La reazione di un estere con una base forte si chiama saponificazione. È un processo coinvolto nella preparazione dei saponi, ed è quindi una delle reazioni chimiche conosciute dai tempi più remoti.
Meccanismo di Reazione della Saponificazione
Nel primo passaggio della reazione si ha l'attacco nucleofilo dell'ossidrile al carbonio carbonilico dell'estere. Nel secondo passaggio della reazione il solvente (acqua) cede un protone all'intermedio anionico. Nel quarto passaggio della reazione (passaggio irreversibile) lo ione alcossido si comporta da base di Bronsted-Lowry e strappa un protone all'acido carbossilico.
Quando l'ossigeno carbonilico di un estere viene marcato con 18O, si verifica uno scambio con l'16O dell'acqua (solvente). Infatti, prelevando vari campioni di estere a reazione non ultimata, risulta che parte dell'estere non è più radioattivo, mentre diventa radioattiva l'acqua, il che costituisce una buona prova a favore del fatto che la reazione non procede per sostituzione diretta.
Tramite un meccanismo di sostituzione diretta (meccanismo concertato) la scissione del legame acile-ossigeno e l'attacco del gruppo OH- al carbonio carbonilico avverrebbero contemporaneamente, da cui risulta che sia l'estere che la base sono coinvolti nello stadio lento della reazione. Ad una conclusione identica si può giungere con studi stereochimici.
Preparazione di un Sapone Naturale: Un'Esperienza Didattica
I saponi dal punto di vista chimico sono sali degli acidi carbossilici ottenuti per saponificazione delle sostanze grasse ad opera di alcali in soluzione acquosa. Gli allievi chiedono spiegazioni sul potere pulente della miscela acqua-sapone; a questo punto viene introdotto il concetto di micella spiegando che quando il sapone è mescolato con l'acqua, le lunghe code idrocarburiche si associano a costituire una sfera idrofobica che si attacca bene alle sostanze grasse, mentre le teste idrofile si pongono all'esterno della superficie sferica rivolte verso l'acqua: questi aggregati molecolari si chiamano micelle.
Si è spiegato agli allievi che il processo è un'idrolisi alcalina che procede con un meccanismo di sostituzione nucleofila acilica: il nucleofilo -OH attacca il C+ dei gruppi -C=O del trigliceride; come si vede la struttura del trigliceride si perde e si liberano le parti componenti.
I saponi, essendo sali di sodio degli acidi grassi a lunga catena, sono solubili in acqua dove liberano gli ioni Na+ e carbossilato RCOO- che li costituiscono. Ogni ione carbossilato è costituito da una lunga catena idrocarburica (coda) alla cui estremità si trova lo ione -COO- (testa). La coda apolare ha comportamento idrofobico, mentre la testa ionica è idrofila.
Si ribadisce ulteriormente che in presenza di sporco (per lo più costituito da grassi untuosi) le code apolari idrofobiche delle micelle interagiscono con le molecole di unto anch'esse apolari e penetrano nelle goccioline di grasso mentre le teste idrofile si protendono fuori dalla gocciolina di grasso costituendo una nube di cariche negative, così la repulsione elettrostatica impedisce alle micelle di riaggregarsi mantenendole in sospensione nell'acqua. Il sapone, essendo un detergente tensioattivo, modifica la tensione superficiale del grasso (sudiciume) rompendone la continuità e costringendolo ad assumere la forma di tante goccioline che vengono poi allontanate per strofinio e risciacquo.
L'attività laboratoriale è stata preceduta dallo studio dell'epidermide umana. Attraverso slides abbiamo osservato l'epidermide, che è la parte più esterna della pelle, un esempio di tessuto epiteliale squamoso stratificato caratterizzato in superficie da uno spesso strato di cellule morte che, venendo a contatto con l'esterno, vengono continuamente rimosse utilizzando il sapone per l'igiene.
Influenza della Durezza dell'Acqua e del Glicerolo
Per soddisfare la curiosità dei ragazzi a proposito dell'influenza sulla durezza dell'acqua si chiarisce che man mano che il sapone sodico si scioglie in acqua si trasforma in sapone metallico e precipita in solubile senza esplicare la sua azione detergente. Ecco perché si afferma che le acque dure lavano male e consumano molto sapone.
Altra osservazione fatta dai ragazzi riguarda il perché alcuni saponi lasciano la pelle secca. A tal proposito si chiarisce che nella maggior parte dei saponi il glicerolo viene rimosso per essere utilizzato come sotto prodotto, pertanto mancando tale componente la pelle non può essere idratata naturalmente.
Procedimento di Saponificazione in Laboratorio
Dopo avere indossato guanti, mascherine e occhialini, gli allievi, utilizzando la bilancia tecnica, hanno pesato prima l'idrossido di sodio NaOH in gocce, poi l'acqua riposta nel contenitore di vetro pyrex aiutandosi con le pipette e, infine, allo stesso modo l’olio extravergine di oliva.
Hanno poi versato poco a poco l'idrossido nell'acqua mescolandolo in modo da scioglierlo bene, mai al contrario perché la reazione sarebbe tumultuosa con formazione di schizzi ustionanti. Gli allievi notano che la reazione sviluppa calore, cioè è fortemente esotermica, si misura quindi la temperatura della soluzione così ottenuta con il termometro e poi si mette il contenitore da parte a raffreddare.
Per curiosità hanno poi bagnato una striscia di cartina universale con una piccola quantità della soluzione, hanno confrontato il colore assunto dalla cartina con quello riportato sulla scala per apprezzare il corrispondente valore di pH.
Quindi mettono l'olio extravergine di oliva in un contenitore capiente e lo riscaldano a fuoco bassissimo mescolandolo di tanto in tanto e controllando sempre la temperatura. Quando la temperatura della soluzione di NaOH e dell'olio sono a 45°C circa, gli allievi hanno versato dolcemente la soluzione di NaOH nell'olio mescolando poi energicamente con le bacchette di vetro.
Man mano che si va avanti nell'operazione si assiste al cambio di colore e di consistenza dell'olio che diventa man mano più opaco e più cremoso. Dopo qualche tempo, facendo colare un po' di prodotto nel contenitore, gli allievi hanno notato che restava in superficie per qualche secondo prima di affondare: si è formato il "nastro" e il sapone è pronto. Per completare hanno aggiunto l'olio essenziale di gelsomino.
Mescolando dolcemente per non disperdere il calore hanno versato il sapone negli stampini che hanno riposto in un luogo caldo (vicino il termosifone) dove la temperatura grazie anche al calore sviluppato dalla reazione soda caustica e grassi si alzerà arrivando intorno ai 50° C e la saponificazione dei grassi si completerà.
In Sintesi
I grassi naturali (lipidi), noti anche con il nome di trigliceridi sono esteri della glicerina. I saponi sono detergenti costituiti da sali di sodio o di potassio degli acidi grassi a lunga catena di atomi di carbonio (10-18 atomi di C). L'azione detergente dei saponi è dovuta a questa organizzazione nella quale la particella di grasso è inglobata al centro di una micella nella quale le molecole di sapone affondono la coda lipofila verso il grasso e orientano la testa polare verso l'acqua.
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