Synthetische Darstellung des Essigsäurephenylesters

[Demetrius]

Hallo alle zusammen,

zwar bin ich bereits seit geraumer Zeit hier im Forum angemeldet, allerdings fand ich bis dato einfach nicht die Zeit, einen Beitrag zu formulieren. Dieses Versäumnis möchte ich heute ganz gerne nachholen. Allerdings handelt es sich um eine verhältnismäßig einfache Synthese, die sicherlich bereit häufig ausgeführt wurde.

Ich habe mich vor knapp einem Jahr mit der synthetischen Darstellung des Essigsäurephenylesters beschäftigt. Meine Zielsetzung tendierte dahingehend, eine einfache Grundkomponente zu synthetisieren, die später im Rahmen einer Mehrstufensynthese als Edukt eingesetzt werden kann.

Da ich zur damaligen Zeit ein gut ausgestattetes Betriebslabor nebst GC/MS und einem verhältnismäßig üppigen Chemikalienbestand nutzen konnte, bestand die Möglichkeit einer alternativen Veresterung des Phenols. Da ich bereits zu diesem Zeitpunkt den Gedanken im Hinterkopf hatte, aus einem Carbonsäurephenylester über die Fries-Umlagerung ein Acylphenol darzustellen, viel die Wahl schließlich auf die Darstellung des Essigsäurephenylesters, da Phenol und Essigsäureanhydrid gerade zur Verfügung standen.

Allerdings habe ich die Umsetzung nicht nach den üblichen Angaben in den Lehrbüchern ausgeführt, sondern eine modifizierte Vorschrift für die Umsetzung von Phenol mit Essigsäureanhydrid im alkalischem Medium unter Ausnutzung der extraktiven Veresterung ausgearbeitet. Neben der synthetischen Darstellung dieses Esters, verfolgte ich unter anderem die Intention, eine nach Möglichkeit einfache Synthesemöglichkeit für diesen Ester zu finden, die es gestattet, eine größere Menge desselben in kurzer Zeit und in einer möglichst großen Reinheit darzustellen. 

Da dieser Beitrag keinesfalls als Synthesevorschrift aufgefasst werden soll, habe ich auf die Angabe der Stoffmengenverhältnisse etc. verzichtet.

Zur Ausführung:

Ich habe die im Vorfeld berechnete Masse an Phenol in einem Becherglas vorgelegt, mit einem Rührfischchen versehen und anschließend vollständig in einem definierten Volumen einer 0,5 molaren Kalilauge gelöst. Laut Schotten-Baumann muss die Menge der Hydroxidlösung mindestens äquivalent zugegeben werden, damit die Veresterung vollständig verläuft, andernfalls verschiebt sich das Gleichgewicht zu Gunsten der Produkte (Ester) nicht vollständig, insoweit bei einer Veresterung überhaupt von einer vollständigen Umsetzung gesprochen werden kann. Als Extraktionsmittel wurde n-Hexan eingesetzt, da dieses unplolare organische Lösungsmittel im Rahmen der Reaktion einen nahezu inerten Charakter einnimmt. Zudem löst sich der gebildete Ester sehr gut in n-Hexan.

In die alkalische n-Hexan-Lösung wurde nun unter kontinuierlichen Rühren die berechnete Menge an Essigsäureanhydrid langsam eingetropft. Als Reaktionszeit habe ich 120 Minuten angesetzt, bei einer Reaktionstemperatur von knapp 313 - 323 K. In zeitlich regelmäßigen Abständen wurden Proben entnommen und mittels GC/MS auf den Gehalt an Ester hin analysiert. Die Ausbeute stieg im Laufe der Reaktion zwar an, bricht allerdings nach knapp 60 Minuten mehr oder weniger ab. Zumindest konnte ich nach 60 Minuten keine weitere Zunahme der Esterkonzentration feststellen.

Auch wenn die Ausbeute des Hauptproduktes am Ende bezogen auf die Einsatzmenge der Edukte mit knapp 50% deutlich zu gering ausgefallen ist, stellt diese Methode doch eine sehr elegante, vor allem relativ einfache Methode dar, um in relativ kurzer Zeit größere Mengen dieses Esters zu synthetisieren, zumal das Extraktionsmittel vollständig zurückgewonnen werden kann. 

Es darf noch erwähnt werden, dass eine Aufreinigung des Produktes ohne großen apparativen Aufwand realisiert werden kann, indem der Rohester 5-mal mit je 20 ml einer 0,5 molaren Kalilauge extrahiert wird. Das aufgereinigte Produkt wurde mittels GC/MS auf seine Reinheit hin untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass sich eine Reinheit des Esters von 99,9% eingestellt hat. 

Nun allerdings zu meiner Frage:

Kann mir jemand mitteilen, warum die Veresterung bereits bei einem Umsatz von knapp 50% unterbrochen wurde?

Laut Literatur (Bayer/Walter, Organikum etc.) bricht die Veresterung nur dann bei dieser geringen prozentualen Umsetzung ab, wenn die Stoffmenge der Hydroxidlösung nicht mindestens äquivalent bemessen war. Allerdings habe ich bereits deutlich mehr Lauge zugegeben, als aufgrund des Stoffmengenverhältnisses hätte zugegeben werden müssen, sodass also eine deutlich überäquivalente Menge an Lauge im Reaktionsgemisch vorlag.

Das die Lauge, die als Katalysator fungiert, zugleich jedoch die im Rahmen der Reaktion gebildete freie Säure bindet, sukzessiv verbraucht wird, habe ich bei der Berechnung der Laugenmenge berücksichtigt.

Vielleicht hat jemand im Forum eine Idee, wie sich die Ausbeute deutlich erhöhen lässt. Wie gesagt, die Methode an sich sollte so einfach wie möglich, ohne großen apparativen Aufwand ausgeführt werden können.

Viele Grüße

Demetrius

[Heuteufel]

Ich glaube, es ist erstmal wichtig festzustellen, dass diese Reaktion nicht der klassischen Schotten-Baumann-Methode entspricht. Bei der klassischen klassischen Schotten-Baumann-Methode hat man zwei Phasen: Eine organische (meist Chloroform)-sie enthält alle Produkte und die gewünschten Edukte. Eine wässrige: Sie enthält die Natronlauge und neutalisiert die entstehende HCl (bei der  Schotten-Baumann-Methode wird meist das Säurechlorid verwendet).
In dem Fall wäre es wichtig, dass das Hexan auch das Ac₂O löst, was man überprüfen müsste.

Im Fall eines Phenylesters ist die Situation jedoch eine andere: Das Phenolat-Anion befindet sich fast vollständig in der wässrigen Phase. Dort reagiert es auch mit dem Ac₂O, welches sich zu etwa 2,6% in Wasser löst. Der entstehende Ester geht dann in die Hexanphase über, worin er sich unbedingt gut lösen muss (was er ja auch tut).

1) Ein mögliches Problem ist, dass sich die entstehende Essigsäure (anders als das HCl) auch in der organischen Phase lösen kann und dadurch nicht vollständig neutralisiert wird.

2) Das Ac₂O, sowie ein Teil des entstehenden Esters werden von der Base zersetzt. Das verlangt einen unanständig grossen Uberschuss an Ac₂O. Falls du stoechiometrische Mengen verwendet hast, ist die schlechte Ausbeute nicht verwunderlich.

Was man ändern könnte:

1)

a) Anderes Lösungsmittel nehmen.
b) Zuerst nur das Phenol, Natronlauge und Ac₂O nehmen. Anschliessend mit Hexan extrahieren. (Wird tatsächlich so gemacht, besondes bei Estern, die so hydrolysebeständig wie der Essigsäurephenylester sind.)

2) Mehr Ac₂O nehmen ! In der Literatur ist teilweise von 5 Aquivalenten Ac₂O pro Hydoxylgruppe die Rede!     

3) Einhorn-Variante. Die ist wesentlich effektiver (hier muss man aber wahrscheinlich das Säurechlorid nehmen).

Ansonsten ist deine Methode schon sehr interessant. Da die Ausgangsstoffe ja alle billig sind, ist die miese Ausbeute auch kein grosses Problem. 

[Demetrius]

Hallo Heuteufel,

vielen Dank für Deine interessante Antwort.

Ich muss Dir zunächst einmal beipflichten. Die von mir beschriebene Veresterung lässt sich streng genommen nur ansatzweise mit der klassischen Ausführung nach Schotten-Baumann vergleichen. Im Wesentlichen basiert die zur Anwendung gelangte Umsetzung auf eigenen Überlegungen, die sich jedoch teils an der Schotten-Baumann Methode orientierten.

Ich denke schon, dass sich ein Teil der gebildeten Essigsäure in der organischen Phase gelöst hat.  Allerdings bin ich davon ausgegangen, dass die Essigsäure durch einen Laugenüberschuss gebunden beziehungsweise vollständig neutralisiert wird, was offenbar nicht der Fall war.

Ich habe gerade die zur damaligen Zeit entstandenen Aufzeichnungen zu dieser Umsetzung genauer betrachtet. Tatsächlich ist es so, dass ich deutlich zu wenig Edukt (Anhydrid) eingesetzt habe. Somit dürfte also die geringe Ausbeute auf diese Tatsache zurückzuführen sein. Eine teilweise Verseifung des gebildeten Esters durch die Lauge halte ich im Übrigen ebenfalls für wahrscheinlich.

Allerdings könnte man aus diesen Überlegungen auch den Schluss ziehen, dass es opportun wäre, die Menge des Anhydrids sowie der Lauge identisch zu bemessen. Demnach würde pro Mol Anhydrid ein Mol Essigsäure frei, die wiederum durch 1 Mol Lauge neutralisiert werden kann. Eine Verseifung des Esters durch die Lauge könnte somit eventuell reduziert werden.

Ob sich allerdings Essigsäureanhydrid in n-Hexan löst, vermag ich gerade nicht zu sagen. Aufgrund des stark unpolaren Charakters des n-Hexans würde ich eher zu der vorsichtigen Aussage tendieren, dass nur ein sehr geringer Teil des Anhydrids gelöst wird. Hier wäre eine Überprüfung in jedem Fall sinnvoll.

Am Ende ist die geringe Ausbeute durchaus zu verkraften, wenn man berücksichtigt, dass die Reinigung des Esters im Wesentlichen durch eine einfache flüssig-flüssig Extraktion zu realisieren ist, wobei ein sehr reines Produkt entsteht, welches in jedem Fall für die weiteren Synthesen eingesetzt werden kann.

Ich werde Deine wertvollen Tipps in jedem Fall berücksichtigen und diese Methode weiter verbessern. Wie gesagt, ich benötige den Ester für die Fries-Umlagerung, da mir gerade keine günstigere Möglichkeit einfällt, die Acylphenole darzustellen. Vor allem sind die Edukte für die Estersynthese, wie Du bereits konstatiert hast, verhältnismäßig günstig. Außerdem wäre zu erwähnen, dass die Reaktionszeit für die Umsetzung relativ niedrig anzusetzen ist. Ich bin zwar von 120 Minuten ausgegangen, allerdings dürfte die Umsetzung bereits nach knapp 60 Minuten, vielleicht sogar bereits nach 30 Minuten abgeschlossen sein, da die Veresterung relativ rasch verläuft.

Viele Grüße

Demetrius

[Heuteufel]

Ich denke schon, dass sich ein Teil der gebildeten Essigsäure in der organischen Phase gelöst hat.  Allerdings bin ich davon ausgegangen, dass die Essigsäure durch einen Laugenüberschuss gebunden beziehungsweise vollständig neutralisiert wird, was offenbar nicht der Fall war.

Ich habe mal im Reagenzglas versucht, wie sich Essigsäure in Alkanen löst. Ich hatte kein Hexan zur Hand, also nahm ich Petrolether (80-100°C Siedebereich). Resultat: In jedem Verhältnis mischbar. Das hat mich nicht sonderlich überrascht, da ich weiss, dass man Acridon gut aus Essigsäure/Anilin umkristallisieren kann. Ich glaube, für die gute Löslichkeit von Eisessig in unpolaren Lösungsmitteln sind die "Zweifach-Wasserstoffbrücken" der Essigsäure verantwortlich: So ist das Molekül nach aussen hin unpolar. Gibt man jedoch ein wenig Wasser zur Lösung, so bilden sich zwei Phasen, da dann das Prinzip nicht mehr funktioniert.
Ich gehe jedoch sowieso davon aus, dass die Löslichkeit der Essigsäure in der organischen Phase nicht für die schlechte Ausbeute verantwortlich ist, denn wie du schon sagtest:

dass die Essigsäure durch einen Laugenüberschuss gebunden beziehungsweise vollständig neutralisiert wird

und das schnell und irreversibel.

Vielmehr glaube ich, dass die Menge des Anhydrids (und der Lauge) entscheident ist.

Allerdings könnte man aus diesen Überlegungen auch den Schluss ziehen, dass es opportun wäre, die Menge des Anhydrids sowie der Lauge identisch zu bemessen. Demnach würde pro Mol Anhydrid ein Mol Essigsäure frei, die wiederum durch 1 Mol Lauge neutralisiert werden kann. Eine Verseifung des Esters durch die Lauge könnte somit eventuell reduziert werden.

Ich weiss nicht so recht. Hier mal aus dem Weygand-Hilgetag:
"Panormow recommends that, to ensure as complete a benzoylation as possible, 20 parts of 20% sodium hydroxide solution should be used for every 6 parts of benzoyl chloride. Skraup believed that, to obtain as complete a reaction as possible,7 equivalents of 10-30% sodium hydroxide solution and 5 equivalents of acidchloride should be used for each hydroxyl group."

Da muss man sich nur fragen, was in diesem Fall letzendlich billiger wird.

Ob sich allerdings Essigsäureanhydrid in n-Hexan löst, vermag ich gerade nicht zu sagen. Aufgrund des stark unpolaren Charakters des n-Hexans würde ich eher zu der vorsichtigen Aussage tendieren, dass nur ein sehr geringer Teil des Anhydrids gelöst wird. Hier wäre eine Überprüfung in jedem Fall sinnvoll.

Ich hab mal kurz im RG. ausprobiert: du liegst völlig richtig! Ich weiss aber nicht, ob dieser Faktor irgend eine Rolle spielt.

[Phil]

Als erstes möchte ich ein Kompliment machen, es wird sachlich und Fachlich diskutiert ohne böse Worte. Das finde ich nun wirklich toll.
Frage, weshalb nimmst Du nicht Essigsäureanhydrid und Phenol? Das funktioniert wunderbar und ist sehr einfach.

[Demetrius]

Hallo Heuteufel und Phil,

ich denke, mit meiner Schlussfolgerung, Essigsäureanhydrid und Lauge im identischen Verhältnis einzusetzen, liege ich somit nicht korrekt. Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit liegt es also an dem zu gering bemessenen Volumen an Essigsäureanhydrid.

Sicherlich ist das ein Stück weit auch eine Preisfrage.

Heuteufel, vermutlich spielt die kaum zu beobachtende Löslichkeit des Anhydrids im n-Hexan (beziehungsweise Petrolether) keine signifikante Rolle.

Phil vielen Dank für Deinen Vorschlag. Allerdings bin ich bei der Darstellung des Esters von Phenol und Essigsäureanhydrid ausgegangen. Allerdings habe ich für die Umsetzung eine, gegenüber der Methode nach Schotten-Baummann abgewandelte Umsetzung realisiert. Soweit funktioniert diese zwar, allerdings viel die Ausbeute nicht unbedingt befriedigend aus.

Es gilt also noch ein wenig zu verfeinern.

Vielen Dank im Übrigen für das Kompliment. Ich denke, es ist überaus wichtig, dass man solche Diskussionen sachlich führt. Polemik führt hier keinesfalls zum gewünschten Ziel.

Viele Grüße

Demetrius