Veresterung

Ester

Die Struktur eines Esters ist ein Carbonyl mit einer Alkyl- oder Arylgruppe (R) auf der einen Seite und einem Sauerstoff, der an eine andere Alkyl- oder Arylgruppe (R') auf der anderen Seite gebunden ist, dargestellt durch die allgemeine Formel: RCOOR'. Ester können üblicherweise durch eine Veresterungsreaktion zwischen einer Carbonsäure und einem Alkohol abgeleitet werden. Die Hydroxylgruppe der Carbonsäure wird durch eine Alkyl- oder Arylgruppe ersetzt. Einfache Ester, die ein niedriges Molekulargewicht und kleine funktionelle R- und R'-Gruppen aufweisen, haben Gerüche und Aromen von Früchten und Blüten.

Die einfachste Carbonsäure ist Ameisensäure (HCOOH), wobei der einfachste Alkohol Methanol ist. Der einfachste Ester, der aus der Veresterung dieser beiden Moleküle gebildet wird, ist also das Methylformiat (HCOOCH₃). Methylformiat wird als Derivat der Ameisensäure angesehen, da die OH-Gruppe durch die OCH_3-Gruppe ersetzt wird. Die strukturellen Unterschiede zwischen Methylformiat und Ameisensäure bestimmen den Unterschied in ihren Eigenschaften. Denn die Eigenschaften des Moleküls hängen stark von den R- und R'-Gruppen ab.

Ester, die in Früchten und Blüten vorkommen, werden aufgrund der geringen Komplexität ihrer Struktur im Vergleich zu anderen Estern als einfache Ester bezeichnet. Die Alkyl- und Arylgruppen, die auf diesen Estern zu finden sind, beeinflussen den Duft, den sie abgeben, stark. Die Zugabe eines Kohlenstoffs oder einer anderen funktionellen Gruppe kann also den vom Ester erzeugten Duft beeinflussen. Propylacetat (C₅H₁₀O₂) hat zum Beispiel den Duft von Birnen. Butylacetat (C₆H₁₂O₂), das nur noch einen Kohlenstoff mehr in seiner Kette hat, riecht jedoch nach Äpfeln.

Langkettige Ester, also solche mit langen Alkylketten, werden als Fettsäuren bezeichnet. Fettsäuren sind wichtige biologische Verbindungen, die für bestimmte biologische Prozesse essentiell sind. Fettsäuren sind auch eine biologische Form der Energiespeicherung. Wenn drei Fettsäuren mit Glycerin reagieren, bilden sie ein Triglycerid – die häufigste Form von Fettsäuren. Triglyceride haben ein sehr hohes Molekulargewicht und können stark verzweigt sein. Ihre Funktion und Eigenschaften hängen von der Länge und Art der Alkylketten ab, die in ihre Struktur eingearbeitet sind. Eine der häufigsten industriellen Anwendungen von Triglyceriden ist die Herstellung von Seifen und Waschmitteln.

Veresterungsreaktion

Ester werden durch eine Veresterungsreaktion gebildet, wobei einfache Ester durch Fisher-Veresterung gebildet werden. Bei dieser Reaktion werden eine Carbonsäure und ein Alkohol in einen Ester umgewandelt, wobei Wasser als Nebenprodukt entsteht. Die Fisher-Veresterung ist eine reversible Reaktion, die sehr langsam abläuft. Ein saurer Katalysator, typischerweise in Form von Schwefelsäure, wird zugesetzt, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig als Entwässerungsmittel zu wirken.

Der Wirkmechanismus für eine Fisher-Veresterung beginnt damit, dass der Carbonylsauerstoff die Schwefelsäure angreift und ihre OH-Gruppe deprotoniert. Dies führt zu einem positiv geladenen Carbonylsauerstoff. Um die positive Ladung besser zu stabilisieren, wird ein Elektronenpaar der Carbonyl-Doppelbindung an den Carbonylsauerstoff gedrückt, während gleichzeitig ein elektronenarmes Kohlenstoffzentrum entsteht. Als nächstes wirkt die Hydroxygruppe des Alkohols als Nukleophil und greift den elektronenarmen Kohlenstoff – das Elektrophil – an, wodurch ein Zwischenprodukt gebildet wird. Dann wird die positiv geladene Hydroxylgruppe aus dem Alkohol durch die Hydroxylgruppe der Carbonsäure deprotoniert, wodurch das Sauerstoffatom des Alkohols stabilisiert wird. Im letzten Schritt wird der Carbonylsauerstoff durch die konjugierte Base deprotoniert, und das freie Elektronenpaar wird in Richtung des Carbonylzentrums bewegt, während die protonierte Carboxylgruppe als Wassermolekül austritt.

Da die Veresterungsreaktion reversibel ist, erreicht ein 1:1-Gemisch aus der Carbonsäure und dem Alkohol ein Gleichgewicht mit etwa 70 % Ausbeute des Esters. Wie bei jedem Gleichgewichtsprozess kann die Reaktion jedoch in eine Richtung gesteuert werden, indem die Konzentration, der Druck, die Temperatur oder das Volumen der Reagenzien geändert werden. Diese Veränderung bewirkt, dass sich die Reaktion an ein neues Gleichgewicht anpasst, um der Veränderung entgegenzuwirken, was die Grundlage des Prinzips von Le Chatelier ist.

Wenn die Konzentration eines der Reaktanten erhöht wird, verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, die seine Konzentration verringert. Durch die Erhöhung der Konzentration eines Reaktanten produziert das Gleichgewicht also mehr von dem Produkt, wodurch eine höhere Ausbeute des Esterprodukts zur Folge hat.

Eine gängige Methode, die in Labors der organischen Chemie verwendet wird, besteht darin, einen Überschuss an einem der Reagenzien, typischerweise dem Alkohol, bereitzustellen. Wie bereits erwähnt, kann bei der Fisher-Veresterung Schwefelsäure als Katalysator verwendet werden. Eine der anderen Funktionen von Schwefelsäure besteht jedoch darin, als Dehydratisierungsmittel zu wirken und Wassermoleküle von der Reaktion fernzuhalten. Die Anwendung des Prinzips von Le Chatelier zeigt, dass, wenn eines der Produkte – in diesem Fall Wasser – entfernt wird, die Reaktion zur Herstellung von mehr Produkt vorangetrieben wird. Dadurch erhöht sich die Ausbeute des gebildeten Esters.

Referenz

1. Streitwieser, A., Heathcock, C.H., Kosower, E.M. (1998). Einführung in die Organische Chemie. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.