Ester (Chemie)

ester.png Ester bilden eine Stoffgruppe organischer Verbindungen, die formal oder tatsächlich durch die Reaktion einer Säure und eines Alkohols unter Abspaltung von Wasser (eine Kondensationsreaktion) entstehen. Es gibt Ester von organischen Säuren (z. B. Carbonsäuren, Sulfonsäuren) und solche von anorganischen Säuren (z. B. Phosphorsäure, Borsäure).

Etymologisch leitet sich die Bezeichnung Ester von Essig-Äther ab, ein historischer Name für das Ethylacetat. Im Gegensatz zu Essigsäure ist Ethylacetat leicht entzündlich, nicht mit Wasser mischbar und seine Dämpfe wirken betäubend, ähnlich denen von "Äther" (Diethylether). Diese Ähnlichkeit sollte sich im Namen Essigäther (ein Äther-artiger Stoff aus Essig) widerspiegeln.

Es gibt sogar Ester von Säuren, die als freie Säuren instabil sind und nur als Derivate existieren können (z. B. Orthokohlensäureester). Auf der anderen Seite kommt es auch vor, dass die Alkoholkomponente eines Esters als freie Verbindung nicht existiert, da sie sich umlagern würde, und nur durch die Esterverbindung mit einer Säure stabilisiert wird (z. B. Vinylacetat).

Nomenklatur und Strukturerklärung

Ester_Teile.png

Der abgebildete Ester heißt Essigsäureethylester oder Ethylacetat. Der systematische Name dieses Esters ist Ethylethanoat und wird nach dem Prinzip "Rest des Alkohols (= Ethyl) + Grundkörper der Säure (= Ethan) + oat" gebildet.

Wie abgebildet, stammt bei der (oft üblichen) Bildung des Esters aus Carbonsäure und Alkohol der blau dargestellte Teil des Esters aus dem Alkohol (hier: Ethanol) und der rot dargestellte Teil aus der Carbonsäure (hier: Essigsäure). Eine Ausnahme ist die Bildung der Ester aus Salzen der Carbonsäure (Carboxylaten) und Alkylierungsmitteln; hierbei stammt der im Bild blau dargestellte Sauerstoff aus der Carbonsäure.
Bei der Spaltung von Estern (sowohl sauer als auch basisch katalysierbar) enthält der dabei gebildete Alkohol den im Bild blau dargestellten Sauerstoff. Auch hier gibt es eine Ausnahme, nämlich die sauer katalysierte Spaltung von Estern tertiärer Alkohole, bei denen aus dem Alkohol-Teil ein Alken gebildet wird (E1-Reaktion).
Der Verbleib des o. g. Sauerstoffatoms bei Esterbildung bzw. -spaltung ist durch Markierungsexperimente belegbar; somit können auch die betreffenden mechanistischen Schritte bewiesen werden.

Gruppierung der Ester nach der beteiligten Säure

Diese Aufstellung listet nur biologisch oder technisch bedeutende Gruppen auf.

Carbonsäureester

Ihre funktionelle Gruppe ist die Estergruppe COOR.

Vorkommen

Carbonsäureester kommen im biologischen Bereich in großem Variantenreichtum und in großer Menge vor. Fruchtaromen, Fette und ein wesentlicher Teil der Wachse zählen dazu.

Physikalische Eigenschaften

Carbonsäureester sind durch den enthaltenen Sauerstoff polar. Da ihnen aber der Wasserstoff der Carbonsäure fehlt, sind sie nicht sauer. Sie können ohne Partner, der einen polar gebunden Wasserstoff enthält, keine Wasserstoffbrücken ausbilden. Da sie als Reinsubstanz keine Wasserstoffbrücken ausbilden, liegt ihr Siedepunkt im Vergleich mit Alkoholen oder gar Carbonsäuren von vergleichbarer molarer Masse wesentlich niedriger.

Die, wenn auch geringe, Wasserlöslichkeit von Estern ist auf Wechselwirkung des polaren Carbonyl-Sauerstoffs im Ester mit dem polaren Wasserstoff im Wasser zurückzuführen, welche eine Wasserstoffbrücke bilden. Dieser Effekt ist vor allem bei niederen Alkansäurealkylestern merklich, mit steigender Molekülgröße wird die Wasserlöslichkeit geringer, da die Wirkung des polaren Sauerstoffs im Verhältnis zu den unpolaren Alkylresten immer weniger Wirkung zeigt. In der Praxis sind Ester im Allgemeinen als hydrophob zu bezeichnen.

Reaktionen

Ester können hydrolysiert, also durch Wasser gespalten werden. Dabei entstehen Alkohol und Carbonsäure. Ist die entstehende Säure oder der Alkohol instabil, zerfällt sie bzw. er weiter (z. B. Orthokohlensäure zu Kohlendioxid und Wasser oder Vinylalkohol zu Acetaldehyd). Die Reaktion wird erleichtert durch den Einsatz einer starken Säure als Katalysator. Ohne Katalysator stellt sich das Gleichgewicht der Reaktion erst nach einigen Tagen ein. Basen sind als Katalysator für die Esterspaltung ebenfalls möglich. Sie ermöglichen eine quantitative Esterspaltung, da als Spaltprodukte ein Alkohol und ein mesomeristabilisiertes Carboxylat-Ion entstehen. So ist keine Rückreaktion mehr möglich. Diese Reaktion wird Verseifung genannt und verbraucht die Base in einer Folgereaktion, in der die Carbonsäure unter Bildung von Wasser in das entsprechende Carbonsäuresalz übergeführt wird.

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Eine weitere, technisch bedeutende Reaktion ist die Umesterung, der Austausch eines Alkohols im Ester gegen einen anderen. Dies wird beispielsweise eingesetzt, um aus Rapsöl (Glycerinester von langkettigen Fettsäuren) Biodiesel (Rapsölmethylester) herzustellen.

Herstellung

Aus Alkohol und Carbonsäure (verbessert durch Säure als Katalysator und den Abtransport des entstehenden Wassers aus dem Reaktionsgemisch) entsteht durch Veresterung ein Carbonsäureester.

Phosphorsäureester

Unter den Estern der Phosphorsäure und Phosphorsäurederivaten sind Verbindungen als potente Insektengifte bekannt (z. B. E605). Auf der anderen Seite sind die Nukleinsäuren als Teil ihrer Struktur Ester der Phosphorsäure mit der Alkoholfunktion von Zuckern (z. B. Ribose oder Desoxyribose)

Phorbolester

Phorbolester sind Ester, die im Saft von Wolfsmilchgewächsen enthalten sind und neben ausgeprägten Hautverätzungen und Gastroenteritiden auch maligne Tumore auslösen können. Die karzinogene, also krebsfördernde Wirkung scheint durch Stimulation der Proteinkinase C zustande zu kommen, die das Wachstumsverhalten der Krebszellen modifiziert.

Beispiele für Ester einiger weiterer Säuren

Sulfonsäureester

Glycerintrinitrat (Sprengstoff Nitroglycerin)

Borsäuremethylester (Nachweis von Bor durch grüne Flammenfärbung)

Dimethylsulfat und Diethylsulfat (kraftvolle Reagenzien, um Methyl- oder Ethylgruppen auf andere Moleküle zu übertragen)

Stoffgruppe | Ester

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