Synthese von Essigsäureisopropylester

Synthese von Essigsäureisopropylester (1)
Präparat 1
Azeotrope Veresterung
1. Reaktionstyp:
2. Reaktionsgleichung:
CH3
O
H3C
C
+ HO
C
OH
CH3
O
H
H
+
H3C
C
O
C
H + H2O
CH3
CH3
Essigsäure
Isopropanol
Essigsäureisopropylester
Wasser
60,05 g/mol
60,1 g/mol
102,13 g/mol
18 g/mol
R-und S-Sätze der im Versuch verwendeten und entstehenden Chemikalien:
1. Essigsäure
− C (ätzend)
− R 10-35
− S 23.2-26-45
2. 2-Propanol
− F (leichtentzündlich), Xi (reizend)
− R 11-36-67
− S 7-16-24/25-26
3. Essigsäureisopropylester
− F (leichtentzündlich), Xi (reizend)
− R 11-36-66-67
− S 16-26-29-33
4. Chloroform
− Xn (gesundheitsschädlich)
− R 20/22-30-40-48, S 36/37
3. Durchführung der Reaktion:
3.1. Berechnung des Ansatzes:
Unter der Vorgabe, 10 g des Esters herzustellen, und unter Berücksichtigung der im
Organikum angegebenen Ausbeute von 70% müssen die folgenden Stoffmengen
und -massen in der Reaktion eingesetzt werden:
0,14 mol Ester
⇒
14,3 g
0,14 mol Ethansäure
⇒
8,4 g
0,25 mol Isopropanol
⇒
14,7 g
Vom sauren Ionenaustauscher wurden 2 g vorbereitet; vom Chloroform sollen 100 ml
auf ein mol der verwendeten Säure kommen. Hier wurden 50 ml, also ungefähr die
dreifache Menge eingesetzt.
3.2. Durchführung:
In einem 100-ml-Rundkolben, mit einem Wasserabscheider für Lösungsmittel mit
einer größeren Dichte als Wasser versehen, wurden 8,5 g (0,14 mol) Essigsäure
(90%), 14,8 g (0,25 mol) Isopropanol und 50 ml Chloroform vorgelegt. Als Katalysator wurden 2g eines vorher frisch mit Wasserstoffionen befüllten Ionenaustauschers
verwendet. In den Wasserabscheider wurden ca. 70 ml Chloroform gefüllt.
Anschließend wurde 38 Stunden unter Rückfluß erhitzt.
Nach Beendigung der Reaktion wurde vom Ionenaustauscher abfiltriert, und der
Rückstand unter Normaldruck fraktioniert destilliert. Der Essigsäureisopropylester
wurde bei einer Siedetemperatur von ca. 87° C aufgefangen. Diese fraktionierte Destillation ist ein zweites Mal durchgeführt worden, weil sowohl der Brechungsindex als
auch der Siedepunkt der vermeintlich reinen Esterfraktion nicht mit dem Literaturwert
übereinstimmten.
Ausbeute:
14,3 g
=
100%
5,2 g
=
37% (Literatur. 70%(1))
4. Physikalische Daten des Produktes:
Essigsäureisopropylester
Kp. in °C
Literaturwert:
88 (1)
exp. erm. Wert:
89
n D20
Literaturwert:
1,3775 (1)
exp. erm. Wert:
1,378
5. Spektrenauswertung:
Auch durch zweimalige Destillation des Reaktionsgemisches konnte der im Überschuß eingesetzte Alkohol nicht vollständig aus der Esterfraktion entfernt werden, so
daß das IR-Spektrum des Essigsäureisopropylesters bei 3500 cm-1 die für OHGruppen charakteristische Bande zeigt. Diese ist aber sehr wenig ausgeprägt, so
daß die Verunreinigung der Probe als gering einzustufen ist.
Im Folgenden werden die wichtigsten Banden des vorliegenden Spektrums genannt:
Nr.
Wellenzahl in cm-1
Zuordnung
Schwingungsart
1
3420
C=O
Oberschwingung der Carbonylgruppe
2
2980
CH3-Gruppen
C-H-Valenzschwingung
3
2870
CH-Gruppe
C-H-Valenzschwingung
4
1720
C=O-Doppelbindung
C=O-Valenzschwingung
5
1465
CH2-Gruppen
C-H-Deformationsschwingungen
6
1370
CH3-Gruppen
C-H-Deformationsschwingungen
7
1250
C-O-C
C-O-Valenzschwingung
6. Mechanismus:
Bei der säurekatalysierten Veresterung reagieren eine Carbonsäure und ein Alkohol
durch die katalytische Wirkung einer Mineralsäure zu einem Ester, wobei Wasser
freigesetzt wird. Der Zusatz einer starken Säure ist vonnöten, da diese die Carbonylaktivität der Carbonsäure erhöht und dadurch die Reaktion ermöglicht.
Im durchgeführten Experiment wurde statt einer Säure, z.B. Schwefelsäure, ein saurer Ionenaustauscher benutzt.
Bei der Veresterung wird das Gleichgewicht schnell erreicht und durch unterschiedliche Maßnahmen muß es auf die Seite der Produkte verschoben werden. Im vorliegenden Versuch wurde der Alkohol im doppelten Überschuß eingesetzt und durch
azeotrope Destillation das im Versuch entstehende Wasser konstant dem Gleichgewicht entzogen.
Der Mechanismus der ablaufenden Reaktion lautet wie folgt:
Im ersten Schritt wird die Carboxygruppe der Essigsäure protoniert, es entsteht ein
delokalisiertes Dihydroxycarbenium-Ion:
H
O
+H
C
CH3
+
O
H
H
+
O
+
-H
O
C
CH3
C+
O
H
O
CH3
H
H
O
C
O
CH3
+
H
Dadurch ist ein nucleophiler Angriff des Isopropanols auf das CarbonylKohlenstoffatom ermöglicht. Durch Abspaltung eines Protons aus diesem ersten Addukt bildet sich im zweiten Schritt der Reaktion ein tetraedrisches Zwischenprodukt:
H
+
O
CH3
+ HO
C
O
CH3
H
C
OH
H
C
CH3
O+
CH3
CH3
C
OH
H
OH
H
CH3
+
-H
+
+H
CH3
C
i-Pr
O
OH
Dieses Zwischenprodukt kann nun säurekatalysiert sowohl in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zerfallen, je nachdem, wo die Protonierung erfolgt. Wird das Sauer-
stoffatom des Alkohols protoniert, erfolgt Abspaltung des eingesetzten Alkohols unter
Umkehrung der Reaktionsschritte 1 und 2. Wird allerdings eine der beiden HydroxyGruppen protoniert, erfolgt Wasserabspaltung unter Bildung des Esterproduktes
(hier: Essigsäureisopropylester) im dritten Schritt der Reaktion:
H
OH
O
+
CH3
C
O
+H
H
-H
+
+
O
C
CH3
O
H
O
i-Pr
H
i-Pr
O
+
-H
+H
+
CH3
C
O
i-Pr +
H2O
Über diesen Mechanismus läßt sich sowohl die Notwendigkeit der Säurekatalyse erklären, als auch die Tatsache, daß das Sauerstoffatom des Alkohols in der entstehenden Esterverbindung verbaut wird.
7. Abfallentsorgung:
− Der durch Filtration abgetrennte Ionenaustauscher wurde in den Abfallbehälter
„anorganische Feststoffe“ gegeben.
− Der abdestillierte Schlepper Chloroform wurde in den Abfallbehälter „halogenierte
Kohlenwasserstoffe“ entsorgt.
8. Literatur:
(1)
Autorenkollektiv
Organikum,
ORGANIKUM,
20.
Auflage,
Wiley-VCH
Weinheim 1999, D 7.1.4.1. S. 441-443
(2)
Sadtler Standard Spektra, Sadtler Research Laboratories, Infrared Grating
Spektrum 10939K, New York 1967

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