Experimentalvortrag von

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

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 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 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 2.1 Vorkommen Riechstoffe: Ester in vielen ätherischen Ölen enthalten
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

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9 2.2 Struktur und Nomenklatur
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 2.2 Struktur und Nomenklatur
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 2.2 Struktur und Nomenklatur
2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur Systematische Nomenklatur nach IUPAC: Ester sind nach IUPAC also Alkanoate Beispiel:

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

13 2.2 Struktur und Nomenklatur
2. Carbonsäureester 2.2 Struktur und Nomenklatur Ein cyclischer Ester wird Lacton genannt: Entstehung durch intermolekulare Veresterung Systematisch: Oxa-2-cyclo alkanon: Griechischer Buchstabe benennt das Kohlenstoffatom, an dem sich zuvor die Hydroxylgruppe befand. Hier wird verknüpft.

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

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

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

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

20 V1 Wasserlöslichkeit von Essigsäureethylester
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 2.4 Darstellung Carbonsäuren und Alkohole reagieren
2. Carbonsäureester 2.4 Darstellung Carbonsäuren und Alkohole reagieren langsam miteinander Mineralsäure als Katalysator Erhitzen Hermann Emil Fischer

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

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24 V2 Darstellung von Essigsäureethylester
2. Carbonsäureester V2 Darstellung von Essigsäureethylester 1.Carbonylsauerstoff wird reversibel Protoniert 2.Erhöht die Reaktivität gegenüber Nucleophilen 3.Alkohol greift Carbonylkohlenstoff nucleophil an (Knüpfung der Esterbindung) 4.Reversible, schnelle Säure-Base-GG (egal welche OH-Gruppe Protoniert wird da äquivalent) 5.Abgangsgruppe wurde vorbereitet und Wasser kann eliminiert werden 6.Deprotonierungsschritt setzt den Ester frei!

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

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27 V3 Alkalische Verseifung
2. Carbonsäureester V3 Alkalische Verseifung Esterhydrolyse durch Umsetzung mit starker Base: Über tetraedrische Zwischenstufe Letzter Schritt ist irreversibel Weiteres Beispiel für nucleophile Acylsubstitution!! 1.Hydroxid-Ion greift Carbonylsauerstoff nucleophil an 2.Alkanolat wird abgespalten 3.Alkanolat wird von Carboxyl protoniert 4.Letzter Schritt irreversibel weil: a)Carboxylat mesomeriestabilisiert b) Schwache Base und Säure übrig (nicht reaktiv!

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29 V4 Quantitative Hydrolyse von Oxalsäurediethylester
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 V4 Quantitative Hydrolyse von Oxalsäurediethylester
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 2.6 CH-acide Ester Ester verfügen über eine schwache Acidität des
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.

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

36 V5 Keto-Enol-Tautomerie
2. Carbonsäureester V5 Keto-Enol-Tautomerie Trans-Addition von Brom an C-C-Doppelbindung: 1.p-Elektronen greifen Brommolekül an und substituieren das Bromid-Ion, welches als Abgangsgruppe fungiert 2.Stereospezifischer Rückseitenangriff (aus sterischen Gründen) des Bromid-Ions 3.Überbrückendes Bromatom fungiert als Abgangsgruppe

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

38 2.7 Verwendung Medizin: Acetylsalicylsäure
2. Carbonsäureester 2.7 Verwendung Medizin: Acetylsalicylsäure 1899 wurde Aspirin zum Patent angemeldet Hemmt Prostaglandinsynthese im Körper Anhydrid lediglich reaktionsfähigeres Derivat (Im Prinzip gleicher Mechanismus)

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

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41 V6 Darstellung eines Polyesters
2. Carbonsäureester V6 Darstellung eines Polyesters Vorgehensweise:

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

43 V6 Darstellung eines Polyesters
2. Carbonsäureester V6 Darstellung eines Polyesters Es findet eine Polykondensation statt: Mindestens zwei Hydroxyl-Gruppen pro Öl-Einheit enthalten Dreidimensional vernetztes Harz (Wassereinschlüsse)!

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

45 Phosphorsäureester Ester der ortho-Phosphorsäure:
3. Ester anorganischer Säuren Phosphorsäureester Ester der ortho-Phosphorsäure: Nazis bunkerten 80 Tonnen dieses Stoffes in Herborn Natürlich vorkommend: Als Phosphorsäurediester sind in der DNA die Nucleotide miteinander verbunden

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

47 Salpetersäureester Ester der Salpetersäure:
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 ,.,..

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

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

51 4. Schulrelevanz Gymnasialer Bildungsgang (G8) Hessen:
11G.1: Alkansäuren und ihre Derivate 11G.2: Naturstoffe: Fette (Eigenschaften und Reaktionen) Synthese von Makromolekülen (Polykondensation) 12G.1: Umkehrbare Reaktionen Chemisches Gleichgewicht (MWG) Prinzip vom Zwang: Beeinflussung der Lage des Gleichgewichts

52 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit