Ester

Ester bilden eine Stoffgruppe organischer Verbindungen, die formal oder tatsächlich durch die Reaktion einer Sauerstoffsäure 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 nur wenig 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.

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Carbonsäureester

Carbonsäureester sind Ester der Carbonsäuren, mit der funktionelle Gruppe -COOR.

Nomenklatur und Strukturerklärung

Ein Sonderfall der Ester sind die Lactone. Hier befinden sich der Alkohol- und Säureteil zur Bildung des Esters in einem einzigen Molekül. Neben den bisher beschriebenen Monoestern sind besonders die Ester des Alkohols Glycerin wichtig, der über drei -OH Gruppen verfügt. Mit den natürlichen Fettsäuren bildet Glycerin die Fette und Öle wie z. B. das Sonnenblumenöl.

Trägt der Alkohol zwei -OH Gruppen und die Carbonsäure zwei -COOH Gruppen, können diese eine lange Kette bilden, bei denen die Säure und der Alkohol sich abwechseln. Man nennt diese Polymere Polyester. Bekanntes Beispiel für einen solchen Kunststoff ist das PET. Andere Polymere, wie z. B. Zellulose, die viele -OH Gruppen tragen, lassen sich durch Acetate zu Celluloseacetaten umsetzen. Das Material hat nun veränderte physikalische Eigenschaften und kann unter anderem als Textilfaser verwendet werden.

Physikalische Eigenschaften

Carbonsäureester weisen durch ihre sauerstoffhaltige funktionelle Gruppe eine gewisse Polarität auf. Da ihnen der Wasserstoff einer Carbonsäure fehlt, reagieren sie neutral, also nicht als Säure. Ihre Siedepunkte liegen im Vergleich zu freien Alkoholen oder Carbonsäuren von vergleichbarer molarer Masse wesentlich niedriger.

Die jeweilige, meist 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. Die meisten Ester sind also hydrophob. Ein Ester mit kleiner Molekülgröße ist der in der obigen Tabelle gezeigte Essigsäuremethylester. In einem Liter Wasser lösen sich 250 g dieses Esters. Der etwas größere Essigsäureethylester hat nur noch eine Löslichheit von 80 g/l. Essigsäurebutylester ist bereits fast unlöslich in Wasser.

Reaktionen

Synthese

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

Neben der Umsetzung der Carbonsäure führen auch Reaktionen der entsprechenden Carbonsäureanhydride und Carbonsäurechloride zu Estern. 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.

Esterspaltung

Ester können gespalten werden. Dabei entstehen Alkohol und Carbonsäure. Für die Reaktion werden meist Basen eingesetzt. Die Reaktion nennt man Verseifung. Sie ermöglichen eine quantitative (= vollständige) Esterspaltung, da einerseits die Reaktion nach einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus verläuft, aber auch als Spaltprodukte ein Alkohol und das sehr stabile Carboxylat-Ion entstehen.

Die oben unter Synthese genannte Veresterung ist eine Gleichgewichtsreaktion. Diese Reaktion kann deswegen auch als saure Esterspaltung aufgefasst werden. Dabei werden Ester hydrolysiert, also durch Wasser gespalten. Die Reaktion wird durch den Einsatz einer starken Säure als Katalysator erleichtert.

Säureteil versus Alkoholteil

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.

Phosphorsäureester

Phosphorsäureester sind Ester der ortho-Phosphorsäure, die formal oder tatsächlich durch die Reaktion der Säure und Alkoholen unter Abspaltung von Wasser entstehen. Nukleinsäuren sind (als Teil ihrer Struktur) Ester der Phosphorsäure mit der Alkoholfunktion von Zuckern (z. B. Ribose oder Desoxyribose). Unter den Estern der Phosphorsäure und ihren Derivaten sind Verbindungen als potente Insektengifte bekannt (z. B. E605). Unter den Derivaten finden sich auch hochtoxische Verbindungen, wie beispielsweise die chemischen Kampfstoffe Sarin, Tabun und Soman.

Schwefelsäureester

Schwefelsäureester sind Ester der Schwefelsäure. Sie sind in der Natur breit vertreten. (Beispiel: Carrageen; Bestandteil der Hirnsubstanz, die so genannten Sulfatide). Alkylsulfate, häufig bezeichnet als Fettalkoholsulfate finden Verwendung in kosmetischen Produkten als anionische Tenside (Beispiel: Natriumlaurylsulfat). Dimethylsulfat und Diethylsulfat sind kraftvolle Reagenzien in der Chemie, um Methyl- oder Ethylgruppen auf andere Moleküle zu übertragen, sind aber karzinogen.

Besondere Ester

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).

Beispiele für Ester einiger weiterer Säuren

• Sulfonsäureester, die sogenannten Sulfonate
• Glycerintrinitrat (Sprengstoff Nitroglycerin)
• Borsäuremethylester (Nachweis von Bor durch grüne Flammenfärbung)
• Kieselsäureester
• Kohlensäurediethylester

Verwendung und Vorkommen

• Bienenwachs besteht hauptsächlich aus Estern des Myricylalkohols (C₃₀H₆₁OH) z. B. Palmitinsäuremyricylester (CH₃ − (CH₂)₁₄ − (CO)O − (CH₂)₁₃ − CH₃).

• Weiterhin sind Fette Ester aus Glycerol (Glycerin) und Fettsäuren.

• Ester können auch als Aromastoffe wirken. Man nennt sie auch Fruchtester. Ethansäure-2-butylester (CH₃COOC₄H₉) z. B. riecht nach Apfel, Ethansäure-2-methyl-1-propylester (CH₃COOCOOC₃H₇) nach Banane, Ethansäure-2-hexylester (CH₃COOC₆H₁₃) nach Erdbeere.

• Aus dem Celluloseester Cellulosenitrat (RCO − NO₂) stellt man heute Tischtennisbälle her.

• Ein weiterer Kunststoffester ist PET (PolyEthylenTerephtalat), welches zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen benutzt wird. Weiterhin ist Polyester weithin bekannt.

• Ester finden aber auch in Weichmachern Verwendung. Ein Beispiel hierfür wären Ester der Alkylsulfonsäure Mesamoll und der Phthalsäureester Diethylhexylphthalat (C₂₄H₃₈O₄) Weichmacher für PVC.

• Ferner finden Ester in der Medizin Verwendung: Ethylnitrit (CH₃ − CH₂ − O − N = O) ist ein harntreibendes und fiebersenkendes Mittel. Amylnitrit ((CH₃)₂CHCH₂CH₂ − O − N = O) wirkt krampflösend bei Asthma und bei epileptischen Anfällen.

• Ester kann man aber auch als Insektizid verwenden, z. B. Phosphorsäureester. Dazu gehören Parathion (C₁₀H₁₄NO₅PS) und Dichlorvos (C₄H₇Cl₂O₄P).

• Schwefelsäureester, genauer Fettalkoholsulfate, wie z. B. Natriumlaurylsulfat werden als Tenside in Kosmetika verwendet.

• Als Sprengstoff kann Glycerintrinitrat (O₂NO − H₂C − CH(ONO₂) − CH₂ − ONO₂) verwendet werden.

• Manche militärische Kampfstoffe sind Ester. Tabun (Dimethylphosphoramidocyansäureethylester) (C₅H₁₁N₂O₂P₂), Soman Methylphosphonofluoric acid) (C₇H₁₆FO₂P), Sarin (Methylfluorphosphonsäureisopropylester) (CH₃P(O)(F)OCH(CH₃)₂) sind solche Ester.

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