Herstellung von Buttersäureestern ohne Buttersäure

1. EINLEITUNG
1
2. BUTTERSÄUREESTER
2
2.1 Carbonsäureester
2
2.2 Vorkommen
3
2.3 Verwendung
3
2.4 Nachweise
2.4.1 Nachweisverfahren „Rojahn-Test“
2.4.2 Ester in Ananassäften
2.4.3 Ester in Ananasbonbons
4
4
4
5
3. HERSTELLUNG
7
3.1 Versuche
3.1.1 Buttersäureesterherstellung mit Natriumbutyrat
3.1.1.1 Versuchsaufbau
3.1.1.2 Durchführung
3.1.1.3 Erklärung
3.1.2 Buttersäureesterherstellung mit Buttersäurechlorid
3.1.2.1 Versuchsaufbau
3.1.2.2 Durchführung
3.1.2.3 Erklärung
7
7
7
7
8
10
10
10
11
3.2 Buttersäureesterherstellung mit Buttersäure
11
3.3 Vergleiche der Herstellungsmethoden
12
4. FAZIT
14
1. Einleitung
Das Thema meiner Facharbeit lautet „Herstellung von Buttersäureestern
ohne Buttersäure“. Diese Formulierung beinhaltet, dass die übel riechende
Butansäure kein Bestandteil meiner Experimente sein sollte. Anstelle der
Säure musste ich also Derivate i der gleichen benutzen. Den Schwerpunkt
meiner Arbeit legte ich auf die Herstellung des, nach Ananas duftenden,
Buttersäureethylester. Dazu führte ich zwei Versuche durch. In dem ersten
Versuch benutzte ich das Natriumsalz der Buttersäure, als Zweites
erprobte ich die Alkoholyse des Buttersäure-Chlorids zur Herstellung des
Esters. Zur Einführung in das Problem dienen allgemeine Angaben zu
dem Thema Buttersäureester. Außerdem wird eine wichtige EsterNachweisreaktion vorgestellt. Mein Ziel ist es, dass Leser meiner
Facharbeit interessante und lebensnahe Informationen über die Ester der
Buttersäure erfahren, welche zwar in vielen Alltagsgegenständen
vorkommen, dennoch kaum jemand über ihre Existenz bescheid weiß.
Derivat=[lateinisch derivare, „ableiten“]eine chemische Verbindung, die aus einer
anderen durch Ersatz (Substitution) von Atomen durch andere Atome oder Atomgruppen
abgeleitet und dargestellt werden kann. (www.wissen.de)
i
1
2. Buttersäureester
2.1 Carbonsäureester
Carbonsäureester entstehen aus der Reaktion von Carbonsäuren mit
Alkoholen unter Abspaltung von Wasser (Kondensationsreaktion). Die
Esterbildung verläuft umkehrbar und führt normalerweise zu
Gleichgewichten, in welchen sowohl Alkohol und Säure, wie auch Ester
und Wasser vorhanden sind (Hydrolyse).
Durch Zugabe von Schwefelsäure lässt sich die Kondensationsreaktion
beschleunigen; zur Hydrolyse wird häufig Natronlauge verwendet.
Bei der Veresterung handelt es sich um eine nucleophile Addition, in der
sich zuerst ein Alkoholmolekül an das positiv polarisierte Kohlenstoffatom
der Carboxylgruppe anlagert.1
)
O
R
C
+
(H+)
H
OH
OR1
O
R
C
+
H2O
OR 1
Abb.: Vereinfachte Darstellung einer direkten Veresterung freier Säuren mit Hilfe einer
Katalysatorsäure 16)
Die Ester der Carbonsäuren sind auf Grund des enthaltenen Sauerstoffs
polar. Durch den abgespaltenen Wasserstoff der Carbonsäure, sind die
Ester nicht sauer. Untereinander bilden sie keine Wasserstoffbrückenbindungen aus, daher ist ihr Siedepunkt, im Vergleich zu
Alkoholen und Carbonsäuren vergleichbarer Molekülmasse, wesentlich
niedriger und sie sind dadurch relativ flüchtig. Ester haben auf Grund ihres
polaren Carbonyl-Sauerstoffs eine geringe Wasserlöslichkeit, welche mit
steigender molarer Masse abnimmt. Allgemein werden Ester als
hydrophob bezeichnet.11)14)
Carbonsäureester können in verschiedenen Formen vorliegen. Dabei
führen kurzkettige Carbonsäuren bei der Veresterung zu Lösungsmitteln
und angenehm riechenden Aromastoffen. Zu dieser Gruppe gehören unter
anderem die Ester der Buttersäure. Fette entstehen durch die Veresterung
langkettiger Carbonsäuren mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin. Ester
2
aus langkettigen Alkoholen und Carbonsäuren formen die Gruppe der
Wachse.1)2)11)
Buttersäureester, Butansäureester oder auch Butyrate bilden sich durch
die Veresterung von Buttersäure mit einem einwertigen Alkohol. Die „ölige,
unangenehm ranzig riechende Flüssigkeit“3)(S.534) reagiert dabei zu „sehr
angenehm fruchtartig riechenden“3)(S.535) Substanzen.
2.2 Vorkommen
Ester der Buttersäure haben ein geringes Vorkommnis in der Natur.
In kleinen Mengen treten sie oder andere Carbonsäureester in reifen
Früchten auf und bilden eine Komponente des jeweiligen Aromas.11)
Außerdem sind sie in Pastinaken enthalten, welche eine Gruppe in der
Familie der Doldengewächse bilden.14)
Im Allgemeinen entstehen Ester in Pflanzen bei dem Abbau organischer
Säuren.11)
Das Vorkommen von Buttersäureestern in Butter wurde bereits im Jahre
1823 von Eugène Chevreuil (1786 - 1889), einem französischen
Chemiker, festgestellt.4)
2.3 Verwendung
Die niedermolaren Ester der Buttersäure werden auf Grund ihres häufig
fruchtigen Geruchs hauptsächlich zur Herstellung von Aromastoffen für
Lebensmittel und Parfüme verwendet. Dabei bilden meist erst mehrere
Ester gemeinsam oder Ester in Verbindung mit Terpenen oder Aldehyden
ein bestimmtes Aroma.3)14)
Eines der meist verwendeten Buttersäureester ist das Ethylbutyrat
(Buttersäureethylester). Es ist eine wichtige Komponente in zahlreichen
Aromastoffen. Jährlich werden mehrere Tonnen dieses Esters hergestellt
und verarbeitet.15)
Bei der Produktion von Margarine werden Buttersäureester im letzten
Herstellungsschritt künstlich hinzugesetzt7), um dem Vorbild der echten
Butter möglichst nahe zu kommen. Ebenfalls finden sie Verwendung in der
Lösungsmittel-, Likör- und Essenzenindustrie.3)
3
Höhermolare
Buttersäureester
haben
hingegen
WeichmacherEigenschaften und werden demnach oft als Weichmacher in Elektrokabeln
verwendet. Dadurch lassen sich auch Fraßschäden in der Elektrik von
Autos erklären, da besonders Nagetiere den Geschmack einiger
Weichmacher häufig als angenehm süß empfinden.3)14)
2.4 Nachweise
2.4.1 Nachweisverfahren „Rojahn-Test“ 10) 12)
Der so genannte Rojahn-Test ist ein Nachweis alkalisch verseifbarer
Verbindungen, wie, in meinem Fall, zum Beispiel für Ester. Zunächst gibt
man ein bis drei Milliliter der Prüfsubstanz in ein Reagenzglas. Liegt ein
Ester in reiner Form vor, gibt man zunächst etwa drei Milliliter Ethanol
hinzu. In das Reagenzglas werden dann drei Tropfen des Indikators
Phenolphthalein gegeben, welcher sich im alkalischen Milieu (pH-Wert ≥9)
rosa färbt. Daraufhin gibt man Tropfenweise Natronlauge unter ständigem
Schütteln hinzu, bis der Indikator umschlägt und eine dauerhafte RosaFärbung eintritt. Das Reagenzglas wird nun in ein vorbereitetes
Wasserbad von 40°C bis 90°C Wärme gestellt. In regelmäßigen
Abständen sollte das Reagenzglas zum vorsichtigen Schütteln aus dem
Bad genommen werden. Bei einer Anwesenheit von Estern sollte sich die
Lösung nach höchstens 20 Minuten entfärbt haben.
Grund ist, dass der vorhandene Ester durch die Natronlauge irreversibel
verseift wird (alkalische Esterverseifung). Dabei greifen die Hydroxid-Ionen
die Estermoleküle nucleophil am Carbonyl-Kohlenstoff-Atom an. Darauf
folgen die Abspaltung des entstandenen Alkoholat-Ions und die daraus
hervorgehende Bildung der Carbonsäure. Der unumkehrbare Schritt der
Verseifung findet mit dem Protonübergang vom Carbonsäuremolekül auf
das Alkoholat-Ion statt. Das alkalische Milieu wird von den Produkten der
Hydrolyse wieder neutralisiert, der Indikator entfärbt sich.
2.4.2 Ester in Ananassäften
Um nachzuweisen, dass Fruchtsäfte häufig Carbonsäureester enthalten,
die für das jeweilige Aroma sorgen, habe ich zwei verschiedene
4
Ananassaftproben mit Hilfe des „Rojahn Testes“ auf Ester überprüft.
Meine beiden Proben waren zum einen Ananasnektar i mit einem 50prozentigen Fruchtanteil und Ananassaft ii mit einem 100-prozentigen
Fruchtgehalt.
In je ein Reagenzglas gab ich ein Milliliter der verschiedenen Ananassäfte
zusammen mit drei Tropfen Phenolphthalein. Die gelbliche Färbung des
Safts und die Trübe waren im Vergleich zum Nektar viel intensiver, was
auf den höheren Fruchtanteil im Saft zurückzuführen ist. Unter ständigem
Schütteln gab ich dann tropfenweise Natronlauge in die Reagenzgläser
und zwar gerade soviel, dass der Indikator die Lösung dauerhaft rosa
färbte, welches jeweils nur zwei Tropfen der Lauge bedurfte. Auf Grund
der Ausgangsfarben verfärbte sich der Nektar in das für Phenolphthalein
charakteristische pink und der Saft orange. Nun stellte ich die beiden
Reagenzgläser in das vorbereitete, ca. 70°C warme Wasserbad. iii Alle
zwei bis drei Minuten nahm ich die Reagenzgläser kurz heraus, um sie zu
schütteln. Als nach ungefähr zwölf Minuten noch keine Veränderung zu
beobachten war, erhitzte ich das Wasserbad auf 90°C. Erst nach
insgesamt 20 Minuten ließ sich bei dem Ananassaft eine deutliche
Verblassung zurück in Richtung Ausgangsfarbe feststellen. Die
„Nektarlösung“ hatte sich nach der gleichen Zeit nur sehr gering entfärbt.
Nach 30 Minuten hatte die „Saftlösung“ fast ihre Ausgangsfarbe erreicht,
die Nektarlösung hatte sich von pink in orange verfärbt.
Daraus schloss ich, dass beide, Ananassaft und Nektar, Ester enthalten.
Dabei scheint eine höhere Esterkonzentration in dem reinen Fruchtsaft
enthalten zu sein, was wiederum darauf schließen lässt, dass die
Ananasfrucht Ester bildet, wobei es sich um zumindest eine Komponente
des Aromas handelt.
Leider konnte ich durch die eingeschränkten Möglichkeiten in unserem
Schullabor nicht genauer feststellen, welche Ester in den Proben vorlagen.
Dies wäre nur mithilfe eines Gaschromatographen möglich gewesen.
2.4.3 Ester in Ananasbonbons iv
Für den Nachweis von Fruchtestern in Ananasbonbons führte ich den
Rojahn-Test in etwas abgeänderter Form durch. Hierzu löste ich ein
i
„Gut & Günstig Ananasnektar“ aus Ananassaftkonzentrat, Fruchtgehalt: mind. 50%
„Edeka Rio Grande Premium Ananassaft“ 100% Direktsaft
iii
Siehe Bild zum Versuchsaufbau im Anhang
iv
Ananasbonbons „California Früchte“ von Storck
ii
5
Bonbon zunächst in ungefähr 50 Millilitern heißem Wasser auf. Daraufhin
gab ich vier Zentimeter der hellgelben, klaren Bonbonlösung in ein
Reagenzglas und fügte vier Tropfen Phenolphthalein hinzu und danach
drei Tropfen Natronlauge, welche die Lösung dauerhaft rosa färbten. Das
Reagenzglas stellte ich dann in ein 90°C warmes Wasserbad und nahm
es gelegentlich zum Schütteln heraus. Anders als bei den Säften, konnte
ich bereits nach vier Minuten ein deutliches Erblassen der Flüssigkeit
feststellen. Nach etwa sieben Minuten hatte sich die anfangs rosafarbene
Lösung in orange verfärbt und nach nicht mehr als zehn Minuten glich die
Färbung wieder der reinen Bonbonlösung. Der Nachweis von Estern im
Ananasbonbon war also erfolgreich. An dieser Stelle ist anzumerken, dass
von der Ananasbonbonlösung, entgegen meiner Erwartungen, kein
charakteristischer Ananasgeruch ausging. Mehrere Riechtests meiner
Mitschüler zeigten, dass die Bonbonlösung vielmehr nach Zitronenaroma
roch. Leider muss ich jedoch wieder darauf hinweisen, dass ich ohne
einen Gaschromatographen nicht bestimmen konnte, welche Ester in dem
Bonbon vorlagen. Es ist also denkbar, dass es sich bei den von mir
nachgewiesenen
Estern
nicht
um
Buttersäureester,
sondern
möglicherweise um Essigsäureester handelte.
6
3. Herstellung
3.1 Versuche
3.1.1 Buttersäureesterherstellung mit Natriumbutyrat
3.1.1.1 Versuchsaufbau
Ich beschloss meinen Versuch sicherheitshalber unter dem Abzug
durchzuführen, da es, obwohl Buttersäure nicht in reiner Form vorlag, zu
einem unangenehmen Geruch kommen konnte.
Eine Heizplatte versah ich mit einem halbrunden Aufsatz, der die Hitze
und den Magnetismus weiterleitete. Dadurch konnte ich ein besseres
Erhitzen der Substanzen, die gemeinsam mit einem Magnetrührer in einen
Rundkolben gegeben werden sollten, ermöglichen. In Höhe des
Rundkolbenmundes schloss ich einen Rückflusskühler an, welcher bei
einem Sieden der Substanzen für das Auffangen und Kondensieren der
Gase sorgen sollte. i
3.1.1.2 Durchführung
In den mit einem Magnetrührer ausgestatteten Rundkolben (250 ml) gab
ich zunächst drei Gramm des stark sauren Kationenaustauschers,
Amberlite® IR 120 von Merck. Ein Gramm Natriumbutyrat und zehn
Milliliter Ethanol vermischte ich zunächst in einem Becherglas, da die
beiden Substanzen untereinander nicht reagieren würden. Diese
Mischung gab ich daraufhin zu dem Ionenaustauscher in den Rundkolben,
welchen ich sofort an den Rückflusskühler schraubte. Wasser wurde zu
diesem Zeitpunkt noch nicht eingefüllt. Ich wollte ein mögliches Austreten
des
üblen,
nach
„Erbrochenem“
riechenden,
Geruchs
des
Zwischenprodukts, Buttersäure, vermeiden. Das Austauscherharz sollte
ich darauf zusammen mit dem Buttersäuresalz und dem Alkohol bis zum
Sieden erhitzen und für 15 Minuten unter Rückfluss kochen. Dabei ergab
sich das Problem, das ich nach 25 Minuten noch immer kein
Siedeverhalten der Flüssigkeit feststellen konnte. Ich beschloss also, da
ich davon ausging, dass das Gemisch bereits hohe Temperaturen erreicht
haben müsste, den Rückflusskühler an das Wasser anzuschließen um die
i
Siehe Bild zum Versuchsaufbau im Anhang
7
entstehenden Gase abzukühlen und kondensieren zu lassen. Kurze Zeit
später konnte ich bei einem Abstellen des Magneten eine Siedeverzugähnliche Reaktion beobachten. Dies wies darauf hin, dass die Flüssigkeit
ihren Siedepunkt bereits überschritten hatte. Bereits wenige Sekunden
nach Anschließen des Rückflusskühlers wurde das Kondensieren von
Gasen am Kolbenrand in Form von Tropfen sichtbar. Ich ließ ich den
Versuch noch etwa 15 Minuten weiterlaufen. Danach stellte ich die
Heizplatte aus und befestigte den Rückflusskühler gemeinsam mit dem
Kolben höher, sodass der Kolben aus dem Aufsatz gehoben wurde und
keiner direkten Hitze mehr ausgesetzt war. Nach kurzem Warten, stellte
ich die Rückflusskühlung ab und verschloss den Kühler mit einem
Pfropfen, um sicherzugehen, dass bis zum nächsten Tag keine Gase
austreten konnten. Das gründliche Abkühlen des Gemisches und das
spätere Verdünnen waren für die Geruchsprobe wichtig, denn „heiß und
hochkonzentriert riechen auch die Fruchtester wie technische Lösemittel.
Außerdem ist diese Art von Probe gesundheitsschädigend.“6) Die
Geruchsprobe zeigte leider, dass mein Versuch nicht wie vorgesehen
funktioniert hatte. Zwar stieg mir zunächst ein leicht fruchtiger Geruch in
die Nase, doch darauf folgte unverkennbar der charakteristische Geruch
der Buttersäure, wenn auch nicht sehr konzentriert. Die folgenden
Stunden versuchte ich den Versuch durch Zugabe von Ethanol, und
später auch Kationenaustauscher, zu retten. Als ich den Versuch schon
lange beendet hatte und das Gemisch in dem Kolben neun Tage später
schließlich entsorgen wollte, zeigte jedoch ein weiterer Geruchstest, dass
sich eindeutig ein Buttersäureethylester gebildet hatte.
3.1.1.3 Erklärung
Ich ging davon aus, dass der Kationenaustauscher Amberlite®IR 120
konfektioniert, also in Wasserstoffform, vorlag. In diesem Zustand ist er im
Stande, die Wasserstoff-Ionen gegen die in dem Natriumbutyrat,
beziehungsweise Buttersäure Natriumsalz, enthaltenen Natrium-Ionen
auszutauschen.
Abb.6)
8
Buttersäure war bei diesem Versuch zwar als Zwischenprodukt
vorgesehen, welches jedoch sofort mit dem Ethanol zu Buttersäureethylester hätte weiterreagieren sollen. Der Kationenaustauscher war auf
Grund seiner sauren Wirkung ein Katalysator dieser Reaktion.
Abb.6)
Es sind mehrere Fehlerquellen denkbar, welche dazu geführt haben
könnten, dass der Versuch nicht wie vorgesehen ablief.
Es ist möglich, dass ich die Mengenangaben nicht genau eingehalten
habe, was leicht durch Rückstände der Chemikalien in den jeweiligen
Gefäßen, die ich zum Abmessen benutzte, zustande gekommen sein
kann.
Durch zu viel Natriumbutyrat im Verhältnis zum Ethanol wäre es
wahrscheinlich, dass nicht alle Buttersäuremoleküle mit dem Alkohol
verestert werden konnten.
Die Benutzung von wenig Kationenaustauscher hätte ebenfalls dazu
führen können, dass nicht alle Natrium-Ionen von der Buttersäure hätten
gespalten werden können. Feuchtes Buttersäurenatriumsalz hat auch den
für Buttersäure typischen unangenehmen Geruch.
Auf Grund des nicht zu beobachtenden Moments des Siedebeginns ist es
ebenfalls möglich, dass das Gemisch zu kurz erhitzt wurde, denn „die
Veresterung ist eine sehr langsame Reaktion und ist ohne Katalysatoren
auch unter Rückfluss erst nach langer Zeit beendet“16)
Die Esterbildung im Laufe mehrerer Tage zeigte, dass die
Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion eindeutig auf Seiten der
Produkte liegen muss. Nach neun Tagen konnte ich davon ausgehen,
dass sich ein Gleichgewicht eingestellt hatte. Die Geruchsprobe
unterstützte diesen Verdacht, da sowohl der Geruch des wohlriechenden
Esters Ethylbutyrat, als auch der, der übel riechenden Buttersäure
wahrgenommen werden konnte. Da der Ananasgeruch jedoch eindeutig
dominant war, gehe ich davon aus, dass sich die Gleichgewichtskonstante
dieser Reaktion auf Seiten der Produkte befand.
9
3.1.2 Buttersäureesterherstellung mit Buttersäurechlorid
3.1.2.1 Versuchsaufbau
Die Vorbereitungen zu diesem Versuch stellten keinen großen Aufwand
dar. Unter dem Abzug stellte ich einen Gasbrenner mit Dreifuß und
Astbestnetz auf, um die Flüssigkeit später in einem Becherglas zu
erhitzen. Des Weiteren stellte ich lediglich die beiden Substanzen, Ethanol
und Buttersäurechlorid, gemeinsam mit zwei 50-Milliliter-Bechergläsern
und einem etwas größerem Becherglas bereit.
3.1.2.2 Durchführung
Von beiden Flüssigkeiten gab ich eine geringe Menge, ungefähr zehn bis
18 Milliliter, in jeweils ein Becherglas. Dabei beschloss ich ein wenig mehr
Ethanol als Chlorid zu benutzen.
Da ich nicht genau wusste, wie die beiden Substanzen miteinander
reagieren würden, gab ich die beiden Substanzen zusammen in ein
Becherglas. Bevor ich das Gemisch jedoch erhitzen konnte, reagierten die
beiden Stoffe bereits exotherm miteinander. Ein kurzes Sieden der
Flüssigkeit wurde sichtbar und durch das Fühlen an dem Becherglas
wurde eine eindeutige Erwärmung spürbar.
Den gleichen Versuch führte ich mit ähnlichen Mengen und anstelle von
Ethanol mit Methanol durch. Zwar verlief die Reaktion ähnlich, jedoch
erwärmte sich das Gemisch, im Vergleich zum ersten Versuch, nicht so
stark.
Für eine Geruchsprobe gab ich wenige Tropfen beider Flüssigkeiten in je
ein Becherglas mit Wasser. Beide Veresterungsreaktionen schienen
demnach stattgefunden zu haben. Dennoch konnte nur der Geruch des
Buttersäureethylesters nach Ananas, eindeutig bestimmt werden. Der
Buttersäuremethylester, von dem eigentlich ein Apfelaroma hätte
ausgehen sollen8), roch leider nur leicht fruchtig und mehr nach
Lösungsmittel. Viele Behauptungen, Buttersäuremethylester sei der
„Ananasester“13), konnten durch dieses Experiment widerlegt werden.
10
3.1.2.3 Erklärung
Meine Entscheidung, mehr Ethanol als Buttersäurechlorid zur Versuchsdurchführung zu benutzen, basierte auf dem Gedanken sicherstellen zu
können, dass alle entstehenden Buttersäuremoleküle mit dem Alkohol
reagieren würden.
Carbonsäurechloride bilden die reaktivste Gruppe der CarbonylVerbindungen. Das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ist auf Grund
des negativ induktiven Effekts des Chloratoms positiv polarisiert. Bei
Zusammengabe des Buttersäurechlorids mit dem Ethanol spaltet sich das
Chlorid-Ion ab und geht eine kovalente Bindung mit dem leicht positiv
polarisierten Wasserstoffatom der Hydroxylgruppe des Ethanols ein. Das
übrig bleibende Ethanolat bindet sich daraufhin sofort mit dem positiv
polarisierten Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe. Diese Reaktion verläuft
im Gegensatz zu einer normalen Veresterung irreversibel. Die
entstehende Salzsäure ist sehr flüchtig, wodurch der reine Ester
zurückbleibt. Dieser kann ohne die Zugabe von Wasser nicht
zurückreagieren.
Abb.: Carbonsäurechlorid reagiert mit einem Alkohol zu einem Ester und Salzsäure
3.2 Buttersäureesterherstellung mit Buttersäure
Die herkömmliche Herstellungsmethode der Buttersäureester ist die
einfache Veresterung der Buttersäure mit einem Alkohol. Diese Reaktion
wird häufig durch Schwefelsäure katalysiert.
Abb.: Buttersäure und Ethanol reagieren zu Buttersäureethylester und Wasser9)
11
Die Durchführung der Reaktion minimiert sich auf das Zusammengeben
von Buttersäure und, wie in diesem Fall, Ethanol im stöchiometrischen
Verhältnis. Dazu werden lediglich einige Tropfen Schwefelsäure gegeben.
Darauf folgt ein kurzes Erhitzen der Lösung in einem rund 70°C warmen
Wasserbad, oder bei geringen Mengen in einem Reagenzglas, über einem
Gasbrenner. Nach dem Erhitzen lässt man die Flüssigkeit in einem
geschlossenen Behälter abkühlen, bevor eine Geruchsprobe durchgeführt
werden kann.5)
3.3 Vergleiche der Herstellungsmethoden
Die verschiedenen Buttersäureesterherstellungsmethoden haben Vor- und
Nachteile.
Ein großer Vorteil der Herstellung mit Natriumbutyrat war, dass sich bei
dem Ansetzen des Versuchs keine Geruchsprobleme ergaben. Dies gilt
nicht für die Herstellungsweise mit Buttersäurechlorid. Beschrieben wird
die Substanz zwar als durchsichtige Flüssigkeit, von der ein stechender
Geruch ausgeht, letztendlich stellte sich jedoch heraus, dass der Geruch
des Derivates dem der reinen Buttersäure sehr ähnlich war. Dennoch
halte ich den Versuch mit dem Chlorid für „klassenraumtauglich“, da es
unmittelbar beim Zusammengeben mit dem Ethanol anfing zu reagieren
und der üble Geruch verschwand. Bereits nach sehr kurzer Zeit
verbreitete sich ein angenehm fruchtiger Geruch. Auf Grund zu starker
Geruchsbelastung führte ich die Veresterung der reinen Buttersäure mit
Ethanol nicht durch. In der Industrie ist der strenge Geruch der Säure
jedoch kein Kriterium dafür, auf eine andere Herstellungsmethode
umzusteigen.
Am wenigsten Zeit nahm die Alkoholyse von Buttersäurechlorid in
Anspruch. Da die beiden Stoffe sofort exotherm miteinander reagierten
ergab sich keine Wartezeit. Des Weiteren war keinerlei Energie nötig, um
die Reaktion in Gang zu setzen. Das herkömmliche Herstellungsverfahren
scheint ebenfalls wenig zeitaufwendig zu sein. Auf Grund der
katalytischen Schwefelsäure ist nur ein kurzes Erhitzen nötig, um die
Stoffe vollständig umzusetzen. Der Versuch zur Herstellung von
Buttersäureethylester mit dem Buttersäure Natriumsalz war hingegen eher
aufwendig. Zum einen war eine Versuchsapparatur nötig, die im Vorfeld
12
vorbereitet werden musste, zum anderen war die Durchführung selbst
relativ langwierig. Grund dafür war vor allem, dass das Erreichen der
Siedetemperatur nicht bestimmt werden konnte und somit nicht klar
wurde, wie lange der Versuch weiterlaufen musste. Trotz langen Wartens
erbrachte der Versuch keine sofortigen Ergebnisse. Schlussendlich
streckte er sich sogar über zwei Wochen, in denen allerdings keine
aktiven Handlungen nötig waren. Das Gleichgewicht stellte sich ganz von
alleine ein.
Die Frage, die sich bei der Diskussion der drei verschiedenen
Herstellungsverfahren stellt, ist, weshalb die Stoffe auf eine bestimmte Art
und Weise miteinander reagieren. Leider kann ich an dieser Stelle nicht
beantworten, ob es mit den Gleichgewichtskonstanten der verschiedenen
Reaktionen oder mit der Kinetik zusammenhängt, dass die Reaktion
zwischen dem Buttersäurechlorid und dem Ethanol bei weitem einfacher
und schneller verlief, als die, zwischen reiner Buttersäure und Ethanol.
Einen anderen Vergleichsfaktor bieten die zur Herstellung benötigten
Substanzen. Zur einfachen Veresterung von Buttersäure und Ethanol mit
Hilfe von Schwefelsäure werden ausschließlich herkömmliche
Chemikalien gebraucht, die womöglich in jedem Chemielabor vorzufinden
sind. Für die Herstellung des Esters durch Buttersäurechlorid und Ethanol
sind allerdings nur zwei Stoffe nötig. Die Kosten könnten allerdings, auf
Grund höherer Materialkosten, die der geläufigen Methode überschreiten.
Das Herstellungsverfahren über den Umweg Buttersäure Natriumsalz ist,
was die benötigten Substanzen und auch Gerätschaften betrifft, wohl das
Aufwendigste. Die Anschaffung von Natriumbutyrat und Kationenaustauscher ist, verglichen mit den anderen, recht kostspielig. Zudem ist
die Versuchsapparatur vergleichsweise aufwendig.
Die Herstellung von Buttersäureestern durch die Reaktion von
Buttersäurechlorid mit einem Alkohol scheint für den Schulbedarf die am
besten geeignete Methode zu sein. Diese ist allerdings unbedingt unter
dem Abzug durchzuführen, da das Freiwerden eines üblen Geruches nicht
zu vermeiden ist.
Für die Industrie ist womöglich die einfache Veresterung der Buttersäure
die sinnvollste Herstellungsweise. Auf die Geruchsbelastung wird dabei
keine Rücksicht genommen. Dies lässt darauf schließen, dass die
13
Esterproduktion in großen Mengen auf diese Art und Weise am
günstigsten ist.
Wenn man allerdings dem üblen Geruch der Buttersäure voll und ganz
aus dem Weg gehen möchte und einem der aufzubringende Aufwand
nichts ausmacht, sollte man sich für den Umweg entscheiden und
Buttersäureester nach dem Prinzip von Professor Blume i herstellen.
4. Fazit
Meine Facharbeit hat zwar gezeigt, dass es verschiedene Methoden zur
Buttersäureesterherstellung gibt, dennoch führt kein Weg an der
Buttersäure vorbei. Auch wenn ich in meinen Experimenten die Derivate
Natriumbutyrat und Buttersäurechlorid benutzte, blieb der unangenehme
Geruch, wenn auch in relativ geringen Maßen, nicht aus. Schließlich ist
Buttersäure trotz allem in ihren Abkömmlingen enthalten und muss, wenn
auch als Zwischenprodukt, vorliegen um mit einem Alkohol verestert zu
werden.
Enttäuscht war ich über die geringen Hilfestellungen verschiedener
Esterhersteller. Im Rahmen meiner Facharbeit habe ich über 20 E-Mails
verfasst und rund zehn Telefonate mir verschiedenen Firmen geführt.
Zusätzlich nahm ich Kontakt zu mehreren Chemie Professoren auf, unter
anderem zu Professor Blume. Auch wenn ich per E-Mail um einen Anruf
gebeten wurde und meine Hoffnung auf Informationen groß war, wurde ich
fast immer enttäuscht, da mein Thema zu weit in die Materie gehen
würde. Zudem ergab sich das Problem, dass, als ich eine kooperative
Firma
gefunden
hatte
(„Bell
Flavors
&
Fragrences“),
die
Buttersäureesterherstellung sehr vielfältig und daher nicht für Dritte
dokumentiert ist. Dies ist zwar nachvollziehbar, jedoch hätte mich die
industrielle Herstellung für meine Arbeit sehr interessiert. Auch hatte ich
mir
erhofft,
konkretere
Angaben
über
die
verschiedenen
Verwendungszwecke der Ester zu erhalten.
Meine Esternachweise beschränkten sich leider auf die einfache
Tatsache, dass Ester vorliegen. Um tiefer in die Materie zu gehen, hätte
ich gerne mit Hilfe eines Gaschromatographen bestimmte Ester
nachgewiesen und benannt. Was ich im Rahmen meiner Arbeit, auf Grund
i
Siehe Buttersäureesterherstellung mit Natriumbutyrat
14
fehlender Werte, leider nicht berechnen konnte, sind die
Gleichgewichtskonstanten der verschiedenen Reaktionen. Diese könnten
Aufschluss auf die Reaktionsweisen geben und sollten auf jeden Fall
einmal berechnet werden.
Während meiner Facharbeit habe vor allem im praktischen Bereich viel
dazugelernt. Den theoretischen Ablauf der Veresterung hatte jeder für sich
bereits verstanden. Meine eigenen Experimente und die meiner Mitschüler
zeigten jedoch verschiedenste Herstellungsverfahren und vor allem die
Vielfalt der Ester.
Rückblickend kann ich sagen, dass die letzten sechs Wochen zwar
anstrengend, aber auch sehr interessant waren. Es hat mir sehr geholfen
mich im Rahmen des Unterrichts mit meinen Mitschülern austauschen zu
können.
In Zukunft werde ich bei dem Wort „Buttersäureester“ meine Augen und
Ohren offen halten, um möglicherweise mehr über diese vielfältigen
Substanzen zu erfahren.
15