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Veresterung

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.

Inhaltsverzeichnis

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 reagieren.

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.

Emil Fischer hat erkannt, dass schon geringe Mengen an Schwefelsäure die Esterausbeute stark erhöhen und nicht, wie damals üblich, große Mengen an Säure notwendig sind.

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

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 nachgewiesen werden.

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).

Die im Labormaßstab gängigste Methode zur Herstellung von Estern ist die azeotrope Veresterung. Dabei wird das bei der Reaktion gebildete Wasser mit einem Lösemittel als Azeotrop herausdestilliert (herausgeschleppt). Als Lösemittel/Wasserschlepper nutzt man meist Hexan, Chloroform oder Toluol. Das früher häufig verwendete Benzol wird kaum noch verwendet, weil es ein krebserzeugender Arbeitsstoff ist. Als Katalysator wird meist p-Toluolsulfonsäure statt Schwefelsäure verwendet, weil sie bei vergleichbarer Aktivität angenehmer zu handhaben ist und bei dieser Methode die wasserbindenden Eigenschaften der Schwefelsäure nicht vonnöten sind. Nutzt man einen Wasserabscheider kann zudem der Verlauf der Veresterung quantitativ verfolgt werden.

Als besonders wirksame Katalysatoren haben sich Hafnium(IV)-salze (u. a. Hafniumdichloridoxid) erwiesen (ein Hafnium(IV)-salz-Molekül kann 7 Wassermoleküle binden).

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. Speziell Ester des tert-Butanol kann man meist nicht durch eine direkte Veresterung herstellen; sie werden durch säurekatalysierte Addition von Isobuten an Carbonsäuren hergestellt.

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

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.

Veresterung mittels Reaktivdestillation
  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 ( in der Google-Buchsuche).
  2. Emil Fischer, Arthur Speier: Darstellung der Ester. In: Chemische Berichte. 28, 1895, S. 3252–3258. doi:.
  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.Band24, 2004,S.272.
  5. Klaus Schwetlick u. a.: Organikum. 24. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2015, ISBN 978-3-527-33968-6.
  6. A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1539.
  7. Chemie und Life Science: .
Commons: Esterification – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Veresterung
veresterung, chemische, reaktion, organischen, chemie, sprache, beobachten, bearbeiten, eine, auch, esterbildung, eine, chemische, reaktion, einer, organischen, oder, anorganischen, oxosäure, einem, alkohol, sogenannter, ester, gebildet, wird, klassischen, sin. Veresterung Chemische Reaktion der organischen Chemie Sprache Beobachten Bearbeiten Eine Veresterung auch Esterbildung ist eine chemische Reaktion bei der aus einer organischen oder anorganischen Oxosaure und einem Alkohol ein sogenannter Ester gebildet wird Im klassischen Sinn ist eine Veresterung die Reaktion einer Carbonsaure mit einem Alkohol unter Bildung eines Carbonsaureesters bei Wasserabspaltung Carbonsaureester lassen sich jedoch auch durch Umsetzung von Alkoholen und bspw Carbonsaurechloriden oder Carbonsaureanhydriden herstellen Die Kondensationen anderer Oxosauren wie Phosphorsaure Schwefelsaure oder Sulfonsauren mit Alkoholen fuhren ebenfalls zu Estern und konnen damit auch als Veresterungen betrachtet werden Inhaltsverzeichnis 1 Ubersichtsreaktion 2 Mechanismus der saurekatalysierten Veresterung von Carbonsauren Fischer Veresterung 3 Weitere Veresterungsreaktionen 4 Esterspaltung 5 Herstellungsprozess 6 Einzelnachweise 7 WeblinksUbersichtsreaktion BearbeitenDie Reaktion ist eine Gleichgewichts und Kondensationsreaktion bei der ein Alkohol oder ein Phenol mit einer Carbonsaure oder einer anorganischen Saure zu einem Ester und Wasser reagieren Der hier farbig dargestellte Mechanismus ist fur primare und sekundare Alkohole gultig nicht jedoch bei tertiaren Alkoholen Bei tertiaren Alkoholen wird im Zuge der Reaktion die OH Gruppe des Alkohols abgespalten und das dabei entstandene Carbeniumion an die Carbonsaure addiert Es bleibt also der Sauerstoff der Carbonsaure im Ester erhalten Mechanismus der saurekatalysierten Veresterung von Carbonsauren Fischer Veresterung BearbeitenEmil Fischer hat erkannt 1 dass schon geringe Mengen an Schwefelsaure die Esterausbeute stark erhohen und nicht wie damals ublich grosse Mengen an Saure notwendig sind 2 Der erste Schritt der Veresterung ist die Protonierung der Carbonsaure zu einem mesomeriestabilisierten Kation Das durch die Protonierung gebildete Kation wird von einem freien Elektronenpaar der Hydroxygruppe des Alkohols nukleophil angegriffen Das Wasserstoffatom des ursprunglichen Alkanols bildet eine intramolekulare Wasserstoffbrucke zu einem Sauerstoffatom der Carboxygruppe aus und geht mit diesem schliesslich eine Bindung ein Das oben im letzten Schritt entstandene Oxoniumion spaltet zunachst Wasser zu einem Kation ab das nach Deprotonierung den Ester ergibt Dieser Mechanismus konnte durch Isotopenmarkierung des Sauerstoffatoms im Alkohol nachgewiesen werden 3 Das rasch gebildete Gleichgewicht der Esterbildung erfordert eine erhohte Temperatur oder die Zugabe von Sauren Zur Saurekatalyse wird oft Schwefelsaure verwendet denn diese bindet durch ihr Hydrationsvermogen eine gewisse Menge an Wasser sodass das Wasser aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt wird das Reaktionsgleichgewicht wird zugunsten des Esters verschoben 4 Die im Labormassstab gangigste Methode zur Herstellung von Estern ist die azeotrope Veresterung 5 Dabei wird das bei der Reaktion gebildete Wasser mit einem Losemittel als Azeotrop herausdestilliert herausgeschleppt Als Losemittel Wasserschlepper nutzt man meist Hexan Chloroform oder Toluol Das fruher haufig verwendete Benzol wird kaum noch verwendet weil es ein krebserzeugender Arbeitsstoff ist Als Katalysator wird meist p Toluolsulfonsaure statt Schwefelsaure verwendet weil sie bei vergleichbarer Aktivitat angenehmer zu handhaben ist und bei dieser Methode die wasserbindenden Eigenschaften der Schwefelsaure nicht vonnoten sind Nutzt man einen Wasserabscheider kann zudem der Verlauf der Veresterung quantitativ verfolgt werden Als besonders wirksame Katalysatoren haben sich Hafnium IV salze u a Hafniumdichloridoxid erwiesen ein Hafnium IV salz Molekul kann 7 Wassermolekule binden 6 Weitere Veresterungsreaktionen BearbeitenEs gibt eine Reihe weiterer Moglichkeiten Alkohole und Sauren bzw Saurederivate zu Estern umzusetzen so z B die Reaktion zwischen Alkohol und Saurechlorid Schotten Baumann Methode Alkohol und Saureanhydrid die Steglich Veresterung oder die Mitsunobu Reaktion Die Umesterung erlaubt den Austausch der alkoholischen oder Saurekomponente eines vorhandenen Esters Speziell Ester des tert Butanol kann man meist nicht durch eine direkte Veresterung herstellen sie werden durch saurekatalysierte Addition von Isobuten an Carbonsauren hergestellt Esterspaltung BearbeitenDie Ruckreaktion der Veresterung ist die saure Esterhydrolyse siehe Hydrolyse Die basische oder alkalische Esterhydrolyse folgt einem anderen Reaktionsmechanismus als die saure und ist deswegen unter Verseifung explizit dargestellt Herstellungsprozess BearbeitenViele 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 Wahrend der Reaktion konnen 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 grossere Ausbeute des Esters erlangt werden Der Prozess hat den Vorteil dass zwei Arbeitsschritte vereint werden konnen Der apparative Aufwand ist gering und das Verfahren ist preiswert 7 Veresterung mittels ReaktivdestillationEinzelnachweise Bearbeiten Theophile Jules Pelouze Amedee Gelis Memoire sur l acide butyrique In Annales de Chimie et de Physique 3eme Serie IX 1844 S 434 456 hier S 453 eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche Emil Fischer Arthur Speier Darstellung der Ester In Chemische Berichte 28 1895 S 3252 3258 doi 10 1002 cber 189502803176 Ivan Ernest Bindung Struktur und Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie Springer Wien New York 1972 ISBN 3 211 81060 9 S 73 74 Walter Beyer Lehrbuch der organischen Chemie Band 24 2004 S 272 Klaus Schwetlick u a Organikum 24 Auflage Wiley VCH Weinheim 2015 ISBN 978 3 527 33968 6 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 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