Ether – Synthesen (Expertenwissen)

Ether – Synthesen (Expertenwissen) Übung

• Formuliere die einzelnen Schritte einer sauren Veretherung.

  Tipps

  Es soll Diethylether entstehen. Daraus kann man ablesen, welcher Alkanol verwendet werden muss.

  Bei der Säure handelt es sich um eine starke Säure, die man auch in reiner Form abfüllen kann.

  Das Zwischenprodukt ist ein Ester, das vom Namen her an ein Salz der verwendeten Säure erinnert.

  Lösung

  Im ersten Schritt der Reaktion reagiert der Alkohol mit der Schwefelsäure. Die Hydroxygruppe reagiert mit der Säure und wird durch sie verestert. Dabei wird Wasser frei.

  • Ethanol + Schwefelsäure $\longrightarrow$ Ethylsulfat + Wasser
  • $CH_3-CH_2-OH+HO-SO_2-OH$ $\longrightarrow CH_3-CH_2-O-SO_2-OH+H-OH$

  Anschließend reagiert das entstandene Ethylsulfat mit einem weiteren Molekül des Alkohols. Dabei bildet sich der Ether und die Schwefelsäure wird wieder frei.

  • Ethylsulfat + Ethanol $\longrightarrow$ Diethylether + Schwefelsäure
  • $CH_3-CH_2-O-SO_2-OH + CH_3-CH_2-OH$ $\longrightarrow CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3 + H_2SO_4$

  In der Bruttogleichung tauchen Säure und Ethylsulfat nicht auf, da sie sowohl auf der Eduktseite als auch auf der Produktseite stehen und damit gekürzt werden können.

• Bestimme die Produkte aus der Williamson-Synthese zu folgenden Beispielen.

  Tipps

  Der Ether wird durch die beiden Reste benannt, aus denen der Ether aufgebaut ist. Anschließlich folgt ether.

  Die Reste im Namen werden nach dem Alphabet angeordnet.

  Das Alkalimetall-Halogenid ergibt sich aus dem Alkalimetall und dem Halogen, die als Bestandteile in den Edukten vorliegen.

  Lösung

  Bei der allgemeinen Reaktionsgleichung der Williamson-Synthese reagieren:

  Alkali-Metall-Alkoholat + Alkyl-Halogenid $\longrightarrow$ Ether + Alkali-Metall-Halogenid

  • $R^1-OM + R^2-X \longrightarrow R^1-O- R^2 + MX$

  Aus den Resten der beiden Edukte setzt sich der Name des Ethers zusammen. Sie werden in alphabetischer Reihenfolge angeordnet. Dann folgt ether. Das Alkalimetall-Halogenid ergibt sich aus dem Alkalimetall und dem Halogen, die in den Edukten vorliegen.

  Natriumisopropylat + Isopropylbromid $\rightarrow$ Diisopropylether + Natriumbromid

  1-Iodbutan + Kaliumpropylat $\rightarrow$ Butylpropylether + Kaliumiodid + Kaliumiodid

  Hexylchlorid + Lithiumpenthylat $\rightarrow$ Hexylpentylether + Lithiumchlorid

  Kaliummethylat + 1-Iodoctan $\rightarrow$ Methyloctylether + Kaliumiodid

  Natriumethylat + Propyliodid $\rightarrow$ Ethylpropylether + Natriumiodid

  Ethyliodid + Natriumbutylat $\rightarrow$ Butylethylether + Natriumiodid

• Erkenne wichtige Ausgangsstoffe für die Ether-Synthese.

  Tipps

  Die Ether-Gruppe -O- ist in vielen Verbindungen vorgeformt.

  Bei der Synthese benötigt man außer dem Alkoxy-Rest-OR noch die andere Seite.

  Zu viel an der funktionellen Gruppe wirkt störend.

  Phenole und Alkohole gehören streng genommen zu verschiedenen Verbindungsklassen. Bei der Ether-Synthese jedoch verhalten sie sich ähnlich.

  Lösung

  Alkohole und Phenole sind beide Ausgangsstoffe für die Ether-Synthese.

  • Das betrifft sowohl den einfachsten Vertreter ${C_6H_5OH}$ als auch natürlich mehrwertige Phenole wie Brenzkatechin, Resorzin oder Hydrochinon.
  • Bei den Alkoholen sind alle unverzweigten Alkanole wie Methanol, Ethanol, Propanol, usw. geeignet. Auch die sekundären Alkohole liefern Ether.
  • Aus tertiären Alkoholen gewinnt man generell keine Ether. Hier bedient man sich indirekter Verfahren. Aber in der Liste von Vorschlägen gibt es keinen tertiären Alkohol.
  • Der Ether, sei er nun symmetrisch aufgebaut oder nicht, entsteht immer asymmetrisch, da man das Sauerstoff-Atom nur zusammen mit einer Gruppe hinzufügen kann. Spezielles Einfügen atomaren Sauerstoffes geht nicht!

  Achtung: Niemals leichtfertig den Begriff asymmetrische Synthese verwenden! Es handelt sich hier um eine besondere semantische Zuordnung, die ein konkretes Syntheseziel beinhaltet. Aus diesem Grund sind Halogenalkane unter Beteiligung von Chlor, Brom oder Iod geeignete Ausgangsverbindungen. Fluor ist ungeeignet. Hat man ein Halogenalkan als einen Reaktionspartner, benötigt man eine geeignete Zweitverbindung. Aus der Struktur der Ether kann man erkennen, dass es sich dabei um das Reaktionsprodukt eines Alkohols mit einem Alkalimetall, zum Beispiel um ${CH_3CH_2}^- Na^+$, handeln muss.

• Berechne die Anzahl verschiedener Ether, die sich ergeben, wenn du alle möglichen Alkohole mit 1-4 C-Atomen kombinierst.

  Tipps

  Überlege dir, wie viel verschiedene Alkohole $C_1$ bis $C_4$ möglich sind.

  Berücksichtige unterschiedliche Stellungen der Hydroxygruppe.

  Denk auch an mögliche Verzweigungen der Kohlenstoffkette.

  Berechne die Zahl möglicher Reaktionsprodukte, indem du aus verschieden Resten $R^1-$ und $R^2-$ unterschiedliche Ether $R^1-O-R^2$ aufbaust.

  Lösung

  Nehmen wir an, dass $n$ verschiedene Alkohole vorliegen. Kombiniert man links und rechts, ergibt das $n^2$ verschiedene Ether. Das bedeutet, alle Zahlen, die keine Quadratzahlen sind, sind keine Lösungen. Nun muss die Zahl aller gesättigten Alkohole mit einem, zwei, drei oder vier Kohlenstoffatomen bestimmt werden.

  Wir zählen: Methanol plus Ethanol sind zwei Alkohole. Dazu kommen Propan-1-ol und Propan-2-ol. Nun sind es bereits vier Alkohole. Vom Butanol gibt es vier Alkohole: den primären Alkohol Butan-1-ol, den sekundären Alkohol Butan-2-ol (beide unverzweigt), den sekundären verzweigten Alkohol 2-Methylpropan-1-ol und den tertiären Alkohol 2-Methylpropan-2-ol (tert-Butanol).

  Das ergibt zusammen acht Alkohole.

  Ein Problem bleibt: tert-Butanol liefert keinen Ether.

  Somit bleiben sieben etherbildende Alkohole. Folglich können 7 mal 7 = 49 Ether hergestellt werden.

• Benenne die Edukte zur Synthese von Diethylether.

  Tipps

  Versuche die Stoffklasse anhand der charakteristischen Formelmerkmale zu erkennen.

  Alkohole besitzen die Hydroxygruppe $-OH$.

  Alkene besitzen eine Doppelbindung.

  Lösung

  Es gibt verschiedene Synthesewege für Ether. Um sie verstehen zu können, ist es wichtig die beteiligten Edukte zu erkennen. Zum einen können Ether aus Alkoholen und Schwefelsäure hergestellt werden. Alkohole erkennst du an der $-OH$-Gruppe. Sie können aber auch durch eine Reaktion von Alkenen mit Schwefelsäure entstehen. Alkene haben eine Doppelbindung im Molekül. Außerdem können Alkoholmoleküle mit Wasserstoffionen protoniert werden.

  Bei der Williamson-Synthese reagieren ein Alkoholat und ein Halogenalkan. Halogenalkane erkennst du am enthaltenen Halogen (F, Cl, Br, I) und Alkoholate sind die Salze der Alkohole. Da ist also das Wasserstoffatom der $-OH$-Gruppe durch ein Metallkation $-OM$ ersetzt.

• Erarbeite Faktoren, die eine saure Ethersynthese begünstigen.

  Tipps

  Als Katalysator braucht man starke und beständige Säuren.

  Schwefelsäure ist stabil und existiert in reiner Form. Salzsäure gibt es nur in Lösung.

  Der Entzug des Reaktionsproduktes steigert stets den Umsatz.

  Lösung

  1.$~$Mit einem tertiären Alkohol wie tert-Butanol sollte man es gar nicht versuchen, denn es entsteht kein Ether, sondern Isobutylen $(CH_3)_2C=CH_2$.

  • Ja, die Synthese gelingt tatsächlich nicht. Grund dafür ist die relativ hohe Stabilität des Isobutylens. Hervorgerufen wird sie durch die Hyperkonjugation der Methyl-Gruppen mit der Doppelbindung.

  2.$~$Für die Veretherung ist jede Säure geeignet, denn jede Säure spaltet Protonen ab.

  • Nein, zu schwache, zu instabile oder zu flüchtige Säuren sind ungeeignet.

  3.$~$Saure Ionenaustauscherharze sind für die Veretherung ungeeignet, da die Säure flüchtig sein muss.

  • Nein, gerade die geringe Flüchtigkeit der sauren Ionenaustauschharze führt zu ihrer guten Eignung als saurer Katalysator. Ihre Wirtschaftlichkeit ist ein schöner Nebeneffekt.

  4.$~$Konzentrierte Schwefelsäure ist ein geeigneter Katalysator. Günstig ist zusätzlich, dass die Verbindung stark hygroskopisch ist.

  • Ja.

  5.$~$Salzsäure katalysiert die Veretherung besser als Schwefelsäure, weil sie die stärkere Säure ist.

  • Nein, zwar ist Salzsäure (im wässrigen Medium!) tatsächlich eine stärkere Säure als Schwefelsäure. Als reine Verbindung als Chlorwasserstoff ist sie jedoch flüchtig und als Katalysator ungeeignet. Konzentrierte Salzsäure hilft auch nicht, denn das viele Wasser stört. Da Wasser bei der Veretherung entsteht, drückt es das chemische Gleichgewicht in Richtung der Edukte.

  6.$~$Bei der Ethersynthese kann man den Ether abdestillieren. Das ist günstig, denn es bewirkt seine Nachbildung.

  • Ja.

  7.$~$Aus zwei verschiedenen primären Alkoholen erhält man unter geeigneten Synthesebedingungen drei verschiedene Ether.

  • Ja, wir zählen: Ein Ether entsteht aus einem Alkohol, der zweite aus dem anderen Akohol. Der dritte Ether schließlich ist die unsymmetrische Verbindung aus beiden Alkoholen.

  8.$~$Der Start der sauren Veretherung erfordert die Anwesenheit von Wasser.

  • Nein, wenn etwas bei der sauren Veretherung sehr stört, dann ist es die Anwesenheit von Wasser.