Hydrolyse eines Esters

triglyceride

Triglyceride sind Triestermoleküle, die aus einem Glycerin-Rückgrat bestehen, das an 3 Fettsäuren gebunden ist. Diese bilden die Grundlage für viele biologische Lipide, die in pflanzlichen Ölen und Fetten enthalten sind. Lipide, die aus pflanzlichem Material isoliert werden, sind die Basis von Pflanzenölen, während Lipide, die aus Tieren gewonnen werden, als Schmalz oder allgemeine Fettquellen verwendet werden.

Ein Fettsäuremolekül hat eine lange Kohlenstoffkette – zwischen 12 und 20 Kohlenstoffatomen – mit einer schwachen organischen Säure an einem Ende. Einige Fettsäuren haben Doppelbindungen in der Kohlenstoffkette. Dabei handelt es sich um "ungesättigte" Fette. Aufgrund der Doppelbindung in der Kohlenstoffkette haben diese Fettsäuren typischerweise eine gebogene Kettenform, da die Bindung eher die cis-Konformation als die trans-Konformation annimmt.

Die Triglyceridmoleküle in einer ungesättigten Fettsäure können nicht gleichmäßig stapeln, was zu weniger anziehenden Kräften zwischen den Molekülen führt. So sind ungesättigte Fette bei Raumtemperatur in der Regel flüssig. Im Gegensatz dazu können gesättigte Fette, d. h. solche mit nur einfachen Bindungen in ihrer Kohlenstoffkette, gestapelt werden, da ihre Kette regelmäßiger geformt ist. Gesättigte Fette haben daher stärkere Anziehungskräfte zwischen den Molekülen und damit höhere Schmelzpunkte. Daher neigen gesättigte Fette dazu, bei Raumtemperatur fest zu sein.

Hydrolyse-Reaktion

Triglyceride sind wie andere Moleküle, die Estergruppen besitzen, in der Lage, sich einer Hydrolyse zu unterziehen. Hydrolyse ist eine Art chemischer Reaktion, bei der ein Wassermolekül eine Bindung aufbricht. Bei einer Esterhydrolyse greift das Nukleophil – Wasser oder ein Hydroxidion – den Carbonylkohlenstoff der Estergruppe an, um die Esterbindung aufzubrechen. Ein Fragment des ursprünglichen Moleküls gewinnt das Wasserstoffion aus dem Wasser, um einen Alkohol zu bilden, während das andere Fragment die Hydroxidgruppe gewinnt, um ein Salz der Carbonsäure zu bilden.

Unter normalen Bedingungen finden nur wenige Hydrolysereaktionen ohne Zugabe einer starken Säure oder Base statt. Die starke Säure oder Base wirkt als Katalysator, um die Reaktion zu beschleunigen, und wird am Ende zurückgewonnen. Die Hydrolysereaktion ist reversibel. Sie wird als Kondensationsreaktion bezeichnet, da als Nebenprodukt Wasser entsteht.

Die Hydrolyse eines Triglycerids ist eines der ältesten Beispiele für eine Hydrolysereaktion, da sie seit Jahrhunderten zur Herstellung von Seife verwendet wird. Die Reaktion wird als Verseifung bezeichnet.

Verseifung

Bei der Verseifung greifen Hydroxid-Ionen die Carbonylgruppen in den drei Estern des Triglycerids an. Daher führt die stöchiometrische Zugabe von drei Mol Natriumhydroxid zu einem Mol Triglycerid zur Hydrolyse der drei Estergruppen. Bei dieser Reaktion entstehen drei Mol Seifenmoleküle und ein Mol Glycerin. Häufig wird die Reaktion mit Natriumhydroxid als begrenzendem Reagenz durchgeführt, um die Menge an nicht umgesetzten Triglyceriden zu minimieren, was die Trocknungswirkung von Seife verringern kann.

Ein Seifenmolekül hat eine lange hydrophobe Kohlenstoffkette mit einem polaren hydrophilen Carboxylat-Anion am anderen Ende. Der Unterschied in der Löslichkeit entlang des Moleküls ermöglicht seine Reinigungsfähigkeit. Im Wasser werden die langen Kohlenstoffketten der Seifenmoleküle aneinander angezogen und organisieren sich neu, um die polaren Wassermoleküle zu vermeiden. Dadurch richten sich die polaren Carboxylatköpfe in Richtung der Wassermoleküle aus und bilden eine kugelförmige Struktur, die als Mizelle bekannt ist. Das Zentrum ist hydrophob und das Äußere hydrophil, so dass Mizellen in wässrigen Lösungen löslich sind.

Die Mizelleneigenschaften der Seife sind entscheidend für ihre Reinigungsfähigkeit. Das einfache Abspülen von Fett oder Öl von einer Oberfläche kann es nicht entfernen. Das liegt daran, dass Fett hydrophob und nicht wasserlöslich ist. Bei der Verwendung von Seife gelangt das Fett jedoch in das Innere der Mizelle. Das Äußere der Mizelle ist hydrophil, so dass sie mit Wasser abgespült werden kann.

Ein wesentlicher Nachteil der Seife ist ihre Unverträglichkeit gegenüber hartem Wasser. Hartes Wasser ist eine wässrige Lösung, die Magnesium-, Eisen- und Kalziumionen in Form von Mineralien enthält. Die "Härte" von Wasser hängt von der Konzentration dieser Ionen ab. In Gegenwart von metallischen Kationen interagieren Seifenmoleküle mit den Molekülen und führen dazu, dass sie aus der Lösung fallen, wodurch ein Salzniederschlag entsteht, der allgemein als Seifenschaum bezeichnet wird.

Referenzen

1. Kotz, J.C., Treichel Jr., P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemie und chemische Reaktivität. Belmont, Kalifornien: Brooks/Cole, Cengage Lernen.
2. Silberg, M.S. (2015). Chemie: Die molekulare Natur von Materie und Veränderung. Boston, MA: McGraw Hill.
3. Streiwiester, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). Einführung in die Organische Chemie. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.