Ether – Synthese

Ether – Synthese Übung

• Schildere die saure Veretherung von Ethanol.

  Tipps

  In der Gesamtreaktion reagieren zwei Ethanolmoleküle zu Diethylether und Wasser. Schwefelsäure ist der Katalysator.

  Lösung

  Im ersten Reaktionsschritt reagiert ein Molekül des Ethanols mit einem Molekül Schwefelsäure. Dabei entstehen ein Molekül Wasser und der Sulfonsäureether des Ethanols. Hierbei handelt es sich um eine Säure-Base-Reaktion.

  Im zweiten Reaktionsschritt kommt es zur Reaktion des Sulfonsäureesters mit einem weiteren Molekül Ethanol. Dabei entsteht das Reaktionsprodukt Diethylether. Außerdem reagiert der ${HSO_4}^-$-Rest mit dem Wasserstoff-Kation der $OH$-Gruppe des Ethanols zu Schwefelsäure.

  Die Gesamtreaktion ist also folgende:
  $2~CH_3CH_2-OH\ \ \longrightarrow\ \ CH_3CH_2-O-CH_2CH_3 + H_2O$.

• Ergänze die Reaktionsprodukte.

  Tipps

  Beachte die Längen der Alkylketten!

  Lösung

  Bei der Reaktion von Ethen mit Schwefelsäure entsteht zunächst, wie bei der Reaktion von Ethanol mit $H_2SO_4$, das Ethylsulfat. Dieses kann bei Zugabe eines Alkohols zum Ether weiterreagieren.

  Alkohole reagieren bei Anwesenheit einer Säure zu ihren Ethern. Dabei entsteht auch Wasser, es handelt sich also um eine Dehydratisierung. Bei der säurekatalysierten Reaktion von 1-Propanol mit Ethanol entsteht so Ethylpropylether.

  Bei der Williamson-Synthese von Ethern entstehen aus Natrium-Alkoholaten und bromierten Alkanen die entsprechenden Ether, als Nebenprodukt entsteht Natriumbromid. Bei der Reaktion von Natriumethanolat mit Brommethan entsteht also neben Natriumbromid der Ethylmethylether.

• Vergleiche die durch Schwefelsäure katalysierte Ethersynthese aus Ethanol sowie Ethen und Ethanol.

  Tipps

  Lösung

  Beide Reaktionen verlaufen sehr ähnlich. Der Grund dafür ist, dass das Hydrogensulfat-Anion das sehr instabile Carbo-Kation ${H_3C-CH_2}^+$ sehr gut stabilisieren kann. Das Kation kann sowohl durch Abspalten der $OH$-Gruppe des Ethanols als auch durch Addition von $H^+$ an Ethen gewonnen werden.

  Da Schwefelsäure sowohl eine starke Säure ist als auch das stabilisierende Hydrogensulfat-Anion ${HSO_3}^-$ zur Verfügung stellen kann, wird die Reaktion durch Schwefelsäure gut katalysiert.

  Im abschließenden Reaktionsschritt reagiert bei beiden Synthesen das Zwischenprodukt Ethylsulfonsäureester mit Ethanol zu Diethylether, dem Reaktionsprodukt.

• Erkläre die Williamson-Synthese von Diisopropylether.

  Tipps

  Lösung

  Natriumalkoholate sind Natriumsalze von den Anionen der Alkohole. Das Natrium-Kation kann hiervon relativ leicht abgespalten werden, zurück bleibt das Alkoholat-Anion, das die negative Ladung am Sauerstoffatom trägt.

  Bei Halogenalkanen liegt eine stark polarisierte Bindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Halogen vor. Daher kann das Halogen relativ leicht als Halogenid abgespalten werden.

  Diese Tatsachen macht man sich bei der Williamson-Synthese zu Nutze. Natrium-Kationen und Bromid-Anionen bilden ein sehr stabiles Salz, das Natriumbromid $NaBr$. Dieses ist in organischen Lösungsmitteln unlöslich und fällt daher aus. Bei der Reaktion von Natrium-Kation und Bromid-Anion wird viel Energie frei, welche die Triebkraft für die Reaktion ist.

  Aus den verbleibenden Alkoholat-Anionen und dem Alkan-Kation entsteht das Reaktionsprodukt, in diesem Fall der Diisopropylether.

• Nenne Möglichkeiten der Ethersynthese aus Ethen und Ethanol.

  Tipps

  Alkylsulfonsäureester sind relativ stabile Verbindungen und können als Zwischenprodukte bei der Ethersynthese dienen.

  Lösung

  Ethen kann bei erhöhten Temperaturen mit $H_3O^+$ zu einem Carbenium-Kation ${H_3C-CH_2}^+$ reagieren. Dies ist ein sehr reaktives Zwischenprodukt. Stammt das $H^+$-Kation von Schwefelsäure, reagiert dieses Carbenium-Kation zum Ethylsulfonsäureester $CH_3-CH_2-O-SO_3H$.
  Sowohl der Sulfonsäureester als auch das Carbenium-Kation reagiert mit Ethanol zum Diethylether. Daher gelingt die Synthese von Diethylether aus Ethen und Ethanol mit anorganischen Säuren und besonders gut mit Schwefelsäure als Katalysator.

• Analysiere den Mechanismus der Ethersynthese durch Dehydratisierung von Alkoholen.

  Tipps

  Orientiere dich am oben gezeigten Reaktionsmechanismus!

  Lösung

  Der Reaktionsmechanismus unterteilt die Gesamtreaktion in Reaktionsschritte und verdeutlicht so die katalytische Wirkung des $H^+$-Kations. Diese Darstellung ist jedoch nicht als Abfolge von Einzelreaktionen zu sehen. Die im Mechanismus angegebenen Zwischenprodukte sind sehr unbeständig und können in der Regel nicht isoliert werden!

  Am Mechanismus wird deutlich, dass das $H^+$-Ion die Reaktion überhaupt erst ins Rollen bringt. Durch die Addition an den Alkohol kann ein Wassermolekül abgespalten werden. Die Abspaltung der Hydroxygruppe wäre ohne den Katalysator nicht möglich! Das dabei entstehende Carbenium-Kation mit der positiven Ladung am Kohlenstoffatom ist instabil und sehr reaktiv. Es reagiert sofort mit einem weiteren Molekül des Alkohols.
  Dabei entsteht ein Zwischenprodukt, das einem Ether gleicht, jedoch eine positive Ladung trägt und ein zusätzliches Wasserstoffatom am Sauerstoffatom der Ethergruppe besitzt. Durch Abspalten dieses Wasserstoffatoms als $H^+$-Ion wird als Reaktionsprodukt der Ether erhalten. In diesem Reaktionsschritt wird das $H^+$-Ion zurückgewonnen, $H^+$ wird also bei der Reaktion nicht verbraucht.