Estersynthese und Aufbau der Estergruppe

Die Veresterung: Carbonsäure + Alkanol

Eine Veresterung (Estersynthese) ist die Reaktion einer Carbonsäure mit einem Alkanol. Dabei entstehen ein Ester und Wasser. Die Reaktion ist umkehrbar, du schreibst also einen Gleichgewichtspfeil.

Konzentrierte Schwefelsäure dient als Katalysator: Sie beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts. Außerdem bindet sie Wasser und verschiebt das Gleichgewicht so ein wenig auf die Produktseite (mehr dazu in Abschnitt 5).

Ester benennen

Der Name des Esters setzt sich aus beiden Edukten zusammen. Es gibt zwei gebräuchliche Schreibweisen:

Die Regel: Der Alkylrest des Alkanols kommt zuerst („Ethyl…“), dann der Name der Säure mit der Endung -oat statt -säure. In der traditionellen Form steht zuerst der Säurename und dann „…-alkylester“.

Die Halbstrukturformel schreibst du als Säurerest, dann $\mathrm{{-}CO{-}O{-}}$, dann Alkylrest: Aus Propansäure und Ethanol wird $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CO{-}O{-}CH_2{-}CH_3}$.

Aufbau der Estergruppe aus Beobachtungen ableiten

Wie weiß man überhaupt, wie die Estergruppe gebaut ist? In der Chemie stellst du Hypothesen auf und prüfst sie durch Experimente.

Woher kommt das Wasser?

Zwei Hypothesen für Essigsäure + Methanol:

• H1: Das Wasser entsteht aus der OH-Gruppe der Säure und dem H-Atom des Alkohols. Die O–C-Bindung im Alkohol bleibt erhalten.

• H2: Das Wasser entsteht aus dem H-Atom der Säure und der OH-Gruppe des Alkohols. Dann gehört das Alkohol-O-Atom nicht zum Ester.

Entscheidend ist, was mit dem O-Atom des Alkohols passiert. Man markiert es mit dem schweren Sauerstoffisotop: $\mathrm{CH_3{-}{}^{18}OH}$. Danach untersucht man, ob $^{18}\mathrm{O}$ im Ester (größere Molmasse, z. B. per Massenspektrometer) oder im Wasser ankommt.

Was verraten die Stoffeigenschaften?

Ester reagieren nicht mit Natrium (kein reaktives H-Atom einer OH-Gruppe) und färben Universalindikator nicht sauer. Daraus folgt: Die Estergruppe enthält weder eine Hydroxygruppe noch eine Carboxygruppe. Beim Kochen mit Natronlauge (alkalische Hydrolyse, Verseifung) entstehen Alkohol und das Salz der Carbonsäure. Das zeigt, dass die Estergruppe aus einem Säure- und einem Alkoholanteil besteht. Wie diese beiden Anteile verknüpft sind, nämlich über $\mathrm{{-}CO{-}O{-}}$, folgt erst aus dem Isotopenversuch: Das Alkohol-O-Atom bleibt am Alkylrest gebunden.

Diese Reaktion läuft praktisch vollständig ab: Die Säure wird sofort von der Lauge zum Carboxylat-Ion deprotoniert und steht nicht mehr für die Rückreaktion zur Veresterung zur Verfügung. Bei der sauren Hydrolyse (Ester + Wasser, mit $\mathrm{H^+}$) stellt sich dagegen das Veresterungsgleichgewicht rückwärts ein.

Eigenschaften der Ester und Abtrennung

Vergleiche Essigsäure ($\vartheta_b = 118\,^\circ\mathrm{C}$), Ethanol ($78\,^\circ\mathrm{C}$) und Ethylethanoat ($77\,^\circ\mathrm{C}$). Der Ester hat die größte Molmasse der drei Stoffe, aber die niedrigste Siedetemperatur. Das liegt an den intermolekularen Wechselwirkungen:

Ein Estermolekül hat kein an Sauerstoff gebundenes H-Atom. Es kann zu Wasser zwar Wasserstoffbrücken als Akzeptor ausbilden, aber der unpolare Alkylteil überwiegt: Kurzkettige Ester sind nur schwach, längerkettige kaum wasserlöslich (lipophil).

Abtrennung: Der Ester ist wenig wasserlöslich und hat eine geringere Dichte als Wasser. Man verdünnt das Reaktionsgemisch mit Wasser. Dann schwimmt der Ester als obere Phase und kann im Scheidetrichter abgetrennt werden. Mit Natriumhydrogencarbonat-Lösung werden Säurereste herausgewaschen. Alternativ destilliert man den Ester ab, weil er niedriger siedet als die Säure.

Das Veresterungsgleichgewicht

Mischt man Säure und Alkohol im Verhältnis 1 : 1, dann wird nicht alles umgesetzt. Nach einiger Zeit sind Hin- und Rückreaktion gleich schnell (dynamisches Gleichgewicht). Die Konzentrationen ändern sich dann nicht mehr. Das Massenwirkungsgesetz (MWG) beschreibt diesen Zustand:

Bei der Veresterung von Essigsäure mit Ethanol ist $K_c \approx 4$ (der Wert hängt kaum von der Temperatur ab). Da auf beiden Seiten gleich viele Teilchen stehen, kürzt sich das Volumen heraus: Du kannst direkt mit Stoffmengen rechnen.

Ausbeute erhöhen: Prinzip von Le Chatelier

Das Gleichgewicht liegt nicht vollständig auf der Produktseite. Du verschiebst es nach dem Prinzip von Le Chatelier zu den Produkten, indem du

• einen Edukt-Überschuss einsetzt (meist den günstigeren Stoff),

• ein Produkt entfernst, z. B. den Ester abdestillieren oder Wasser binden (konzentrierte Schwefelsäure, Molsieb).

Erhitzen unter Rückfluss verhindert, dass die flüchtigen Edukte entweichen. Der Katalysator beschleunigt nur die Gleichgewichtseinstellung. Er ändert weder $K_c$ noch die Lage des Gleichgewichts.

Ausbeute berechnen

Im Labor bekommst du nie so viel Produkt wie theoretisch möglich. Die prozentuale Ausbeute vergleicht die tatsächlich erhaltene mit der theoretisch möglichen Masse:

Zurück zum Anfang: Das Birnenaroma entsteht aus Essigsäure und Pentan-1-ol. Die Estergruppe bildet sich unter Wasseraustritt, und weil die Reaktion ein Gleichgewicht ist, bleibt ohne Gegenmaßnahmen ein Teil der Edukte übrig.

Auf einen Blick

• Veresterung: Carbonsäure + Alkanol $\rightleftharpoons$ Ester + Wasser, Katalysator konzentrierte $\mathrm{H_2SO_4}$.

• Name: Alkylrest des Alkanols + Säurename auf -oat (z. B. Ethylethanoat = Essigsäureethylester); Estergruppe $\mathrm{{-}CO{-}O{-}}$.

• Die Isotopenmarkierung zeigt: Das Wasser stammt aus der OH-Gruppe der Säure und dem H-Atom des Alkohols.

• Ester haben keine OH-Gruppe: keine Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen, niedrigere Siedetemperatur als die Säure, kaum wasserlöslich, fruchtig.

• $K_c = \dfrac{c(\mathrm{Ester})\cdot c(\mathrm{H_2O})}{c(\mathrm{Säure})\cdot c(\mathrm{Alkohol})}$ (etwa $4$); Ausbeute erhöhen durch Überschuss oder Abdestillieren (Le Chatelier). Der Katalysator ändert die Lage nicht.

• Ausbeute $= m_{\text{erhalten}}/m_{\text{theoretisch}}\cdot 100\,\%$, immer über das limitierende Edukt in mol.