1–8) – маслянистые жидкости, эфиры высших спиртов (начиная с С9) – твердые соединения.

1.1.2. Получение и применение сложных эфиров

  • Основной способ получения – взаимодействие карбоновой кислоты и спирта (реакция этерификации), катализируемое кислотой и сопровождаемое выделением воды.

Реакция этерификации в условиях кислотного катализа обратима. Обратный процесс – расщепление сложного эфира при действии воды с образованием карбоновой кислоты и спирта – называют гидролизом сложного эфира.

RCOOR' + H2O (H+) ↔ RCOOH + R'OH

Применение

Сложные эфиры широко распространены в природе. Они находят применение в технике и различных отраслях промышленности как хорошие растворители органических веществ, пластификаторы, ароматизаторы.

  • Этилформиат и этилацетат используются как растворители целлюлозных лаков (на основе нитроцеллюлозы и ацетилцеллюлозы).

  • Сложные эфиры на основе низших спиртов и кислот используют в пищевой промышленности при создании фруктовых эссенций, а сложные эфиры на основе ароматических спиртов – в парфюмерной промышленности.

  • Из восков изготавливают политуры, смазки, пропиточные составы для бумаги (вощеная бумага) и кожи, они входят и в состав косметических кремов и лекарственных мазей.

  • Жиры вместе с углеводами входят в состав всех растительных и животных клеток, накапливаясь в организме, играют роль энергетического запаса.

  • Животные и растительные жиры представляют собой сырье для получения высших карбоновых кислот, моющих средств и глицерина, используемого в косметической промышленности и как компонент различных смазок.

  • Эфиры серной кислоты используют в органическом синтезе как алкилирующие (вводящие в соединение алкильную группу) реагенты, а эфиры фосфорной кислоты – как инсектициды, а также добавки к смазочным маслам.

  • Являются основой таких лекарственных средств, как салол, валидол и др. Как местнораздражающее и обезболивающее средство широко использовался метилсалицилат, в настоящее время вытесненный более эффективными средствами.

1.2.1. Из чего сделаны духи

Слово «парфюмерия» происходит от латинского «perfumum» - через дым (в древности помещения окуривали дымом благовоний). История парфюмерии уходит вглубь веков. Первым изготовителем духов (а по совместительству и первым в мире химиком) считается женщина по имени Тапутти, ее имя упоминается на глиняной клинописной табличке из Древнего Вавилона. Вместе со своей помощницей Нину она получала ароматические масла из цветов и других частей растений и смешивала их.

Древние люди приписывали ароматам божественную и магическую силу. Египтяне изготавливали благовонные мази и ароматные масла, которыми сопровождали различные обряды и дополняли женские туалеты. Греки, прославившиеся, как любознательные путешественники, привозили из своих странствий новые и экзотические ароматы. В древнем Риме запахам приписывалась целебная сила.

Современная парфюмерия использует огромный ассортимент душистых веществ, как из древнего, так и современного арсенала. В композицию одного парфюма может входить более трехсот различных компонентов. В распоряжении парфюмера сотни натуральных продуктов: веществ растительного и животного происхождения и тысячи химических, полученных путем синтеза (число последних постоянно увеличивается).

Основой современной парфюмерии являются многочисленные душистые вещества растительного происхождения. Извлеченные из растений сильно пахучие концентрированные вещества носят общее название эфирных масел. Их извлекают из свежих или высушенных эфиромасличных растений.Наибольшее применение нашли следующие способы получения эфирных масел:

  • Механический способ - выжимание масел прессованием кожуры и цедры цитрусовых плодов и фруктов (апельсиновое, мандариновое, лимонное масла).

  • Дистилляция - отгонка эфирных масел с водяным паром (например розовое, гераниевое, мятное или кориандровое масла).

  • Извлечение эфирных масел летучими и нелетучими растворителями (в частности масел розы, жасмина, иланг-иланга и т. д.).

Способ получения эфирных масел летучими растворителями называется экстракцией. После отгонки растворителя из экстрактового масла получают смесь эфирного масла, восков, смол и жиров. Из нее обработкой спиртом и дальнейшей отгонкой спирта получают абсолютное масло.

Получение масел с помощью нелетучих растворителей называется мацерацией (настаиванием). Этот способ применяется для извлечения масел из цветов растений, содержащих незначительное количество масел (фиалка, жасмин, ландыш, резеда и др.).

  • Извлечение эфирных масел методом анфлеража и динамической сорбции. Этот способ основан на способности эфирных масел, выделяемых растениями, переходить в газовое состояние, а затем абсорбироваться жирами или твердыми сорбентами (селикагелем или активированным углем) с последующей экстракцией сорбентов серным эфиром.

Кроме указанных видов растительного сырья применяются также душистые ве- щества, называемые смолами и бальзамами. Это сложные смеси органических соединений, содержащиеся во многих растениях. Они используются в парфю- мери в виде настоев и растворов и являются своего рода фиксаторами запаха, способствующим увеличению продолжительности сохранения запаха духов. К ним относятся бензойная смола, стиракс, бальзам, а также смолы, выделяемые из цветов розы, ладанника и других смолистых веществ.Сырье животного происхождения - это мускус, амбра и бобровая струя. В противоположность большинству растительных веществ, они источают запахи, которые нельзя квалифицировать как "приятные" ароматы. Достаточно раз ощущтить мускус, и отшатнуться, зажимая ноздри до удушья, чтобы понять, что животные компоненты духов, если они и необходимы, должны быть дозированными. СИНТЕТИЧЕСКИЕ АРОМАТИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА - это большая груп- па органических соединений, получаемых химическими или физико-химичес- кими методами из продуктов растительного происхождения или синтезируемых из разнообразного химического сырья. Индивидуальные ароматические вещес- тва, полученные путем химического синтеза, обычно называются синтетически- ми душистыми веществами. Они отдельными нотами вплетаются в ткань ком- позиции душистых веществ и усиливают ее стойкость.

Теплота и цвет природного сырья, стойкость и оригинальность сырья химического - самый желанный союз, для того чтобы парфюмерия развивалась в верном направлении.

1.2.2. Классификация ароматов и структура композиции

Сегодня есть несколько моделей классификации ароматов: каждый парфюмер пытается усовершенствовать старые модели или изобрести что-то своё. Некоторые категории в каждой из существующих классификаций совпадают, а что-то существенно разнится. Одной из самых популярных является классификация ароматов французского сообщества парфюмеров.

КЛАССИФИКАЦИЯ АРОМАТОВ ФРАНЦУЗСКОГО СООБЩЕСТВА ПАРФЮМЕРОВ

В 1990 году во Франции собирался целый Парфюмерный комитет (Comite Francais De Parfum). Итогом их собрания стала классификация, которая получила большую популярность и используется сейчас многими парфюмерными домами и знатоками запахов.

Французы распределили группы ароматов следующим образом.

Цитрусовые: основу составляют эфирные масла, извлечённые из цитрусовых — лимона, апельсина, мандарина, бергамота, помело, грейпфрута, танжерина, юзу и цитрона).

Цветочные: ароматы цветов — жасмин, нарцисс, сирень, роза, ландыш, фиалка, тубероза.

Древесные: ароматы тёплых оттенков — пачули, кедр, сандал, ветивер.

Восточные: амбре, а также ароматы с ладаника-лабданума, пудровыми, ванильными и животными акцентами.

Кожа: ароматов этой семьи мало, они отличаются сухостью и своеобразными кожными запахами с примесью цветочных.

Шипры: духи, созданные в 1917 году Франсуа Коти, объединяют под своим началом целое семейство; здесь можно уловить ноты дубового мха, бергамота, пачули.

Фужерные: ноты дубового и древесного мха, лаванды, бергамота, кумарина.

Принцип разделения ароматов на семьи понятен: их объединяют тождественные нотки, которые смешаны в разных пропорциях

Структура парфюмерной композиции

Каждая композиция состоит из трех постепенно раскрывающихся нот аромата. Начальную ноту парфюмеры называют головной. Средняя нота называется нотой сердца или центральной нотой. Конечная нота – это базовая или основная нота, еще ее именуют фондом. Все три ноты раскрываются в различное время, этот процесс называется периодом жизни парфюмерной ноты.

Начальные ноты аромата

Первоначальный запах духов держится недолго, не дольше 20 минут — верхние ноты аромата испаряются первыми. Их задача – создать настроение, поэтому они звучат легко и наполнены оттенками свежести и зелени. Именно вершину мы слышим первой, ее ноты нас интригуют, подготавливают к основному запаху.

Сердечные ноты

Яркие и легкие начальные ноты постепенно переходят в сердечные. Именно сердце запаха определяет характер аромата и его узнаваемость. При создании парфюмерной композиции, вначале сочиняется сердечная нота сердца, на которую потом нанизываются остальные компоненты.

Сердце аромата может быть любым – фруктовым, цветочным, амбровым, ориентальным, древесным, мускусным и т.д. Порой используются синтетические материалы, которые создают запахи, не существующие в природе.

Шлейфовые ноты

Сердечные аккорды со временем угасают и переходят в теплое и бархатистое звучание шлейфовых оттенков. Они ощущаются дольше всего, от них зависит сила и стойкость аромата, его тембр и насыщенность.

Шлейф уже не изменится, он исчезнет вместе с ароматом. Базовая нота содержит вещества, которые долго остаются на коже и имеют самый низкий уровень испарения. Шерстяная одежда, на которую попали духи, может сохранять запах духов месяцами. Очень хорошо конечные нотки аромата держатся на волосах, поэтому надо с осторожностью наносить на голову «тяжелые» пряные запахи.

Как правило, в качестве материалов для шлейфа используют приторные или маслянисто-сладкие запахи – сандал, восточные пряности, ваниль, пачули, кедр. Часто используются мускус и амбра, которые помогают аромату духов органично сливаться с запахом кожи человека. Шлейф духов «округляет» звучание парфюмерной композиции и придает ей чувственность.

2. Практическая часть

2.1. Получение сложных эфиров

1. Получение уксусноэтилового эфира (этилацетата).

Оборудование: прибор для получения галоидоалканов, штатив, спиртовка, мерный цилиндр, мерная пробирка.

Проведем реакцию этерификации в приборе для получения галоидоалканов и сложных эфиров. В реакционную колбу поместим этиловый спирт, уксусную кислоту в отношении 1:1 и концентрированную серную кислоту. Серная кислота используется как водоотнимающее средство. Так как реакция этерификации обратима, необходимо удалять воду. В холодильник нальем насыщенный раствор поваренной соли. В этом растворе растворимость эфира минимальна. При нагревании смеси образуется летучий уксусноэтиловый эфир. Он конденсируется в холодильнике. Он легче воды и раствора соли, поэтому образует верхний слой жидкости.

СН3СООН + С2Н5ОН = H2О + CH3COOС2Н5

1 - двугорлая колба-реактор

2 - воздушный холодильник

3 - приемник холодильника с суженной нижней частью

4 - газоотводная трубка

5 – колпачок

2. Получение изоамилового эфира уксусной кислоты (изоамилацетата) и этилового эфира масляной кислоты (этилбутирата).

Чтобы получить сложные эфиры в малых количествах, используем простой прибор. 1. В широкую пробирку вставим узкую пробирку таким образом, чтобы одна треть широкой пробирки в ее нижней части оставалась незаполненной. Проще всего можно укрепить узкую пробирку с помощью нескольких кусочков резины, вырезанной из шланга или пробки. При этом необходимо учесть, что вокруг узкой пробирки обязательно нужно оставить зазор величиной не менее 1,5—2 мм, чтобы исключить избыточное давление при нагревании.

2. Теперь нальем в широкую пробирку 0,5—2 мл спирта и приблизительно столько же карбоновой кислоты, при тщательном охлаждении добавим 5—10 капель концентрированной серной кислоты.

3. Вставим внутреннюю пробирку, заполним ее снегом и укрепим собранный прибор в штативе. Прибор нужно поставить подальше от себя и не наклоняться над отверстием пробирки, потому что при неосторожном нагревании возможно разбрызгивание кислоты. Затем на самом малом огне спиртовки будем кипятить смесь не менее 15 минут.

Чем дольше нагревание, тем лучше выход. Внутренняя пробирка, заполненная снегом, служит обратным холодильником. По мере таяния снега нужно заменять пробирки на новые со свежим снегом и продолжать нагревание.

Уже до завершения опыта мы можем почувствовать приятный запах полученного сложного эфира, на который все же накладывается едкий запах хлористого водорода. После охлаждения реакционную смесь нейтрализуем разбавленным раствором соды и разделяем с помощью делительной воронки. По этой методике мы получили:

1) изоамиловый эфир уксусной кислоты (с запахом груши);

2) этиловый эфир масляной кислоты (с запахом ананаса).

2.2. Составление парфюмерных композиций

Первоначально в исследовательской части была заложена идея получения сложных эфиров из различных карбоновых кислот и спиртов имеющихся в школьной лаборатории. Затем эти эфиры следовало комбинировать в разные композиции. Но синтез эфиров оказался достаточно сложным, поэтому я попробовала получить хотя бы один сложный эфир, чтобы приобрести навык работы с лабораторным оборудованием, а духи решила комбинировать из эфирных масел, которые продаются в аптеках и магазинах.

Мне потребовалось:

1. Две основы (спирт и масло);

2. Несколько эфирных масел;

3. Бумажные полоски для проведения проб;

4. Закупоривающиеся сосуды;

5. Пипетки.

Создание своей формулы

На полоске бумаги я смешивала верхнюю, среднюю и базовую ноты. Слушала его звучание и продолжала экспериментировать до тех пор, пока не получила понравившийся мне аромат.

Затем нужно смешать верхнюю, сердечную и базовую ноты, перелить во флакончик и оставить на 15 минут.

Далее выбираем основу – спирт с водой или растительное масло. Спиртовая основа создаст парфюм очень стойкий, но его надо выдержать почти месяц. А на основе масла аромат будет мягче, несколько слабее и быстрее улетучится. Зато духи на масляной основе можно не выдерживать месяц, а пользоваться сразу.

  • Масляная основа

В качестве масляной основы я брала вещество, широко используемое в парфюмерии, полисорбат-20, который может растворять как воду, так и масло.

После выбора подходящих сочетаний, я смешивала масла в пробирке, затем добавляла полисорбат-20. Количество основы должно быть равным смеси парфюмерных масел. После этого добавляла в пробирку чистую воду. Количество воды должно составлять не менее 50% от объема основы с масляной смесью.

Духи почти готовы, осталось только перелить их во флакон и поставить в темное прохладное место на два-три дня. По прошествии времени запах духов станет значительно насыщеннее и богаче.

На масляной основе я получила 2 аромата:

1.Лаванда – 2 к.

Роза – 2 к.

Пачули – 2 к.

2. Пачули – 3 к.

Нероли – 2 к.

Бергамот – 1 к.

  • Спиртовая основа

Методика со спиртовой основой такая же, единственное отличие в пропорциях. Если вы берёте за основу масло, то соотношение «масляная основа – эфирные масла» должно быть 1:1. Если спиртовая основа, то соотношение таково: спирт-70%, вода -5%, эфирные масла -25%.Затем все перемешать и дать настояться 3-4 недели в темном месте.

На спиртовой основе я получила 3 аромата:

3. Жасмин – 3 к.

Нероли – 3 к.

Мандарин – 4 к.

4. Мелисса – 3 к.

Лаванда – 3 к.

Бергамот – 2 к.

Мандарин – 6 к.

5. Лаванда – 2 к.

Бергамот – 1 к.

Кедр – 3к.

Мандарин – 1 к.

Заключение

Выводы и результаты

В результате исследовательской работы были получены сложные эфиры: этилацетат, этилбутират с запахом ананаса, изоамилацетат с запахом груши, а так же 5 различных ароматных композиций, две из которых на масляной основе, и три на спирту. Мне захотелось иметь духи, которые есть только у меня, и это оказалось очень даже возможно. Таким образом, подтвердилась гипотеза, выдвинутая мной в начале работы.

Приготовить чудесный аромат из эфирных масел, оказывается, не так уж и сложно. Начинать, конечно, надо с самого главного — теоретических знаний, которые я почерпнула из различных учебников и сайтов в интернете. Понятно, что для полного успеха необходимо приобрести определенный опыт, но, во всяком случае, теперь у меня собралась небольшая «коллекция» ароматов, которые мне нравятся.

Я поняла, что в ходе работы мне удалось приобрести два важнейших инструмента: знания и навыки по данной теме и теперь я могу делать подарки своим друзьям и близким в виде духов, предназначенных специально для них. Я буду творить и создавать новые ароматы!

Список использованной литературы и Интернет-ресурсов

  1. http://www.izuminki.com/

  2. http://www.krugosvet.ru/

  3. http://orpheusmusic.ru/

  4. https://ru.wikipedia.org/

  5. http://www.himhelp.ru/

  6. О. С. Габриелян, Химия. Профильный уровень. 10 класс, 11 класс.