Bei der Veresterung reagiert ein Alkohol oder Phenol mit einer organischen oder anorganischen Säure unter Wasserabspaltung weiter zu einem Ester. Dazu wird auch ein Katalysator (beispielsweise Schwefelsäure oder Salzsäure) zur Hilfe genommen. Diese Reaktion gilt als Gleichgewichts- und Kondensationsreaktion.
Veresterung – Reaktionsgleichung
Es gibt verschiedene Arten von Estern. Zu der wichtigsten Esterart gehört der Carbonsäureester.
Für die Veresterung benötigst du immer zwei chemische Klassen: zum einen eine organische Carbonsäure (COOH) oder eine anorganische Sauerstoff-Säure (bspw. Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Salpetersäure) und zum anderen ein Alkohol (OH), mit dem die Säure reagieren kann. Dabei entsteht ein Ester und Wasser. Die Reaktion kann auch rückwärts ablaufen. Also kannst du aus einem Ester und Wasser wieder die Säure und den Alkohol gewinnen. Dieser Vorgang wird unter anderem auch Esterverseifung genannt.
Die Veresterung ist also sowohl eine Gleichgewichts-, als auch Kondensationsreaktion.
Als Kondensation bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der zwei Moleküle unter Abspaltung eines einfachen Moleküls wie Wasser oder Ammoniak verbinden. Dabei handelt es sich um eine Form der Substitution.
Abbildung 1: Allgemeine Reaktionsgleichung der Veresterung
Hier siehst du auch ein Beispiel, bei dem Ethanol und Schwefelsäure zu Alkylschwefelsäure und Wasser reagieren:
Abbildung 2: Reaktionsgleichung der Veresterung mit Ethanol und Schwefelsäure
Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung
Nach der Reaktionsgleichung der Veresterung folgt nun die Untersuchung des Mechanismus:
1. Schritt: Protonierung der Carbonsäure
Abbildung 3: Erster Schritt des Mechanismus der Veresterung
Im ersten Reaktionsschritt wird die Carbonsäure protoniert – sie erhält also ein zusätzliches Proton (H+). Diesen Schritt kannst du durch die Zugabe einer starken Säure, wie etwas Salzsäure, beschleunigen. Das Proton hängt sich an die Säuregruppe. Dadurch ist die Ladung über das Molekül delokalisiert. Diese Eigenschaft wird durch die mesomere Grenzformeln in den eckigen Klammern dargestellt.
Wenn sich innerhalb eines Moleküls oder eines mehratomigen Ions die Bindungsverhältnisse verändern, kann diese Veränderung nur durch mehrere Strukturformeln ausgedrückt werden, da sie keinen eindeutigen Zustand hervorruft. Dieses Phänomen wird als Mesomerie oder Resonanzstruktur bezeichnet.
2. Schritt: Nukleophiler Angriff an das Kohlenstoffatom der Säure
Abbildung 4: Zweiter Schritt des Mechanismus der Veresterung
Im zweiten Schritt kommt der Alkohol zum Einsatz: Ein freies Elektronenpaar am Sauerstoff greift das C-Atom der Säure an (nukleophiler Angriff). Das lässt sich dadurch erklären, dass das freie Elektronenpaar eine negative Ladung hat und deshalb bevorzugt eine positive Ladung angreift (links).
Anschließend erhältst du ein dreibindiges Sauerstoffatom (rechts), das eine positive Ladung besitzt. Der Sauerstoff möchte seine positive Ladung jedoch nicht behalten, weswegen das Wasserstoffatom, das an das O-Atom gebunden ist, eine Wasserstoffbrückenbindung zum Sauerstoffatom der Säuregruppe ausbildet. Folglich lagert sich das Wasserstoffatom dann auch komplett um – die positive Ladung hängt jetzt an der Säuregruppe.
An der Säuregruppe kannst du schon ein gebundenes Wassermolekül erkennen.
3. Schritt: Deprotonierung
Abbildung 5: Dritter Schritt des Mechanismus der Veresterung
Dieses Wassermolekül spaltet sich jetzt auch ab. Dafür muss beim O-Atom des Wassermoleküls noch ein freies Elektronenpaar beigefügt werden. Dadurch wird das C-Atom positiv geladen. Zur Neutralisation dessen klappt danach ein freies Elektronenpaar der OH-Gruppe zum C-Atom – es bildet sich eine Doppelbindung.
Danach muss nur noch das H⁺-Ion an der OH-Gruppe abgespaltet werden (Deprotonierung).
Durch die Isotopenmarkierung des Sauerstoffatoms im Alkohol konnte der Mechanismus, den du gerade durchgegangen bist, bewiesen werden.
Veresterung – Beispiele
Je nachdem, in welchem Milieu die Reaktionen ablaufen und je nachdem, wie viele Endprodukte entstehen, werden verschiedene Ester-Bildungsreaktionen unterschieden. Im Folgenden bekommst du einen Überblick über die verschiedenen Herstellungsarten von Estern.
Fischer Veresterung
Säurekatalysierte Veresterungen, wie du sie gerade gesehen hast, werden auch Fischer Veresterung genannt.
Steglich Veresterung
Die Steglich Veresterung bekam ihren Namen von dem deutschen Chemiker Wolfgang Steglich. Bei diesem Verfahren können stark verzweigte Alkohole mit Carbonsäuren verestert werden. Beispielsweise können das ringförmige Alkohole sein.
Bei dieser Veresterung kommen die Stoffe Dicyclohexylcarbodiimid (kurz DCC) und 4-Dimethylaminopyridin (kurz DMAP) zum Einsatz. Beide Stoffe sind sehr reaktiv, weswegen die Esterbildung schneller und zuverlässiger abläuft. Sie werden also als Katalysator in der gesamten Reaktion eingesetzt.
Yamaguchi Veresterung
Die Esterbildung nach dem Yamaguchi Verfahren dient zur Herstellung von Mikroliden bzw. Makrolaktonen – Stoffe mit vielen Ringen. Makrolide dienen beispielsweise als Ausgangsstoff bei der Herstellung von Aspirin. Eine Hydroxycarbonsäure (eine Carbonsäure mit mindestens einer Carboxylgruppe (COOH) und einer Hydroxygruppe (OH)) ist bei dieser Veresterung der Ausgangsstoff.
Makaiyama Veresterung
Die Makaiyama Veresterung wurde auch nach einem Chemiker benannt – dem japanischen Chemiker Teruaki Makaiyama. Bei diesem Verfahren der Esterbildung werden Enole an Carbonylverbindungen hinzugefügt. Bei dieser Reaktion gewinnst du viele verschiedene Produkte.
Veresterung - Das Wichtigste
- Für die Veresterung benötigst du immer zwei chemische Klassen: zum einen eine organische oder anorganische Carbonsäure (COOH), zum anderen ein Alkohol (OH).
- Die Veresterung ist sowohl eine Gleichgewichts-, als auch Kondensationsreaktion.
- Die Rückreaktion der Veresterung wird als saure Esterhydrolyse, Esterspaltung, Esterverseifung, oder auch Hydrolyse bezeichnet.
- Der Mechanismus lässt sich in drei Schritte aufteilen:
- 1. Protonierung der Carbonsäure
- 2. Nukleophiler Angriff an das Kohlenstoffatom der Säure
- 3. Deprotonierung.
- Man kann zwischen verschiedenen Ester-Bildungsreaktionen unterscheiden:
- Fischer Veresterung
- Steglich Veresterung
- Yamaguchi Veresterung
- Mukaiyama Veresterung.
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