Präparat 5 - Christopher Gallian, Diplom-Ingenieur der Chemischen ...

Name: Gallian Studiengang: Chemische Technik (4T) Datum: 21.12.04
Vorname: Christopher Matrikelnummer: 0321296 Seite: 1 von 4
Präparat: 5 Produkt: Bernsteinsäurediethylester durchgeführt: 16.11.04
Präparat 5: Säurekatalysierte Veresterung von Bersteinsäure zu
Bernsteinsäurediethylether – Bindung des Reaktionswassers durch
wasserentziehende Mittel.
1. Literaturangaben
[1] K.P.C. Vollhard, N.E. Schore
Organische Chemie - 3. Auflage
Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000, Seite 916
[2] Organikum
Organisch-chemisches Grundpraktikum - 20. Auflage
Johann Ambrosius Barth Verlag Heidelberg - Leipzig, 1996, Seite 442 ff
2. Reaktionsmechanismus und Reaktionsgleichung
2.1. Mechanismus der Veresterung (säurekatalysiert)
(1) Protonierung des doppelt
gebundenen Sauerstoffs
(4) Deprotonierung
H2SO4
- H2O
- 1 -
(2) nucleophiler Angriff des
Ethanols unter Bildung eines
tetraedrischen Zwischenzustands
(3) Abspaltung von Wasser

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Vorname: Christopher Matrikelnummer: 0321296 Seite: 2 von 4
Präparat: 5 Produkt: Bernsteinsäurediethylester durchgeführt: 16.11.04
2.2. Reaktionsgleichung
3. Ansatz
H2SO4
118 g/mol 46 g/mol 174 g/mol 18 g/mol
Substanz Molmasse Dichte
[g/mol] [g/cm 3 Stoffmenge Masse Volumen
] [mol] [g] [ml]
Bernsteinsäure 118,09 - - - 0,10 11,8 - - -
Ethanol, absolut 46,07 0,79 1,00 46,0 60
Schwefelsäure, konz. 98,09 1,84 0,04 4,0 2
4. Versuchsdurchführung
4.1. Aufbau der Reaktionsapparatur:
Die Reaktionsapparatur besteht aus einem 250ml Dreihalskolben mit KPG-Rührer
Tropftrichter, Rückflusskühler und Innenthermometer. Zum erhitzen der Lösung dient ein
Heizpilz.
4.2. Durchführung:
Die Bernsteinsäure wird im Dreihalskolben in Ethanol gelöst. Danach wird unter Rühren mit
einer Pipette die Schwefelsäure hinzu gegeben. Die Apparatur wir dann mit dem Heizpilz
zum Sieden gebracht (80°C) und für drei Stunden am Rückfluss gekocht. Über den gesamten
Reaktionsverlauf hinweg werden keine sichtbaren Veränderungen des Reaktionsgemisches
erkannt.
4.3. Reinigung des Produkts:
Überschüssiges Ethanol muss Abdestilliert werden danach muss der Destillationsrückstand
durch Waschen, Trocknen und eine Vakuumdestillation aufarbeitet werden.
4.3.1. Aufbau der Destillationsapparatur
Destillationskolben dient eine 250ml Rundkolben. Über eine Claisenaufsatz wird der Kolben
mit dem Liebigkühler verbunden. Der Claisenaufsatz wird mit einem Glasstopfen und einem
Destillationsthermometer versehen. An das Ende des Liebigkühlers wird zum auffangen des
abdestillierten Ethanols ein 100ml Rundkolben befestigt. Die Lösung wird mit einem
Magnetrührer gerührt und mit einem Heizpils erhitzt.
Bei der Vakuumdestillation verwendet man den Selben Aufbau. Das Vakuum wird durch eine
Wasserstrahlpumpe erzeugt. Zwischen Wasserstrahlpumpe und Apparatur wird ein Manometer
geschaltet.
4.3.2. Abdestillieren des Ethanols:
Die Lösung wird zum Sieden gebraucht, wobei sie bei einer Temperatur um 90°C übergeht.
Nachdem kein Destillat mehr über geht wird der Heizpilz entfernt. Die Lösung hat sich
dunkel gefärbt. Sie wurde überhitzt.
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4.3.3. Waschen, Extrahieren, Neutralisieren, Trocknen:
Der Destillationsrückstand wird in 100ml Eiswasser gegossen. Danach wird die Lösung mit
Diethylether ausgeschüttelt. Die dunklen verschmutzen Partikel verbleiben dabei in der
wässrigen Phase. Die Etherphase verbleibt Farblos.
Die Etherphase wird abgetrennt und mit Natriumcarbonat-Lösung Säurefrei gewaschen. Die
Natriumcarbonat-Lösung wird abgetrennt. Es wird erneut mit Wasser gewaschen. Dann wird
auch das Wasser abgetrennt und die Etherphase wird mit Natriumsulfat (wasserfrei)
getrocknet.
Der Ether wird über den Rotationsverdampfer abgezogen.
4.3.4. Durchführung der Vakuumdestillation:
Der Etherfreie Rückstand wird in einen 100ml Rundkolben gegeben. Nach anlegen des
Vakuums stellt sich ein druck zwischen 10 und 20mbar ein. Die Lösung wird erhitzt. Bei etwa
100°C geht der Ester über.
5. Auswertung
Es gehen nur 3,3g des Esters über. Bei einer theoretischen Ausbeute von 11,8g (100%) beträgt
die tatsächliche Ausbeute nur 28%. Da die Lösung beim Abdestillieren des Ethanols durch
überhitzen wohl Teilweise zersetzt wurde resultierte diese geringe Ausbeute. Es wäre besser
gewesen das Ethanol unter milderen Bedingungen über den Rotationsverdampfer abzuziehen.
6. Durchschnittliche Ausbeuteberechnung der Synthesevarianten
Variante
A Variante B Variante C
Matrikelnummer g % g % g %
032 17 14 - - - - 8,8 61,1
022 22 83 - - - - 9,0 62,0
032 24 48 3,6 21,0 - - - -
031 12 05 - - - - 8,4 58,0
032 13 72 - - - - 9,5 67,0
021 13 57 - - - - 7,7 53,0
032 07 43 10,5 60,4 - - - -
031 03 72 - - 14,0 80,4 - -
032 12 95 - - - - 11,1 77,1
032 12 96 3,3 28 - - - -
032 21 56 - - 12,6 72,4 - -
032 12 93 5,7 32,7
032 08 75 9,6 55,1 - - - -
durchschnittliche Ausbeute
6,5 42,3 13,3 76,4 9,1 63,0
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7. Vergleich der verschiedenen Arbeitsvorschriften zur Veresterung.
Für das Präparat 5 wurden drei verschiedene Arbeitsvorschriften vorgestellt. Die Veresterung
unter Bindung des Reaktionswassers mit wasserentziehenden Mitteln, die Azeotrope
Veresterung und die Estersynthese aus Anhydriden. Eine weitere Möglichkeit der Veresterung
bietet noch die extraktive Veresterung.
Das Gleichgewicht der Veresterung lässt sich durch Wasserentzug zur Seite des Esters hin
verschieben. Auch ein Arbeiten unter Alkoholüberschuss Verschiebt das Gleichgewicht zum
Ester. Ein ständiger Abzug des Esters aus der Reaktion ist ebenfalls eine Möglichkeit um das
Gleichgewicht zum Ester hin zu verschieben.
7.1. Bindung des Reaktionswassers mit wasserentziehenden Mitteln:
Bei dieser Variante wird das Reaktionswasser durch die zugesetzte Schwefelsäure gebunden.
Das Wasser geht dabei mit der Schwefelsäure Wasserstoffbrücken-Bindungen ein und wird
dadurch fest gehalten. Das Wasser wird jedoch nicht komplett aus dem Reaktionsgemisch
entfernt. Es somit dennoch die Reaktion beeinflussen. Deshalb eignet sich dieses Verfahren
nicht für große Ansätze, da die Säure nur eine kleine Menge Wasser binden kann. Es muss
absolut Ethanol verwendet werden, das im Gegensatz zu herkömmlichem Ethanol teurer ist.
7.2. Azeotrope Veresterung:
Bei der Azeotropen Veresterung wird das Reaktionswasser durch einen Schlepper der
Reaktionslösung kontinuierlich entzogen. Als Schlepper wird Chloroform verwendet.
Chloroform, Ethanol und Wasser bilden ein azeotropes Gemisch. Das Gemisch geht bei einer
gewissen Temperatur über und kondensiert dann an einem Wasserabscheider. Da Wasser in
Chloroform unlöslich ist scheidet es sich hier ab und wird somit der Gesamtreaktion
entzogen. Das Chloroform fließt mit dem Ethanol wieder zurück in die Reaktionsapparatur.
Bei dieser Variante wird nur eine katalytische Menge an Schwefelsäure und eine geringe
Menge an Ethanol benötigt. Außerdem muss das Ethanol nicht wasserfrei sein. Es wird
jedoch der Einsatz von Chloroform notwendig, welches nach vollendeter Reaktion zusammen
mit dem Ethanol noch abrotiert werden muss.
7.3. Estersynthese aus Anhydriden:
Carbonsäureanhydride zerfallen in Anwesenheit von Wasser zu den jeweiligen Carbonsäuren.
Bei der Veresterung der Carbonsäureanhydride entsteht der Ester und die Carbonsäure, die
dann weiter unter Wasserabspaltung zum Ester reagiert. Diese Art der Veresterung ist nur mit
Carbonsäureanhydriden möglich. Der Vorteil liegt darin, dass nur die Hälfte an
Reaktionswasser entsteht. Es muss mit Wasserfreiem Alkohol gearbeitet werden.
7.4. Extraktive Veresterung:
Bei der Extraktiven Veresterung wird der Ester durch einen Schlepper entzogen, der nur
wenig Wasser löst. Das Wasser verbleibt im Reaktionsgemisch der Ester wird kontinuierlich
entzogen. Dies führt dazu, dass das Reaktionsgleichgewicht nach rechts verschoben wird. Die
extraktive Veresterung eignet sich zur Darstellung von Methylestern. Methylester können
nicht durch Azeotrope Veresterung gebildet werden, da Methanol mit dem Schlepper in
solcher Menge übergeht, dass keine Phasentrennung im Wasserabscheider erfolgt.
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