Reaktivität gegen Nukleophile

1. Grundlagen

1.1. Die Carbonsäurederivate und ihre Reaktionen – Übersicht

Aufgaben: Lesen Sie zur Vorbereitung die Einführung von Versuch 3 (Kap. 1. Grundlagen)!

Nennen Sie Naturstoffklassen, die Carbonsäurederivate sind und charakterisieren Sie die dafür typischen funktionellen Gruppen, die die C=O-Funktion enthalten! Definieren Sie die Begriffe Elektrophil und Nukleophil sowie Elektrophilie und Nukleophilie! Nennen Sie Beispiele für starke und schwache Nukleophile! Wie kann man die Nukleophilie von Nukleophilen abschätzen? Festigen bzw. erweitern Sie Ihre Stoffkenntnisse der organischen Chemie bezüglich der auf den Vorlesungsfolien 7-1 und 7-2 genannten Carbonsäuren (Name, Konstitution, Anionenname und soweit angegeben, Reihenfolge der Acidität)! Wie werden Carbonsäuren klassifiziert?

Carbonsäurederivate entstehen durch chemische Modifizierung von Carbonsäuren (Derivate = Abkömmlinge). In Carbonsäuren kann der Kohlenwasserstoffrest R oder die Carboxylgruppe COOH derivatisiert sein. Im engeren Sinn versteht man jedoch unter Carbonsäurederivaten Substanzen, bei denen die OH-Funktion der Carboxylgruppe durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt ist:

X Halogen / Cl _O ^C _R' O

–S–R‘ –O–R‘

–NH₂ –NHR‘

–NR’R‘‘

Carbonsäure- Name halogenide /

chloride anhydride thioester ester amide

Reaktivität gegen Nukleophile

Die Reaktion von Carbonsäurederivaten mit Nukleophilen gehört zu den Carbonylreaktionen (vgl. Versuch 3). Der Startschritt ist wiederum die Addition (AdN) des Nukleophils (HB) mit aktivem Wasserstoff an die C=O-Doppelbindung. Der erste Teilschritt (1) im Reaktions- mechanismus vieler Carbonsäurederivate führt zu einem instabilen Zwischenprodukt I, in dem der Kohlenstoff tetraedrisch, d.h. sp³-hybridisiert, vorliegt und der aktive Wasserstoff auf das Sauerstoffatom übertragen wurde.

R C OH O

R C X O

(1)

I

(2)

I

(3)

I stabilisiert sich durch Eliminierung von HX (2). Dabei wird die C=O-Doppelbindung zurückgebildet, so dass die Bruttoreaktionsgleichungen (3) und (4) formal Substitutionen entsprechen. Es liegen jedoch Additions-Eliminierungs-Mechanismen vor!

Aufgaben: Welche Gemeinsamkeiten und welche Unterschiede weisen die Additions- Eliminierungs-Mechanismen von Aldehyden und Ketonen einerseits und der Carbon- säurederivate andererseits bei der Umsetzung mit Nukleophilen vom Typ HB auf?

Formulieren und erläutern Sie den Additions-Eliminierungs-Mechanismus von Carbon- säurederivaten mit Nukleophilen! Welche Nukleophile reagieren nicht nach diesem Mechanismus (allgemein beantworten und zwei Beispiele nennen)?

Übersicht der Reaktionen der Carbonsäurederivate mit Nukleophilen: Reaktionstyp AdN/E

(4)

HX‘ Name der Reaktion Produkt

H2O / OH⁰ Hydrolyse / Verseifung Carbonsäure / Carboxylat-Anion

ROH Alkoholyse Carbonsäureester

NH3 Ammonolyse N-unsubstituiertes Carbonsäureamid

RNH2 Aminolyse N-monosubstituiertes Carbonsäureamid

R2NH Aminolyse N,N-disubstituiertes Carbonsäureamid

+ HX' + HX

Nukleophil mit aktivem H

R C X O

R C X' O B C

R X

O H

R C B

O

R C X

O

R C B

O

+ HX

+

HB + HX

R C X

O B C

R X

O B C

R X + O H

HB Hr s

Wie aus (3) und (4) zu sehen ist, gewinnt man Carbonsäurederivate durch Umsetzung anderer, meist reaktiverer Carbonsäurederivate (z. T. auch aus Carbonsäuren selbst) mit Nukleophilen.

Dabei müssen die Umsetzungen mit schwachen Nukleophilen (Wasser, Alkohole, Phenole) wiederum mit starken Broensted-Säuren katalysiert werden, wobei der Kohlenstoff der Carboxylgruppe in gleicher Weise aktiviert wird, wie es für die Carbonylverbindungen in Gleichnung (4) im Versuch 3 (Seite 30) beschrieben wurde.

Aufgaben: Wie nennt man den in Gleichung (4) nicht fettgedruckten Rest R-C=O und wie bezeichnet man deshalb die durch (3) und (4) beschriebene Übertragung dieses allgemeinen Restes? Wie nennt man den konkreten Rest H3C–C=O, von welcher Säure leitet er sich ab und wie bezeichnet man die Übertragung dieses konkreten Restes? Nennen Sie mindestens 2 biologisch oder medizinisch wichtige Carbonsäurederivate mit diesem Rest und formulieren Sie von einem die Konstitutionsformel! Ordnen Sie die allgemeinen Konstitutionsformeln der Ihnen bekannten Carbonsäurederivate nach steigender Reaktivität gegenüber Nukleophilen!

Wie nennt man diese Reaktivität der Carbonsäurederivate?

1.2. Carbonsäureester

Beispiele für Carbonsäureester sind:

Die Carbonsäureester sind wasserunlösliche, in Fettlösungsmitteln lösliche, meist angenehm riechende Verbindungen. Carbonsäureester kommen als Naturprodukte vor, u. a. als Fruchtaromen, Duftstoffe, Wachse und vor allem aber als Fette. Die pflanzlichen und

O COOH

C O C H₃ C

H₃ C O

CH₂ CH O

CH₃ CH₃

H₃₅C₁₇ C O

CH₂ CH

O

CH₂ O

C H₃₅C₁₇ O

O C H₃₅C₁₇

O

H CH₃ C

O

N H

C O O

O CH₃

OH COOCH₃ Essigsäure-isobutylester

Bananenaroma

Tristearoylglycerin

Acetylsalicylsäure (Aspirin)

1 2

5 3

Benzoesäureester Methylester einer hetero-

cyclischen Carbon- säure, dem Ecgonin

Salicylsäuremethylester

"Wintergrünöl"

Esterfunktionen im Alkaloid 2R,5S-(–)-Cocain

tierischen Fette und Öle sind Ester aus dem dreiwertigen Alkohol Glycerol und langkettigen, vorwiegend unverzweigten, gesättigten und ungesättigten Carbonsäuren, den Fettsäuren, mit einer geraden Anzahl von C-Atomen. In den Molekülen natürlicher Fette und Öle sind oft verschiedene Fettsäuren, überwiegend mit 16 und 18 C-Atomen, verestert, z.B. Palmitinsäure (Hexadecansäure, C15H31COOH), Stearinsäure (Octadecansäure, C17H35COOH) und Ölsäure {Octadec-9-ensäure, C17H33COOH = CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7COOH}. Carbonsäureester werden nach (4) durch Alkoholyse reaktiver Carbonsäurederivate oder direkt aus Alkoholen und Carbonsäuren (vgl. Versuch 4-1) gebildet. Die klassische Esterbildung aus Alkoholen und Carbonsäuren ist eine säurekatalysierte Gleichgewichtsreaktion, eine spezielle Carbonylreaktion. Der Katalysator, ein Proton der Schwefelsäure, lagert sich am Sauerstoffatom der Carboxylgruppe der Carbonsäure an (5), wodurch sich am Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe eine positive Ladung ausbildet, die den nukleophilen Angriff des Alkoholsauerstoffs (6) erleichtert.

(5)

(6)

Aufgabe: Wo haben Sie im Praktikum dieses wichtige Katalyseprinzip für Carbonyl- reaktionen (Zusatz von starker Säure) bereits genutzt?

(7)

(8)

(9)

Durch Protonenwanderung, Wasserabspaltung (7) und Protonenabspaltung (8) entsteht der Ester. Beachten Sie, dass alle Teilschritte und somit auch der Gesamtprozess (9) reversibel sind. Die Rückreaktion hat als säurekatalysierte Esterhydrolyse Bedeutung.

R C O

OH R' OH H R C

O OH

O H R'

C OH

OH R

C OH

OH R

H r

+ r

r ₊ r

R C O R' OH

R C O

OH R'

OH H

R C O

OH R'

H O H

R C O

R' O

R C O R' OH

O H₂

H

r

r

+

r r

r

+

O

H R'

R C

O R' H₂SO₄ O

O H₂ R C

O

OH + +

Um möglichst hohe Ausbeuten an Ester zu erreichen, muss das Gleichgewicht (9) bei präparativen Umsetzungen auf die Seite der Endprodukte verschoben werden.

[Ester] [Wasser]

Alkohol + Carbonsäure

l

Die Verschiebung der Lage des Gleichgewichtes kann dadurch erfolgen, dass ein Ausgangs- produkt im Überschuß eingesetzt wird (z. B. die Carbonsäure) und ein Endprodukt (entweder der Ester oder das Wasser) ständig aus dem Reaktionsgemisch durch Destillation entfernt wird. Im heutigen Versuch 4-1 sollen Sie dies bei der Bildung des Essigsäure-n-butylesters (Butylacetat mit R = H3C und R‘ = CH2-CH2-CH3) anwenden.

Aufgaben: Formulieren Sie für die Esterbildung aus Essigsäure und n-Butanol die Reaktionsgleichung und das Massenwirkungsgesetz und erläutern Sie daran, durch welche Maßnahmen die Esterausbeute erhöht werden kann! Erläutern Sie am Mechanismus dieser Reaktion, welche Aufgabe die Schwefelsäure hat! Welche Derivate der Essigsäure hätten Sie zur Synthese von Essigsäure-n-butylester auch nutzen können? Machen Sie dazu zwei sinnvolle Vorschläge und formulieren Sie dazu die Reaktionsgleichungen!

Wo spielen Carbonsäureester in Natur und Technik eine Rolle? Nennen Sie einen biologisch wichtigen Essigsäureester!

Wie müssen Alkohol- und Carbonsäure-Komponente gebaut sein, um aus ihnen einen Polyester zu erhalten?

Wie nennt man die cyclischen intramolekularen Ester von Hydroxycarbonsäuren?

Formulieren Sie die Konstitutionsformel dieses Esters aus 4-Hydroxybutansäure (γ-Hydroxy- buttersäure)!

1.3. Salicylsäure als Esterkomponente

Salicylsäure, deren Name sich von der lateinischen Bezeichnung für die Silberweide, Salix alba, ableitet, ist die Muttersubstanz einer ganzen Familie von schmerzlindernden Mitteln.

Bereits im Altertum war die Wirkung der Weidenrinde bekannt, und diese Droge wurde recht weit verbreitet als Arzneimittel verwendet. Wirksames Prinzip ist hierbei Salicylsäure, die durch oxidative Metabolisierungsreaktionen aus o-Hydroxybenzylalkohol (Saligenin) nach Gleichung (11) entsteht. Dieser Alkohol kommt in Verbindung mit einem D-Glucosemolekül als das Glykosid Salicin in der Rinde dieses Baumes vor, das aber sehr leicht der Glykosid- spaltung (10) unterliegt. Die Blätter- und Rindenauszüge zahlreicher weiterer Bäume und Sträucher haben ähnliche pharmakologische Eigenschaften, die sich auf gleiche oder nahe verwandte Substanzen zurückführen lassen. Ursprünglich dienten deshalb Extrakte der Birkenrinde oder das Wintergrünöl dazu, Schmerzen zu lindern.

(10)

(11)

Aufgabe: Welche der Reaktion (10) ähnliche Glykosid-Spaltungen werden im Praktikum durchgeführt und wie werden sie katalysiert (vgl. Versuch 3)?

Die nach Gleichung (11) erhaltene freie Salicylsäure besitzt jedoch nur eine geringe pharmazeutische Wirksamkeit.

Deshalb werden vorwiegend Derivate der Salicylsäure als Pharmaka verwendet. Zu ihrer Derivatisierung gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten, denn chemisch ist Salicylsäure aufgrund ihrer funktionellen Gruppen einerseits eine substituierte aromatische Carbonsäure, andererseits ein substituiertes Phenol:

Letzteres kann mit seiner OH-Funktion als sehr schwachem nukleophilen Zentrum ähnlich wie die Alkohole {vgl. (4)} verestert werden. Jedoch muss das pharmazeutisch wichtigste Derivat die Acetylsalicylsäure, ein Essigsäureester, aus Salicylsäure und reaktiven Essigsäure- derivaten (z. B. Acetanhydrid) hergestellt werden. Acetylsalicylsäure wirkt als Analgetikum, Antipyretikum, Antirheumatikum und als Thrombozyten-Aggregationshemmer. Sie wird deshalb auch prophylaktisch gegen Thrombose eingesetzt, ohne die Blutgerinnung zu behindern.

Am bekanntesten ist Acetylsalicylsäure weltweit unter dem Namen Aspirin® (BAYER-AG).

Als eines der ältesten synthetischen Arzneimittel liegt es mit einer geschätzten Produktions- menge von 52000 Tonnen pro Jahr bei relativ niedrigem Preis mengenmäßig an der Spitze.

(Der Name Aspirin wird in den meisten Ländern als Gattungsbegriff verwendet, in einigen jedoch als geschütztes Warenzeichen).

Durch Veresterung der Carbonsäure-Funktion der Salicylsäure mit Alkoholen wie Glycol oder Ethanol erhält man analgetische und antiphlogistische Wirkstoffe (z. B. 2-Hydroxyethyl-

OH COOH

= Phenol = Arylrest-OH = ArOH OH

CH₂OH H₂O

OH + COOH

- 4 Hr - 4 es

CH₂OH H

H H H O

H HO O

CH₂ O OH

H

OH

O H₂

OH

CH₂OH H

H H H O

H OH

O H

CH₂ O OH

H

OH

Salicin

+

+

Saligenin

salicylat), die als Einreibungen in Salben- oder Gelform angewendet werden:

Solche Ester der Salicylsäure mit kurzkettigen Alkoholen haben alle einen ähnlichen, sehr charakteristischen Geruch nach Einreibungsmitteln, der sehr gut beim Methylsalicylat, (vgl.

Versuch 4-2) wahrnehmbar ist. Dieser früher ausschließlich aus dem amerikanischen Wintergrün, Gaultheria procumbens L., gewonnene und deshalb auch als Wintergrünöl bekannte Wirkstoff wird heute wegen seiner Nebenwirkungen und geltenden Anwendungs- beschränkungen wenig verwendet (zum Teil noch in durchblutungsfördernden Badzusätzen).

Die Veresterung der Carbonsäure-Funktion der Salicylsäure mit Phenol liefert Salol, Phenylsalicylat, den antiseptischen Inhaltsstoff vieler Mundwässer:

Technisch gewinnt man Salicylsäure durch Einwirkung von Kohlendioxid auf trockenes Natriumphenolat (Anion I) bei 120 – 140 ^o C und 5 – 6 bar (12), ein Verfahren, das als KOLBE-SCHMITT-Synthese 1885 erstmals in Dresden-Radebeul realisiert wurde:

(12)

I II

Es wird Natriumsalicylat (Anion II) erhalten, aus dem mit Salzsäure (vgl. Versuch 4-2) Salicylsäure freigesetzt wird.

Aufgaben: Warum ist das unreaktive Kohlendioxid als sehr schwaches Elektrophil in der Lage nach Gleichung (12) zu reagieren? Benennen Sie den Reaktionstyp des Carboxy- lierungsschrittes (erster Schritt) in Gleichung (12)! Zu welchen Stoffklassen kann man Acetylsalicylsäure und Salicylsäuremethylester rechnen? Erläutern Sie, wie sich beide Substanzen aus Salicylsäure herstellen lassen und die Ursache der Unterschiede bei den Bildungsreaktionen?

1.4. Esterhydrolyse – Verseifung

Die Rückreaktion in der Gleichung (9) ist die säurekatalysierte Esterhydrolyse, die wie die Esterbildung als Hinreaktion eine typische Gleichgewichtsreaktion ist. Um Carbonsäuren in guten Ausbeuten durch solche Hydrolysen zu gewinnen, kann man zwar die Gleich-

OH C O

O C H₂

C H₂

OH

OH C O

O

COOH OH

COO O OH

H₃O O H₂

CO₂ s + r

s

- +

gewichtslage mit den üblichen Methoden beeinflussen, wird aber schwer Umsätze von fast 100% erreichen.

Allerdings gewinnen die Menschen schon seit mehr als 4000 Jahren Carbonsäuren bzw. deren Salze aus natürlich vorkommenden Carbonsäureestern durch Hydrolyse in sehr guten Ausbeuten, wobei vollständige Umsätze der Ester erreicht werden. Gemeint ist die Gewinnung von Seifen, den Alkalisalzen der Fettsäuren aus tierischen und pflanzlichen Fetten (eine Technologie der alten Ägypter). Ausgenutzt wird dabei, dass die alkalische Hydrolyse von Carbonsäureestern, die Verseifung¹⁾, praktisch irreversibel verläuft, wodurch quantitative Umsetzungen möglich werden, da keine Rückreaktion mehr stattfindet. Die Rückreaktion {Esterbildung entsprechend (9)}, die nur im Sauren möglich ist, wird, wie es aus (6) ersichtlich ist, durch den nukleophilen Angriff des Alkohols am C-Atom der Carboxylgruppe eingeleitet. Im Alkalischen entstehen jedoch immer die Salze der Carbonsäuren, die als Anion die negativ geladene Carboxylat-Gruppe –COO⁰ besitzen, an der der Angriff von Nukleophilen unmöglich ist. Dadurch wird der Eliminierungsschritt der alkalischen Hydrolyse (13) irreversibel und somit auch die gesamte Verseifungsreaktion.

(13)

Generell gilt, dass Carboxylat-Anionen nicht elektrophil sind und deshalb keine Carbonsäure- derivatreaktionen eingehen. Sie nutzen die Verseifung von Methylsalicylat zur Synthese von Salicylsäure im Versuch 4-2. Dieser Prozess war vor der Realisierung der KOLBE- SCHMITT-Synthese (12) eine wichtige Quelle für Salicylsäure aus dem Wintergrünöl.

Das Alkaloid Cocain (siehe Seite 48), eine stark suchterzeugende, illegale Droge, hat zwei Carbonsäureesterfunktionen. Beim Kauen der Blätter des Coca-Strauches mit Kalk, wie bei den Indios der Anden üblich, werden diese verseift. Es entsteht das Alkaloid Ecgonin das als Droge selbst unwirksam ist.

Aufgabe: Nennen Sie 2 pharmakologische Wirkstoffe mit Salicylsäure als Esterkomponente und formulieren Sie deren Konstitutionsformel!

2. Versuchsaufgaben 2.1. Arbeitsorganisation

Zuerst wird Versuch 4-1 angesetzt. Die dazu benötigte 5%ige Bicarbonatlösung (NaHCO3 in Wasser) ist durch jede Gruppe selbst herzustellen! Während die Esterbildungsreaktion abläuft, führen Sie Versuch 4-2 durch.

1⁾ Anmerkung: Der Begriff Verseifung stammt zwar aus der Seifengewinnung, wird heute aber viel breiter ver- wendet! Man bezeichnet Hydrolysen in der organischen Chemie generell als Verseifung, unabhängig vom Substrat und vom pH-Wert, bei dem sie ablaufen.

R C O

O

OR' O H H

C O

OR'

R C

O O R

H O R' + ⁰

0

Ad^N E

0+

Achtung: Beim Erhitzen von Reagenzgläsern im Wasserbad (Versuch 4-2) sind diese sicher einzustellen, am besten einzuspannen, so dass ihre Öffnung vom Experimentator weg gerichtet ist!

Führen Sie die Versuche und das Absaugen aller Feststoffe unter dem Abzug aus!

2.2. Versuch 4-1: Synthese von Essigsäure-n-butylester (n-Butylacetat) Reaktionsgleichung:

(14)

Eisessig = 100%ige Essigsäure H₃C-COOH: C, R: 10-35, S: (1/2)-23-26-45;

Schwefelsäure H₂SO₄ konz.: C, R: 35, S: (1/2)-26-30-45;

n-Butanol C₄H₉OH: X_n, R: 10-22-37/38 S: (2)-7/9-13-26 (Sdp. 117 ^oC, D = 0,81 g cm^–3) -41-67, -37/39-46;

Chloroform CHCl₃: X_n, R: 22-38-40 S: (2)-36/37.

(Sdp. 61 ^OC, D = 1,49 g cm^–3, n_D = 1,4431/25 ^OC) -48/20/22, Versuchsdurchführung

In einen 500 ml Kolben gibt man 0,9 mol Essigsäure und 0,5 mol n-Butanol. (Die Carbonsäure wird im Überschuss eingesetzt, damit sich das n-Butanol vollständig umsetzt, da dieses sonst mit dem entstandenen Ester ein azeotropes Gemisch bildet. Überschüssige Carbonsäure ist leicht durch Auswaschen mit Wasser aus dem Reaktionsgemisch entfernbar.) Zum Einfüllen ist ein Trichter zu benutzen. Als Katalysator werden 3 ml konz. Schwefelsäure und als Wasserschleppmittel zur azeotropen Entfernung des bei der Umsetzung entstehenden Wassers 80 ml Chloroform zugesetzt. Zur Vermeidung von Siedeverzügen ist unbedingt ein Siedestein in den Kolben zu geben! Der Kolben wird in den Heizpilz eingesetzt (siehe Abb.1) und mit einer Stativklemme fest gespannt. Dabei ist stets darauf zu achten, dass keine Flüssigkeit oder Wasser in den Heizpilz gelangt! Danach wird der Wasserabscheider aufgesetzt und mit Chloroform gefüllt. Auf den Wasserabscheider setzt man einen Rückflusskühler. Dieser wird nur locker mit einer 3-Fingerklemme gehaltert (Klammer am Kühler nicht fest spannen), damit Kühler und Wasserabscheider mit dem eigenen Gewicht auf dem Kolben aufsitzen. Nach Anschluss der Kühlwasserschläuche wird der Kühlwasserstrom am Wasserhahn so einreguliert, dass sich das Wasserrad (Strömungswächter) am Kühlwasserablauf langsam aber stetig dreht.

+ HO CH₃ +

C H₃ C

O (CH₂)₃ CH₃ H₂SO₄ O

C H₃

C OH O

(CH₂)₃ H₂O

Essigsäure n-Butanol Essigsäure-n-butylester bzw.

Butylacetat

Abbildung 1 Apparatur zur Estersynthese

1 Siedekolben mit Reaktionsmischung und Siedestein, 2 Wasser- abscheider, 3 Rückflusskühler, 4 elektrischer Heizpilz auf Hebe- bühne, 5 Stativstange, 6 Kühlwasserzufluss, 7 Kühlwasser- ablauf, 8 Wasserablauf (Becherglas unterstellen), 9 Chloroform im Wasserabscheider, 10 Stativklemmen

Man erhitzt mit maximaler Heizleistung und lässt 50 min unter Rückfluss sieden. Das Reaktionsgemisch wird unter fließendem Wasser auf Zimmertemperatur abgekühlt und in einen Scheidetrichter, der im Stativring hängt (Abb.2), gegeben.

Abbildung 2 Extraktion der Reaktionsmischung im Scheidetrichter

Dabei ist unter dem Abzug zu arbeiten und stets darauf zu achten, dass beim Einfüllen von Flüssigkeit das Küken geschlossen ist und sich ein Becherglas unter dem Scheidetrichter befindet! Zum Reaktionsgemisch werden 75 ml Wasser gegeben. Der Stopfen wird aufgesetzt, mit einer Hand festgehalten und der Scheidetrichter aus dem Stativring genommen und um fast 180° gedreht, so dass der Trichterstiel schräg nach oben zur Abzugsrückwand zeigt.

Achtung: Trichterstiel nie auf Personen richten! Jetzt wird der Hahn geöffnet, um einen evtl.

Überdruck auszugleichen. Der Hahn wird geschlossen und durch kurzes, kräftiges Schütteln des Scheidetrichters werden die beiden Phasen durchmischt und in Ruhestellung sofort der

Hahn wieder geöffnet, um einen evtl. Überdruck auszugleichen. Diese Prozedur wird mehrfach wiederholt. Man hängt danach den Scheidetrichter in den Stativring, entfernt sofort den Stopfen und wartet, bis sich die beiden Phasen getrennt haben. Durch vorsichtiges Öffnen des Hahnes wird die untere Phase in das Becherglas abgelassen. Bevor die wässrige Phase verworfen wird, ist zu prüfen, dass diese tatsächlich die wässrige Phase ist. Die Prüfung erfolgt durch Wasserzugabe. Mischt sich die Phase mit Wasser, dann ist sie die wässrige Phase und kann entsorgt werden. Die organische Phase wird aus dem Becherglas in den Scheidetrichter zurück gegossen. Zur organischen Phase im Scheidetrichter gießt man 100 ml einer 5%igen Bicarbonatlösung.

Vorsicht: Die organische Phase ist sauer! Es bildet sich jetzt CO2. Scheidetrichter mit Stopfen verschließen. Vorsichtig den Scheidetrichter unter Festhalten des Stopfens um 180° drehen und sofort den Hahn öffnen. Jetzt bei offenem Hahn die beiden Phasen vorsichtig durch Schwenken des Scheidetrichters durchmischen. CO2-Entwicklung beachten! Erst wenn nur noch sehr wenig CO2 entwickelt wird, Hahn schließen und weiter verfahren, wie beim Waschen mit Wasser beschrieben wurde. (Dabei nur in sehr kurzen Intervallen schütteln und in Ruhestellung sofort den Hahn öffnen! CO2 entweicht zischend!) Nach dem Entsorgen der Bicarbonatwaschlösung ist nochmals mit Wasser zu waschen.

Aufgaben: Welche Substanzen sind vor der Extraktion im Reaktionsgemisch? Erklären Sie mit Hilfe des Nernstschen Verteilungsgesetzes, warum die org. Phase nach Waschen mit Wasser noch Säure enthält! Welche chemische Reaktion läuft bei der CO2-Bildung im Scheidetrichter ab (Reaktionsgleichung)? Welche Stoffe befinden sich in der organischen Phase nach der Extraktion?

Die organische Phase wird in einen 500 ml Kolben gefüllt, ein Siedestein zugegeben und eine Destillationsapparatur (Abb.3) aufgebaut. Die Schliffe sind leicht zu fetten und alle Schliffe am Kühler und am Destillationsvorstoß mit Schliffklammern zu sichern! Zur Destillation wird zuerst mit maximaler Heizleistung erwärmt. Der Destillationsvorlauf wird im 250 ml Kolben aufgefangen. Es destilliert zuerst das Chloroform (niedrigster Siedepunkt) über, wobei auch Wasserreste mitdestillieren. Wenn das Thermometer 70 °C anzeigt, wird die Heizleistung am Schalter des Heizpilzes reduziert. Bei 121 °C wird die Vorlage gewechselt. Man entfernt den Kolben, dreht den Vorstoß um 180° nach oben, setzt einen sauberen und trockenen Kolben, welcher vorher abgewogen wurde, auf den Vorstoß und dreht diesen wieder nach unten. Es wird Essigsäure-n-butylester destilliert, bis das Thermometer 127 °C anzeigt. Ein kleiner Rest Flüssigkeit muß immer im Siedekolben verbleiben! Der Kolben mit dem Ester ist zu wägen und dem Assistenten abzugeben. Siedepunkt (Siedeintervall), Brechungsindex und Ausbeute des Esters sind im Protokoll zu vermerken.

Abbildung 3 Normaldruckdestillation von Essigsäure-n-butylester

1 Destillationskolben mit organischer Phase und kleinem Siedestein, 2 Destillationsaufsatz, 3 Thermometer, 4 Liebigkühler, 5 Destillationsvorstoß, 6 Destillationsvorlage, 7 Kühlwasserzulauf, 8 Kühlwasserablauf, 9 Stativring mit Drahtnetz oder Hebebühne mit Korkring, 10 Heizpilz auf der Hebebühne, 11 Klemme, 12 Dreifingerklemme, 13 Stative. Die mit S gekennzeichneten Schliffverbindungen sind unbedingt durch Schliffklammern zu sichern!

Die Bestimmung des Brechungsindex von organischen Flüssigkeiten – Refraktometrie – eine wichtige Methode zur Reinheitskontrolle:

Zur Bestimmung des Brechungsindex n_D, einer Flüssigkeit steht das ABBE-Refraktometer zur Verfügung, das beim Arbeiten mit gewöhnlichem weißem Licht (z. B. Tageslicht) durch Messung eines Winkels (des Grenzwinkels der Totalreflexion) die direkte Ablesung des Wertes für n_D bei einer bestimmten Temperatur (meist 20 °C) gestattet. Die zu vermessende Flüssigkeit wird vorsichtig, z. B. durch Auftropfen, in den Zwischenraum des aufklappbaren Doppelprismas gebracht. Dann wird das Beobachtungsfernrohr gegenüber dem Prismensatz gedreht, bis die Grenzlinie zwischen dem hellen und dem dunklen Teil des Gesichtsfeldes die Mitte des Fadenkreuzes trifft. Ein farbiger Saum der Grenzlinie, der wegen der Verwendung

nichtmonochromatischen Lichtes entsteht, kann durch Drehen eines Kompensators im Tubus des Beobachtungsfernrohres beseitigt werden. Dann werden der Brechungsindex und die Temperatur abgelesen und protokolliert. Je besser der ermittelte Brechungsindex mit dem Literaturwert nD für den Ester bei 20 °C (aus Tabellenwerken zu entnehmen) übereinstimmt, umso reiner ist der gewonnene Ester.

Die empfindlichen Prismen werden nach jeder Messung mit Watte oder einem weichen Tuch unter Benutzung geeigneter Lösungsmittel (z. B. Methanol, Cyclohexan, Ether) vorsichtig, aber ausgiebig gereinigt und anschließend im aufgeklappten Zustand an der Luft getrocknet.

Entsorgung: Alle wässrigen Phasen aus dem Scheidetrichter in das chemisch kontaminierte Abwasser und das abdestillierte Chloroform in die Vorratsflasche "Chloroform gebraucht"!

2.3. Versuch 4-2: Synthese von Salicylsäure – Verseifung von Methylsalicylat Reagenzien:

Methylsalicylat: Xn, R: 22-36, S: 24-26;

Kalilauge 4N KOH: C, R: 22-35, S: (1/2)-26-36/37/39-45;

Salzsäure (halbkonz.) HCl: Xi, R: 36/37/38; S: (1/2)-26-45.

.Reaktionsgleichung:

(15)

Methylsalicylat (= Salicylsäuremethylester) ist Bestandteil von Einreibungen, wie am Geruch leicht feststellbar ist.

Das bei der Verseifung gebildete Kaliumsalz ist wasserlöslich. Wird diese Salzlösung mit Salzsäure versetzt (die stärkere Salzsäure verdrängt die schwächere Salicylsäure aus ihrem Salz) fällt die Salicylsäure, da diese in Wasser schlecht löslich ist, aus [Gleichung (16)] und kann als Festsubstanz isoliert werden.

(16)

+ KOH s Kr+

Salicylsäure- methylester

Kaliumsalicylat OH

C O

O CH₃

OH C O

O HOCH₃

Kr s

+ HCl + KCl

Salicylsäure OH C O

OH OH

C O

O

Arbeitsvorschrift

0,5 ml = 15 Tropfen Salicylsäuremethylester werden in ein Reagenzglas gefüllt und mit 5 ml 4 N Kalilauge versetzt. (0,5 ml = 15 Tropfen! Das gilt näherungsweise immer und wird zur Abmessung kleiner Reagenzvolumina auch in anderen Versuchen genutzt.) Das Reagenzglas wird in das siedende Wasserbad gestellt und der Inhalt gelegentlich mit einem Glasstab umgerührt. Nach etwa 10 min ist der Salicylsäureestergeruch verschwunden. Das Reagenz- glas wird unter fließendem Wasser abgekühlt, der Inhalt in ein 50 ml Becherglas überführt und unter Umrühren mit einem Glasstab mit 5-10ml halbkonz. Salzsäure angesäuert. Der dabei ausfallende Niederschlag wird mit einem Hirschtrichter (siehe Abb. 2 im Vers. 3, Seite 41) abgesaugt, mit 3 ml Eiswasser gewaschen und erneut scharf abgesaugt und im Hirschtrichter abgepresst. Eine kleine Probe wird auf die Tonplatte gebracht, mit dem Spatel angepresst und dann einige Minuten an der Luft auf der Tonplatte getrocknet. Von dieser Probe ist das Schmelzintervall zu bestimmen und der Nachweis der freien Phenolgruppe mit FeCl3-Lösung durchzuführen: Enole und Phenole bilden mit wässrigem Eisen(III)chlorid Lösungen farbige Salze oder Komplexe. Salicylsäure ist ein substituiertes Phenol (=

substituierter aromatischer Alkohol) und liefert mit FeCl3 eine violett gefärbte Lösung. (Dabei liegt ein farbiger Chelat-Komplex vor, denn p-Hydroxybenzoesäure gibt diese Farbe nicht.) Geben Sie eine Spatelspitze Ihrer dargestellten Salicylsäure in ein Reagenzglas und dazu etwa 2 ml Wasser. Sie schütteln ca. 15 Sekunden (Säure muss sich nicht vollständig lösen) und versetzen mit einem Tropfen FeCl3-Lösung und schütteln kurz.

Entsorgung: Alles in das Abwasser (Ausguss)!

Aufgaben: Erklären Sie, wie man eine Esterhydrolyse reversibel, d. h. als Gleichgewichts- reaktion, durchführen kann. Erläutern Sie genau, warum die Rückreaktion bei der Reaktion (15) nicht erfolgt. (Welcher Teilschritt der dazu notwendigen Carbonylreaktion ist nicht möglich?)

Erklären Sie die Nomenklatur der Ester (beide Möglichkeiten) an im Versuch benutzten Estern. Benennen Sie die Isomeren (C9H10O2) Ph-COO-CH2-CH3 und H3C-CH2-COO-Ph nach beiden Möglichkeiten der Esternomenklatur! Was für eine Isomerie liegt zwischen beiden Isomeren vor?

Wie entstehen Ester anorganischer Säuren?

An welchen Parametern kann man die Reinheit von organischen Flüssigkeiten kontrollieren?

Nennen und erläutern Sie mindestens 3 leicht zu ermittelnde Parameter die als Reinheitskriterien genutzt werden.

Was ist Bicarbonat, was ist Soda? Wie erhält man die im Versuch 4-1 benötigte 5%ige Bicarbonatlösung? Beschreiben Sie Ihr Vorgehen, wie Sie diese selbst herstellen!

Protokoll

Datum Name

Versuch 4: Carbonsäurederivate I – Carbonsäureester Versuchsaufgaben:

Versuch 4-1: Synthese von Essigsäure-n-butylester (n-Butylacetat) Reaktionsgleichung²⁾ :

Molmassen :

Ansatzgröße :

Kurze Erläuterung Ihrer Beobachtungen, evtl. Abweichungen vom vorgegebenen Versuchsablauf:

Ergebnisse:

Siedebeginn: ^OC,

Esterhauptfraktion geschnitten von ^OC bis ^OC,

nD = , bestimmt bei ^OC; Literaturwert zum Vergleich: nD = 1,3914/25 ^OC

Ausbeute: (In Gramm und Prozent der theoretisch möglichen Menge angeben. Dabei wird angenommen, dass bezogen auf das eingesetzte n-Butanol ein 100%iger Umsatz erfolgt).

Weitere Substanzeigenschaften: (Farbe, Aggregatzustand, Geruch, Mischbarkeit mit Wasser, etc).

Versuch 4-2: Synthese von Salicylsäure – Verseifung von Methylsalicylat

Beide Reaktionsgleichungen unter Verwendung von Konstitutionsformeln! Kurze Erläuterung Ihrer Beobachtungen, Angaben zu den Eigenschaftsänderungen durch die Verseifung, zum Schmelzintervall, Form und Farbe der Kristalle und zur FeCl3-Reaktion der Salicylsäure!

2⁾unter Verwendung von Konstitutionsformeln!