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Carbonsäureester
Carbonsäureester (R 1–COO–R 2) sind Ester, die formal aus einer Carbonsäure (R 1–COOH) und einem Alkohol bzw. einem Phenol (R 2-OH) zusammengesetzt sind …
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Grundaufbau und wichtige Formen
Carbonsäureester haben die allgemeine Struktur R¹–COO–R². Sie entstehen formal aus einer Carbonsäure R¹–COOH und einem Alkohol oder Phenol R²–OH; R¹ und R² sind Organylgruppen, wobei R¹ auch ein Wasserstoffatom sein kann. Die Estergruppe enthält die Verknüpfung –COO–.
Kurzkettige Ester aus Monocarbonsäuren und Alkoholen sind häufig wohlriechende Bestandteile ätherischer Öle und werden Fruchtester genannt. Essigsäureethylester ist ein oft verwendetes Lösungsmittel. Ester aus langkettigen Fettsäuren und langkettigen Alkoholen kommen in natürlichen Wachsen vor.
Fette und Öle sind dreifache Ester, die Triglyceride heißen. Sie bestehen aus dem Triol Glycerin und drei gleichen oder unterschiedlichen Fettsäuren. Lactone sind cyclische, also ringförmige Ester. Sie können sich innerhalb eines Moleküls bilden, wenn Carboxygruppe und Hydroxygruppe im passenden Abstand vorliegen; γ-Butyrolacton entsteht beispielsweise aus γ-Hydroxybuttersäure. Polyester sind polymere Carbonsäureester; sie können aus Dicarbonsäuren und Diolen oder aus geeigneten Lactonen entstehen.
Namen und Strukturteile
Ein Carbonsäureester besitzt einen Carbonsäureteil und einen Alkoholteil. Trivialnamen können den Aufbau deutlich machen: Essigsäureethylester setzt sich aus Essigsäure, dem Ethylrest des Ethanols und „Ester“ zusammen.
Ein anderer Trivialname fasst den Ester als Salz der Carbonsäure auf. Der Ethanolester der Essigsäure heißt dann Ethylacetat. Diese Benennung ist kurz, beschreibt den Aufbau aber weniger deutlich.
Der systematische Name lautet Ethylethanoat. Er folgt dem Prinzip „Rest des Alkohols (= Ethyl) + Grundkörper der Säure (= Ethan) + oat“. Das Suffix „R-oat“ darf nicht verwendet werden, wenn eine funktionelle Gruppe höherer Priorität vorhanden ist, etwa eine Säure oder ein Kation. Dann wird der Ester mit dem Präfix R-oxycarbonyl- bezeichnet.
Eigenschaften und Beispiele
Die Carbonsäureester-Gruppe ist wegen der Elektronegativitätsdifferenz zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff polar. Dadurch sind grundsätzlich Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser und damit Wasserlöslichkeit möglich. Wie gut sich ein Ester löst, bestimmen jedoch vor allem die organischen Reste: Von Essigsäuremethylester lösen sich etwa 250 g/l in Wasser, von Essigsäurebutylester nur etwa 10 g/l. Bei genügend unpolaren Resten ist die Wasserlöslichkeit sehr gering. Die meisten Ester sind hydrophob und liegen als Öle oder Wachse vor.
Kurzkettige Carbonsäureester haben bei vergleichbarer molarer Masse wesentlich niedrigere Siedepunkte als Alkohole oder Carbonsäuren. Anders als diese können sie keine starken Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.
Beispiele sind Essigsäuremethylester, Essigsäureethylester und Essigsäurebutylester. Ein Triglycerid kann aus Capronsäure beziehungsweise Hexansäure und Glycerin gebildet werden. Polyethylenterephthalat (PET) ist ein Polyester aus Terephthalsäure und Ethylenglycol.
Herstellung und Umesterung
Bei der Veresterung reagieren Alkohol und Carbonsäure zu einem Carbonsäureester. Eine Säure wirkt als Katalysator, also als Stoff, der die Reaktion beschleunigt, ohne dabei verbraucht zu werden. Die Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion. Entfernt man das entstehende Wasser, etwa durch azeotrope Destillation oder ein Molekularsieb, verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung Ester.
Auch Carbonsäureanhydride und Carbonsäurechloride können mit passenden Reaktionen Ester bilden. Bei der Umesterung wird der Alkoholteil eines Esters gegen einen anderen Alkohol ausgetauscht. Technisch wird dies beispielsweise genutzt, um aus Rapsöl Methylester der Fettsäuren für Biodiesel herzustellen.
Bei der Baeyer-Villiger-Oxidation werden Ketone mit Percarbonsäuren zu Carbonsäureestern umgesetzt.
Spaltung und weitere Reaktivität
Ester lassen sich hydrolytisch oder pyrolytisch spalten. Bei einer sauren Hydrolyse entstehen Alkohol und Carbonsäure. Bei basischer Spaltung entstehen Alkohol und das Carboxylat-Anion. Die basische Esterspaltung heißt Verseifung: Aus Fetten und Ölen entstehen dabei Alkalisalze der Fettsäuren, also Seifen.
Auch Lipasen, eine Enzymgruppe mit wichtiger Funktion bei der Fettverdauung, können Ester spalten. Waschmittel mit Lipasen spalten wasserunlösliche Fettreste auf Textilien zu leidlich wasserlöslichen Fettsäuren und gut wasserlöslichem Glycerin. Bei der stereoselektiven Spaltung eines Enantiomers racemischer Carbonsäureester bleibt das zweite Enantiomer unverändert; dies ermöglicht eine Racemat-Trennung zur Gewinnung enantiomerenreiner Carbonsäuren oder Alkohole.
Ester sind keine Säuren, aber C,H-acide Verbindungen: Sehr starke Basen können ein Proton am α-Kohlenstoffatom abstrahieren. Es entsteht ein mesomeriestabilisiertes Enolat, beispielsweise mit Lithiumdiisopropylamid (LDA).
Herkunft der Atome und Anwendungen
Bei der üblichen Esterbildung aus Carbonsäure und Alkohol stammt der Alkoholteil einschließlich des verbleibenden Sauerstoffatoms aus dem Alkohol; der andere Teil stammt aus der Carbonsäure. Dies ist durch Isotopenmarkierung mit dem Sauerstoffisotop ¹⁸O belegbar. Werden Ester aus Carboxylaten und Alkylierungsmitteln gebildet, stammt dieser Sauerstoff dagegen aus der Carbonsäure.
Bei saurer oder basischer Esterspaltung enthält der gebildete Alkohol den genannten Sauerstoff. Eine Ausnahme ist die saure Spaltung von Estern tertiärer Alkohole: Aus dem Alkoholteil entsteht dabei ein Alken durch eine E1-Reaktion.
Früchte enthalten verschiedene Carbonsäureester, etwa (S)-2-Methylbuttersäure-ethylester in Ananas, Essigsäureamylester in Bananen und Birnen sowie Buttersäureethylester und Hexansäureethylester in Erdbeeren oder Passionsfrucht. Ethylacetat wird als Extraktionsmittel zur Entkoffeinierung von Kaffeebohnen verwendet.
