Synthese von Essigsäureisobutylester

Transkript

1 Praktikum Anorganische und rganische Chemie I Assistent: Matthias berli Synthese von Essigsäureisobutylester Dietikon, 3. März 2008 Jorge Ferreiro fjorge@student.ethz.ch 1

2 Zusammenfassung Der Essigsäurebutylester wurde aus Essigsäure und iso-butanol hergestellt. Dabei diente die Schwefelsäure als Katalysator. Die Ausbeute beträgt 49.76%, was relativ gering erscheint, wenn man mit den Literaturwerten vergleicht. Einleitung Ester sind in organische Stoffe, die sich von Säuren ableiten lassen. In der Natur sind sie meistens für angenehme, wohlriechende Dufte bekannt. Essigsäureisobutylester wird oft als künstliches Aroma verwendet; meistens um ein Bananenaroma herbeizuführen. Ansonsten ist es vor allem als Lösungsmittel wichtig. Deshalb wird der Essigsäureisobutylester auch zu den sogenannten Fruchtester gezählt. Ansonsten sind dessen Eigenschaften wie bei allen anderen Estern: brennbar und reizt die Schleimhäute. [5] Stoffeigenschaften und Reaktionsmechanismus Der Essigsäurebutylester wird durch die Protonierung der Essigsäure und den nucleophilen Angriff auf die Carboxylgruppe synthesiert. Die Schwefelsäure ist der Katalysator; sie startet die Reaktion durch die Protonierung der Essigsäure und am Schluss wird sie wieder hergestellt. Tab. 1a: Chemikalienliste und Eigenschaften für Reaktanden und Produkt [1] Iso-Butanol Essigsäure Schwefelsäure 95-98% Produkt: Essigsäureisobutylester Molare Masse [gmol -1 ] Masse [g] Mol [mol] Äquivalenz Ausbeute [%]: Dichte [gml -1 ] Volumen [ml] Sdp. [ C] ~ Weitere Chemikalien, die nicht an der Reaktion teilnehmen. Tab. 1b: Chemikalienliste und Eigenschaften für andere Chemikalien [1] Molare Masse [gmol -1 ] Menge ahc 3 MgS 4 CH 2 Cl So viel bis H 2 S 4 neutralisiert ist. Zugabe, um Einige Pasteurpipetten R-Sätze: [1] R 10 R 35 R 36/38 entzündlich Verursacht schwere Ätzungen Reizt die Augen und die Haut 2

3 R 41 R 67 Gefahr ernster Augenschäden Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen S-Sätze: [1] S 7/9 S 13 S 26 S 30 S 37/39 S 45 S 46 Behälter dicht geschlossen an einem gut belüfteten rt aufbewahren Vor Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren. Niemals Wasser hinzugiessen Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen. Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich dieses Etikett vorzeigen). Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen. Die entstandenen Lösungen wurden alle zu den chlorierten Lösungsmitteln zugegeben, da man mit 1,2-Dichlormethan ausgewaschen hat. Im Folgenden wird der exakte Reaktionsmechanismus beschrieben. Es handelt sich dabei um eine säurekatalysierte Veresterungsreaktion. Weil Wasser abgespalten wird, handelt es sich um eine so genannte Kondensationsreaktion. Die Reaktionsgleichung der Reaktion lautet: C 2 H C 4 H 10 C 6 H H 2 Der Mechanismus lässt sich in vier Schritte einteilen: 1.) Protonierung der Essigsäure durch die Schwefelsäure: Dabei entstehen drei Resonanzstrukturen für die Essigsäure, wobei die mittlere die wohl stabilste ist und ausserdem für den weiteren Reaktionsverlauf auch angenommen wird. + H H 3 C C + + H + 2.) Der Alkohol ist durch die Hydroxylgruppe polarisiert, so dass es einen nucleophilen Teil hat (-Gruppe) und einen elektrophilen (C-Atom, welches mit der -Gruppe verbunden ist). Die Hydroxylgruppe greift also das Carbeniumion nucleophil an, wobei ein Elektronenpaar des Sauerstoffs für die Bindung benutzt wird. H 3 C C + H H 3 C H + H 3

4 3.) Das positive Sauerstoffatom ist sehr instabil. Durch seine positive Ladung ist das H- Atom sehr azide. Es verbindet sich mit der in der gleichen Ebene liegenden - Gruppe zu Wasser. Dieser Reaktionsschritt ist also die Kondensation. Es entsteht wiederum ein Carbeniumion. H 3 C H + H - H 2 H H 3 C C + 4.) Nun wird das H-Atom der Hydroxylgruppe abgespalten. Auf diese Weise wird die positive Ladung am C-Atom entfallen, da sich eine Doppelbindung zum Sauerstoff ausbildet. Das abgespaltene H + stellt den Katalysator wieder her. Somit liegt am Schluss der Ester vor; und zwar handelt es sich um den Essigsäureisobutylester. H H 3 C C + - H + Charakterisierung a.) Dünnschichtchromatographie (DC) Bei der DC wurde klar ersichtlich, dass der Ester sehr wenig weiter als das iso-butanol gelaufen ist. Da das Prinzip der Chromatographie darin besteht, dass der polarere Stoff weiterläuft als der andere, kann man sicher sagen, dass der Essigsäureisobutylester polarer ist als der iso-butanol. Somit lässt sich ebenfalls sagen, dass der Ester sicherlich einen höheren Siedepunkt hat als iso-butanol. Der berechnete R f -Wert ist Leider waren keine Literaturwerte aufzufinden, um die Exaktheit des berechneten Laufwerts zu bestätigen. [2] b.) IR-Spektroskopie Wellenzahl Literaturwerte Interpretation [cm -1 ] [3,4] Gesättigte C-H Bindung C= Die kleineren Wellenzahlen sind höchstwahrscheinlich noch Verunreinigungen eines Fremdstoffes, die jedoch eher minimal sind. Es handelt sich wahrscheinlich bei den Verunreinigungen um die Essigsäure, vor allem, wenn man die Resultate der DC und des Brechungsindex berücksichtigt. [4] c.) Brechungsindex Literaturwert [1]:

5 Gefundener Wert: Die Abweichung beträgt 1.22% und ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass es noch Reste einer Substanz im Destillat hat. Da der gefundene Brechungsindex geringer ist als der Literaturwert ist die Geschwindigkeit des gebrochenen Lichts höher, d.h. es konnte viel Licht durch die Probe durchgehen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Ester noch Reste von Essigsäure enthält, weil der Siedepunkt sozusagen übereinstimmt. Versuchsdurchführung In einem 250 ml Dreihalsrundkolben wurden iso-butanol (23.08 ml, 0.25 mol, 1.0 Äquiv.) mit Essigsäure (34.38 ml, 0.6 mol, 2.4 Äquiv.) vorgelegt und mit konzentrierter Schwefelsäure (5 ml, 0.25 mol, 1 Äquiv.) versetzt. Danach wurde die gesamte Lösung in ein Ölbad versetzt und bis maximal zum Siedepunkt des flüchtigsten Reaktanden erhitzt. Die Vigreuxkolonne diente der besseren Auftrennung der verschiedenen Stoffe. Man hat nun bei ca. 110 C während 20 min erhitzt und fortlaufend zwei bis drei Proben herausgenommen und mittels DC die Reinheit des Esters zu ermitteln. Als Laufmittel haben wir ein 1:1 Hexanmethyester verwendet; als Referenzlösung der jeweilige Alkohol. Nach einer halben Stunde wurde die Apparatur über Nacht stehen gelassen, damit sie abkühlen kann. anschliessen wurde durch Extraktion in einem Scheidetrichter der Ester von den restlichen Bestandteilen grob getrennt. Man musste dafür das doppelte Volumen an Wasser zugeben, um die Reste der Schwefelsäure bzw. des Hydrogensulfats auszuwaschen. Beim Schütteln musste höchste Vorsicht an den Tag gelegt werden, weil das System im Scheidetrichter während des Schüttelns geschlossen ist und somit explosionsgefährlich. Nun wurde die organische Phase in einen EMK gegeben und die wässrige Phase mit zwei Pasteurpipetten Dichlormethan gewaschen. Dadurch wurden sonstige Esterreste noch weiter aus der wässrigen Phase gelöst. Anschliessend wurde die wässrige Phase mithilfe von NaHC 3 neutralisiert. Nun wurden nochmals die organische und die wässrige Phase getrennt. Die wässrigen Reste wurden in die chlorierten Lösungsmittel entleert. Die organische Phase wird zuerst mit MgS 4 versetzt, um sie zu trocknen und anschliessend destilliert, um die verschiedenen Bestandteile (Reste der Essigsäure, des iso-butanols, der wässrigen Phase bzw. Schwefelsäure und den Ester) zu trennen. Anschliessend wurde das Destillat mit dem Ester mithilfe des IR-Spektrometers analysiert. Die Ausbeute betrug g Ester bzw mol. Quellenverzeichnis [1] Fluka Katalog (CH) Riedel de Häen, Sigma-Aldrich, 2007/2008 [2] Grundoperationen der präparativen organischen Chemie Eine Einführung, Reinhart Keese, Juris Verlag Dietikon, 2003 [3] [4] [5] Bertelsmann Lexikon Band 4, Bertelsmann Lexikon Verlag, Gütersloh,