Ester

1. Ester Experimentalvortrag von Alexander Achenbach WS 07/08 am 16.01.2008

2. Gliederung • Einleitung • Carbonsäureester 2.1 Vorkommen 2.2 Struktur und Nomenklatur 2.3 Physikalische Eigenschaften 2.4 Darstellung 2.5 Verseifung 2.6 CH-acide Ester 2.7 Verwendung • Ester anorganischer Säuren 4. Schulrelevanz

3. 1. Einleitung 1. Einleitung • Stoffgruppe organischer Verbindungen • Entstehung durch Reaktion von Sauerstoffsäuren mit Alkoholen • Es gibt Ester organischer und anorganischer Säuren • Ester sind Derivate dieser Säuren

4. 1. Einleitung 1. Einleitung • Organische Ester sind Carbonsäure-Derivate • Ersatz der Hydroxylgruppe (-OH) durch eine Alkoxygruppe (-OR) • Ester anorganischer Säuren leiten sich analog her

5. 2. Carbonsäureester 2.1 Vorkommen Vorkommen in der Natur: Fette und Öle: Ester höherer aliphatischer, gesättigter oder ungesättigter Monocarbonsäuren Glycerin ist dreiwertige Alkoholkomponente Glycerin = 1,2,3-Propantriol

6. 2. Carbonsäureester 2.1 Vorkommen Wachse: Ester höherer einwertiger Alkohole und höherer einwertiger Carbonsäuren Palmitinsäuremyrizylester C15H31-CO-OC30H61 zu 72 % in Bienenwachs

7. 2. Carbonsäureester 2.1 Vorkommen Riechstoffe: Ester in vielen ätherischen Ölen enthalten Verantwortlich für zahlreiche Düfte von Früchten und Blüten Meist Ester niederer Alkohole und Carbonsäuren  flüchtig Pyrola uniflora (Einblütiges Wintergrün) enthält Salicylsäuremethylester

9. 2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur Struktur: • Moleküle enthalten Carbonsäure-Teil und Alkohol-Teil • Carbonsäureester besitzen die funktionelle Gruppe -COOR (Als Substituent: Alkoxycarbonyl)

10. 2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur Namen der Carbonsäureester hängen von den beteiligten Kohlenstoffgerüsten der eingesetzten Säuren und Alkohole ab: Mehrere Möglichkeiten: • Systematisch (IUPAC) • Alternativ (gebräuchlich) • Trivialnamen

11. 2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur Systematische Nomenklatur nach IUPAC: Ester sind nach IUPAC also Alkanoate Beispiel:

12. 2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur Alternative Nomenklatur (gebräuchlich): Beispiel:

13. 2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur • Ein cyclischer Ester wird Lacton genannt: • Entstehung durch intermolekulare Veresterung • Systematisch: Oxa-2-cyclo alkanon:

14. 2. Carbonsäureester 2.3 Physikalische Eigenschaften Niedermolekulare Ester: Höher molekulare Ester: Siedepunkte: • Flüssig und farblos • Brennbar • Niedrig siedend • Fest / wachsartig

15. 2. Carbonsäureester 2.3Physikalische Eigenschaften Polarität: Die funktionelle Gruppe der Ester enthält eine Carbonylgruppe: Carbonylsauerstoff ist größtenteils für Polarität verantwortlich Polarität = schwach

17. 2. Carbonsäureester D2 Löslichkeit von Styropor Styropor (Polystyrol) löst sich gut in Essigsäureetylester: Prinzip: Gleiche Polarität „Similia similibus solvuntur“ (Gleiches löst sich in Gleichem)

19. 2. Carbonsäureester V1 Wasserlöslichkeit vonEssigsäureethylester • Geringe Wasserlöslichkeit von Essigsäureethylester • Wechselwirkung des Carbonylsauerstoffs mit dem Wasserstoff im Wasser • Mit wachsendem Alkylrest sinkt Wasserlöslichkeit

20. 2. Carbonsäureester V1 Wasserlöslichkeit von Essigsäureethylester Aussalzen: • Ionen des Salzes werden solvatisiert • Solvatation benötigt Wassermoleküle • Diese stehen dann zur Solvatation anderer Moleküle nicht mehr zur Verfügung

21. 2. Carbonsäureester 2.4 Darstellung • Carbonsäuren und Alkohole reagieren langsam miteinander • Mineralsäure als Katalysator • Erhitzen Hermann Emil Fischer

22. 2. Carbonsäureester 2.4 Darstellung Frage: Woher stammt der Sauerstoff ? Isotopenmarkierung:

24. 2. Carbonsäureester V2 Darstellung von Essigsäureethylester

25. 2. Carbonsäureester 2.5 Verseifung • Unter „Verseifung“ versteht man zunächst die basische Hydrolyse eines Esters • Der Begriff „Verseifung“ kommt aus der Nutzung dieses Reaktionstyps zur Herstellung von Seife aus Fett Andere Variante: Erhitzen von Estern mit Überschuss von Wasser in Gegenwart von Mineralsäuren

27. 2. Carbonsäureester V3 Alkalische Verseifung Esterhydrolyse durch Umsetzung mit starker Base: • Über tetraedrische Zwischenstufe • Letzter Schritt ist irreversibel

29. 2. Carbonsäureester V4 Quantitative Hydrolyse von Oxalsäurediethylester Es handelt sich um einen Gleichgewichtsprozess: • Wasserüberschuss zwingt System zu neuer Gleichgewichtseinstellung • Carbonsäure kann durch Neutralisation aus Gleichgewicht entfernt werden

30. 2. Carbonsäureester V4 Quantitative Hydrolyse von Oxalsäurediethylester Neutralisation: • Mittels vollständiger Neutralisation kann über den Verbrauch an Natronlauge die Stoffmenge n des eingesetzten Esters berechnet werden

31. 2. Carbonsäureester 2.6 CH-acide Ester • Ester verfügen über eine schwache Acidität des a –Wasserstoffatoms • Besonders CH-acide Ester verdanken ihre Eigenschaft der Mesomeriestabilisierung des gebildeten Anions durch elektronenziehende CO-Gruppen in b-Stellung.

33. 2. Carbonsäureester V5 Keto-Enol-Tautomerie Definition: Tautomerie „Das Vorhandensein zweier im Gleichgewicht stehender Molekülformen, die sich nur durch die Stellung eines Protons (mit der entsprechenden Verschiebung der Bindungen) unterscheiden, wird als Tautomerie bezeichnet.“

34. 2. Carbonsäureester V5 Keto-Enol-Tautomerie • Das mesomeriestabilisierte Enolat-Anion steht im Gleichgewicht mit der tautomeren Enol-Form • Acetessigsäureethylester ist ein b-Keto-Carbonsäureester

35. 2. Carbonsäureester V5 Keto-Enol-Tautomerie • Orange-rote Färbung durch Zugabe von Eisen(III)-chlorid • Chelat-Komplex • Oktaedrisch koordiniert • Eisentrienolat

36. 2. Carbonsäureester V5 Keto-Enol-Tautomerie Trans-Addition von Brom an C-C-Doppelbindung:

37. Aromastoffe: Lösungsmittel: Emulgatoren/ Konservierungstoffe: - Nahrungsmittel - Parfüme - Lacke - Klebstoffe - Haushaltsreiniger - Fischkonserven (PHB-Ester) 2. Carbonsäureester 2.7 Verwendung PHB-Ester = para-Hydroxybenzoesäureester

38. 2. Carbonsäureester 2.7 Verwendung Medizin: • Acetylsalicylsäure • 1899 wurde Aspirin zum Patent angemeldet • Hemmt Prostaglandinsynthese im Körper

39. Kunststoffe: PET Polyethylenterephtalat (Verpackungen) - Phtalsäureester - Fettsäureester - Citronensäureester (Weichmacher für PVC) 2. Carbonsäureester 2.7 Verwendung

41. 2. Carbonsäureester V6 Darstellung eines Polyesters Vorgehensweise:

42. Citronensäure 3 Carboxylgruppen 1 Hydroxylgruppe Ricinusöl Enthält zu ca. 85 % Ricinolsäure 2. Carbonsäureester V6 Darstellung eines Polyesters

43. 2. Carbonsäureester V6 Darstellung eines Polyesters Es findet eine Polykondensation statt: Dreidimensional vernetztes Harz (Wassereinschlüsse)!

44. 3. Ester anorganischer Säuren 3. Ester anorganischer Säuren Entstehung durch formale oder tatsächliche Kondensationsreaktion zwischen Säure und Alkohol Im Folgenden: Bekannte Beispiele für: • Phosphorsäureester • Schwefelsäureester • Salpetersäureester • Borsäureester

45. 3. Ester anorganischer Säuren Phosphorsäureester Ester der ortho-Phosphorsäure: • Natürlich vorkommend: Als Phosphorsäurediester sind in der DNA die Nucleotide miteinander verbunden

46. 3. Ester anorganischer Säuren Schwefelsäureester Ester der Schwefelsäure: • Natürlich vorkommend: Carrageen (E 407) aus Rotalgen (Geliermittel: z.B. in Babynahrung)

47. 3. Ester anorganischer Säuren Salpetersäureester Ester der Salpetersäure: Salpetersäureester von Polyalkoholen sind Explosivstoffe Nitroglycerin: (Propan-1,2,3-trioltrinitrat) Darstellung durch Veresterung der drei OH-Gruppen des Glycerols mit Nitriersäure

49. 3. Ester anorganischer Säuren V7 Flammenfärbung mitBorsäuretrimethylester Trimethylborat entsteht durch Veresterung von ortho-Borsäure mit Methanol: • Schwefelsäure katalysiert die Reaktion und entfernt Wasser aus dem Gleichgewicht

50. 3. Ester anorganischer Säuren V7 Flammenfärbung mit Borsäuretrimethylester Trimethylborat verbrennt als borhaltige Verbindung mit grüner Flamme: +3 -2 0 +3 -2 +4 -2 +1 -2 Keine C-C-Bindungen Kein Ruß, welcher glüht Keine Überdeckung der Flammenfärbung