Fruchtester

Carbonsäureester

Carbonsäureester (R–COOR') sind Ester, die formal aus einer Carbonsäure (R–COOH) und einem Alkohol bzw. Phenol (R'-OH) zusammengesetzt sind. Ester von kurzkettigen Monocarbonsäuren kommen als wohlriechende Verbindungen in ätherischen Ölen (sog. Fruchtester) und von längerkettige Monocarbonsäuren in natürlichen Wachsen vor. Pflanzliche und tierische Fette und fette Öle sind dreifache Ester (Triglyceride) von Fettsäuren und dem dreiwertigen Alkohol Glycerin. Viele Polyester sind polymere Carbonsäureester von Dicarbonsäuren und Diolen und haben als Kunststoffe wichtige Bedeutung. Der Carbonsäureester Essigsäureethylester ist ein häufig benutztes Lösungsmittel.

Nomenklatur und Strukturerklärung

Aufbau des Essigsäureethylesters

Carbonsäureester setzen sich aus einem Carbonsäureteil und einem Alkoholteil zusammen. Bei Trivialnamen für Carbonsäureester wird der Name oft aus dem Namen der Carbonsäure und der Bezeichnung für den organischen Rests des Alkohols, sowie aus dem Wort Ester zusammengesetzt. Ein Beispiel ist Essigsäureethylester, dessen Name sich aus Essigsäure, dem Alkylrest des Alkohols Ethanol (ethyl-) und dem Wort Ester bildet.

Der systematische Name dieses Esters ist jedoch Ethylethanoat und wird nach dem Prinzip „Rest des Alkohols (= Ethyl) + Grundkörper der Säure (= Ethan) + oat“ gebildet. Das Suffix "R-oat" ist jedoch nicht bei allen Verbindungen zulässig. Befindet sich in einer Verbindung eine weitere funktionelle Gruppe mit höherer Priorität, wie zum Beispiel eine Säure oder ein Kation dann muss der Ester als Präfix genannt werden. Die zu verwendende Bezeichnung lautet R-oxycarbonyl-.

Beispiele

Säure	Alkohol	Ester
einfache Carbonsäureester am Beispiel der Essigsäure
Essigsäure	Methanol	Essigsäuremethylester
	Ethanol	Essigsäureethylester
	1-Butanol	Essigsäurebutylester
Lactone: innere Carbonsäureester
4-Hydroxybutansäure		γ-Butyrolacton
Fette und fette Öle
als Beispiel: Hexansäure (allg.: → Fettsäuren)	Glycerin	Triglyceride
Polyester: z. B. PET
Terephthalsäure	Glycol	Polyethylenterephthalat

Physikalische Eigenschaften

Auf Grund der Elektronegativitätsdifferenz zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff ist die Carbonsäureester-Gruppe polar und ermöglicht im Prinzip eine Löslichkeit in Wasser durch Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Vom kurzkettigen Carbonsäureester Essigsäuremethylester lösen sich etwa 250 g/l in Wasser. Vom dem etwas langkettigeren Essigsäurebutylester gehen nur noch ca. 10 g/l in Lösung. Die Gesamtlöslichkeit wird durch die organischen Reste bestimmt, so dass bei hinreichend unpolaren Resten die Wasserlöslichkeit sehr gering wird. Die meisten Ester sind hydrophob und sind Öle oder Wachse.

Siedepunkte von kurzkettigen Carbonsäureestern liegen im Vergleich zu Alkoholen oder Carbonsäuren von vergleichbarer molarer Masse wesentlich niedriger, da sie anders als Carbonsäuren oder Alkohole keine starken Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können.

Reaktionen

Synthese

Alkohole und Carbonsäuren lassen sich durch Veresterung zu Carbonsäureestern umsetzen. Die Veresterung erfolgt durch eine Säure als Katalysator und ist eine Gleichgewichtsreaktion. Durch Entfernung des entstehenden Wassers aus dem Reaktionsgemisch z.B. durch eine azeotrope Destillation oder durch Einsatz eines Molekularsiebs wird das Gleichgewicht Richtung Ester verschoben.

Neben der Umsetzung von Carbonsäuren führen auch Reaktionen der entsprechenden Carbonsäureanhydride und Carbonsäurechloride zu Estern. Eine weitere, technisch bedeutende Reaktion ist die Umesterung, der Austausch eines Alkohols im Ester gegen einen anderen. Dies wird beispielsweise eingesetzt, um aus Rapsöl die Methylester der Fettsäuren herzustellen, die als Biodiesel verwendet werden.

Esterspaltung

Ester können gespalten werden. Dabei entstehen Alkohol und Carbonsäure. Für die Reaktion werden meist Basen eingesetzt. Die Reaktion nennt man Verseifung. Sie ermöglichen eine quantitative (d.h. vollständige) Esterspaltung, da einerseits die Reaktion nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus verläuft, aber auch als Spaltprodukte ein Alkohol und das sehr stabile Carboxylat-Ion entstehen. Die oben genannte Veresterung kann als Gleichgewichtsreaktion auch als saure Esterspaltung aufgefasst werden. Dabei werden Ester hydrolysiert, also durch Wasser gespalten.

Durch Verseifung werden aus Fetten und fetten Ölen die Alkalisalze der Fettsäuren, also die Seifen, gewonnen. Die Esterspaltung kann auch mit Lipasen, einer Enzymgruppe, erfolgen^[1], die bei der Verdauung von Fetten eine wichtige Rolle spielen. Praktische Bedeutung hat die Esterspaltung bei Waschmitteln, die Lipasen enthalten, um die wasserunlöslichen Fettreste auf Textilien unter Bildung leidlich wasserlöslicher Fettsäuren und gut wasserlöslichen Glycerins zu spalten. Zur Gewinnung enantiomerenreiner Carbonsäuren oder Alkohole wird in der Chemie stereoselektiv ein Enantiomer racemischer Carbonsäureester gespalten. Dabei bleibt das zweite Enantiomer des Carbonsäureesters unverändert und erlaubt eine Racemat-Trennung.

C,H-Acidität

Ester sind keine Säuren, sind jedoch C,H-acide Verbindungen, da das Proton in α-Position durch sehr starke Basen abgespalten werden kann. Hierdurch entsteht ein mesomeriestabilisiertes Enolat.

Bildung eines Enolats mit der Base Lithiumdiisopropylamid (LDA). R=Alkoholteil

Säureteil versus Alkoholteil

Wie abgebildet, stammt bei der (oft üblichen) Bildung des Esters aus Carbonsäure und Alkohol der blau dargestellte Teil des Esters aus dem Alkohol (hier: Ethanol) und der rot dargestellte Teil aus der Carbonsäure (hier: Essigsäure). Eine Ausnahme ist die Bildung der Ester aus Salzen der Carbonsäure (Carboxylaten) und Alkylierungsmitteln; hierbei stammt der im Bild blau dargestellte Sauerstoff aus der Carbonsäure.

Bei der Spaltung von Estern (sowohl sauer als auch basisch katalysierbar) enthält der dabei gebildete Alkohol den im Bild blau dargestellten Sauerstoff. Auch hier gibt es eine Ausnahme, nämlich die sauer katalysierte Spaltung von Estern tertiärer Alkohole, bei denen aus dem Alkohol-Teil ein Alken gebildet wird (E1-Reaktion).

Der Verbleib des o. g. Sauerstoffatoms bei Esterbildung bzw. -spaltung ist durch Markierungsexperimente unter Verwendung das Sauerstoffisotops ¹⁸O belegbar^[2]; somit kann der Reaktionsmechanismus bewiesen werden.

Einzelnachweise

1. ↑ The Merck Index. An Encyclopaedia of Chemicals, Drugs and Biologicals. 14. Auflage, 2006, S. 955, ISBN 978-0-911910-00-1.
2. ↑ Ivan Ernest: Bindung, Struktur und Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie, Springer-Verlag Wien und New York (1972), S. 73−74, ISBN 3-211-81060-9.