Veresterung Beispiel Essay

Wenn Ethansäure mit Ethanol reagiert, so entsteht ein Ester, der sehr stark nach Klebstoffen riecht. Auch wenn dies wenig an Duft- und Aromastoffe erinnert, wird der entstandene Ester (Ethansäureethylester) zur Gruppe der Duft- und Aromastoffe gezählt, weil er aus einem kurzkettigen Alkohol und einer kurzkettigen Carbonsäure gebildet worden ist.

Der Estername wird folgendermaßen gebildet: Carbonsäurename + Alkylrest des Alkohols + ester.

Ethansäure + Ethanol → Wasser + Ethansäureethylester

CH3COOH + CH3CH2OH → H2O + CH3COOCH2CH3

Der Ester, der entsteht, wenn man Ethansäure und Pentan-1-ol reagieren lässt, riecht nach Banane.

Butansäuremethylester riecht nach Ananas, Butansäureethylester nach Pfirsich, Butansäurepentylester nach Birne und Pentansäurepentylester nach Apfel.

Ester können aus Carbonsäuren und Alkoholen katalytisch hergestellt werden. Die Reaktion nennt man Veresterung. Bei der Veresterung werden zwei Moleküle unter Abspaltung von Wasser miteinander verknüpft. Eine derartige Reaktion bezeichnet man als Kondensationsreaktion. Ester können auch wieder durch Hydrolyse oder Verseifung gespalten werden.

Eine solche Reaktion kann auch in die Richtung der Ausgangsstoffe (Edukte) zurück reagieren. Es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, bei der die Konzentrationen der Ausgangsstoffe und die Konzentrationen der Reaktionsprodukte zu einem bestimmten Verhältnis stehen. Diese Art von Hin- und Rückreaktion kennzeichnet man üblicherweise mit einem Gleichgewichtspfeil (dieser wurde im obigen Reaktionsschema nicht verwendet):

Im obigen Beispiel reagiert Ethansäure (Essigsäure) mit Ethanol. KatalysatorLex ist Schwefelsäure. Doch Schwefelsäure setzt hier nicht nur die Aktivierungsenergie herab. Schwefelsäure ist hygroskopisch, bindet also gut Wasser. Wenn auf der Seite der Reaktionsprodukte Wasser entzogen wird, so wird das Gleichgewicht gestört. Die Reaktion verläuft dann stärker nach rechts, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. Eine erhöhte Ausbeute des Esters ist die Folge.

Eine Veresterung (auch Esterbildung) ist eine chemische Reaktion, bei der aus einer organischen oder anorganischen Oxosäure und einem Alkohol ein sogenannter Ester gebildet wird. Im klassischen Sinn ist eine Veresterung die Reaktion einer Carbonsäure mit einem Alkohol unter Bildung eines Carbonsäureesters bei Wasserabspaltung. Carbonsäureester lassen sich jedoch auch durch Umsetzung von Alkoholen und bspw. Carbonsäurechloriden oder Carbonsäureanhydriden herstellen. Die Kondensationen anderer Oxosäuren wie Phosphorsäure, Schwefelsäure oder Sulfonsäuren mit Alkoholen führen ebenfalls zu Estern und können damit auch als Veresterungen betrachtet werden.

Übersichtsreaktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Reaktion ist eine Gleichgewichts- und Kondensationsreaktion, bei der ein Alkohol oder ein Phenol mit einer Carbonsäure (oder einer anorganischen Säure) zu einem Ester und Wasser reagiert.

Der hier farbig dargestellte Mechanismus ist für primäre und sekundäre Alkohole gültig, nicht jedoch bei tertiären Alkoholen. Bei tertiären Alkoholen wird im Zuge der Reaktion die OH-Gruppe des Alkohols abgespalten und das dabei entstandene Carbeniumion an die Carbonsäure addiert. Es bleibt also der Sauerstoff der Carbonsäure im Ester erhalten.

Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung von Carbonsäuren (Fischer-Veresterung)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Emil Fischer hat als vermeintlich Erster erkannt[1], dass schon geringe Mengen an Schwefelsäure die Esterausbeute stark erhöhen und nicht, wie damals üblich, große Mengen an Säure notwendig sind.[2]

Der erste Schritt der Veresterung ist die Protonierung der Carbonsäure zu einem mesomeriestabilisiertenKation.

Das durch die Protonierung gebildete Kation wird von einem freien Elektronenpaar der Hydroxygruppe des Alkohols nukleophil angegriffen. Das Wasserstoffatom des ursprünglichen Alkanols bildet eine intramolekulare Wasserstoffbrücke zu einem Sauerstoffatom der Carboxygruppe aus und geht mit diesem schließlich eine Bindung ein.

Das oben im letzten Schritt entstandene Oxoniumion spaltet zunächst Wasser zu einem Kation ab, das nach Deprotonierung den Ester ergibt.

Dieser Mechanismus konnte durch Isotopenmarkierung des Sauerstoffatoms im Alkohol bewiesen werden.[3]

Das rasch gebildete Gleichgewicht der Esterbildung erfordert eine erhöhte Temperatur, oder die Zugabe von Säuren. Zur Säurekatalyse wird oft Schwefelsäure verwendet, denn diese bindet durch ihr Hydrationsvermögen eine gewisse Menge an Wasser, sodass das Wasser aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt wird (das Reaktionsgleichgewicht wird zugunsten des Esters verschoben).[4] Weiterhin können p-Toluolsulfonsäure oder Benzol verwendet werden. Als besonders wirksame Katalysatoren haben sich Hafnium(IV)-salze (u. a. Hafniumdichloridoxid) erwiesen (ein Hafnium(IV)-salz-Molekül kann 7 Wassermoleküle binden).[5]

Weitere Veresterungsreaktionen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gibt eine Reihe weiterer Möglichkeiten, Alkohole und Säuren bzw. Säurederivate zu Estern umzusetzen, so z. B. die Reaktion zwischen Alkohol und Säurechlorid (Schotten-Baumann-Methode), Alkohol und Säureanhydrid, die Steglich-Veresterung oder die Mitsunobu-Reaktion. Die Umesterung erlaubt den Austausch der alkoholischen oder Säurekomponente eines vorhandenen Esters.

Esterspaltung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Rückreaktion der Veresterung ist die saure Esterhydrolyse (siehe Hydrolyse). Die basische oder alkalische Esterhydrolyse hat einen anderen Reaktionsmechanismus als die saure und ist deswegen unter Verseifung explizit dargestellt.

Herstellungsprozess[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Viele chemische Produkte werden in einer chemischen Reaktion hergestellt und anschließend destilliert. Bei der Gewinnung eines Esters werden beide Prozesse miteinander verbunden. Dieses Verfahren wird Reaktivdestillation genannt. Während der Reaktion können ein oder mehrere Produkte (bei der Veresterung: Wasser) durch das Verdampfen entfernt werden. Das chemische Gleichgewicht stellt sich darauf immer neu ein, und dadurch kann eine größere Ausbeute des Esters erlangt werden. Der Prozess hat den Vorteil, dass zwei Arbeitsschritte vereint werden können. Der apparative Aufwand ist gering, und das Verfahren ist preiswert. [6]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. ↑Théophile-Jules Pelouze, Amédée Gélis: Mémoire sur l'acide butyrique. In: Annales de Chimie et de Physique. 3ème Série IX, 1844, S. 434–456, hier S. 453 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  2. ↑Emil Fischer, Arthur Speier: Darstellung der Ester. In: Chemische Berichte. 28, 1895, S. 3252–3258. doi:10.1002/cber.189502803176.
  3. ↑Ivan Ernest: Bindung, Struktur und Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie. Springer, Wien/New York 1972, ISBN 3-211-81060-9, S. 73–74.
  4. ↑Walter Beyer: Lehrbuch der organischen Chemie. Band 24, 2004, S. 272. 
  5. ↑A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1539.
  6. ↑Chemie und Life Science: Reaktivdestillation eröffnet neue Perspektiven.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4334362-4(AKS)

Veresterung mittels Reaktivdestillation

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