Kondensationsreaktionen – Überblick

Kondensationsreaktionen – Überblick Übung

• Erkläre das Wesen der Kondensationsreaktion an folgendem Beispiel.

  Tipps

  Die basische Umkehrung der Kondensationsreaktion heißt Verseifung.

  Nebenstehende Verbindung ist ein Ether (Dimethylether).

  Lösung

  Die Kondensationsreaktion ist die Reaktion zwischen zwei funktionellen Gruppen, die in einem Molekül gleichzeitig vorliegen, oder zwischen mindestens zwei Molekülen, die jeweils eine funktionelle Gruppe besitzen. Zu den Verbindungen, die Kondensationsreaktionen eingehen, gehören vor allem:

  • Carbonsäuren $R-C(=O)-OH$,
  • Alkohole $R-COH$ und
  • Aminosäuren $R-C[-C(=O)-OH]-NH_2$.

  Bei der Kondensationsreaktion werden kleine Moleküle, wie zum Beispiel Wasser, Ammoniak oder Salzsäure, abgespalten.

  Die Umkehrreaktion der Kondensationsreaktion ist die Hydrolyse. Die Esterspaltung ist ein Beispiel für eine Kondensation. Sie erfolgt im sauren Milieu reversibel und ist im basischen unumkehrbar (Verseifung). Bei der Hydrolyse wird kein Wasser frei, sondern es wird für die Rückreaktion benötigt (hydro = Wasser).

• Bestimme die Produkte der Kondensationsreaktionen.

  Tipps

  Essigsäure und Ethanol reagieren zu Ethylacetat.

  Nebenstehende Verbindung ist ein Disaccharid.

  Lösung

  Eine Kondensationsreaktion ist eine Reaktion, in der sich zwei Moleküle unter Abspaltung kleiner Moleküle wie z.B. Wasser oder Ammoniak vereinigen.

  Beispiele für Kondensationsprodukte sind Ether, die aus zwei Alkoholmolekülen aufgebaut werden können, und Disaccharide, die aus zwei Monosacchariden gebildet werden, jeweils unter Abspaltung von Wasser.

  Im Hinblick auf die Polymerisation, d.h. die Bildung von Makromolekülen mit sehr hohen Molmassen, spielt die Kondensationsreaktion eine wichtige Rolle. Bei der Polykondensation werden zwei Bausteine vereinigt, in deren Ergebnis Wasser oder andere kleine Moleküle ($NH_3$) abgespalten werden. Das Reaktionsprodukt heißt Polykondensat. Die Polykondensate können verschiedene Produkte sein, zu den wichtigsten zählen die Polyamide und Peptide (s. Abb. Dipeptid), die über eine Amidbindung verknüpft sind, und die Polyester, die eine Estergruppe tragen, die bei der Kondensationsreaktion mehrwertiger Carbonsäuren mit mehrwertigem Alkohol entstehen.

• Erkläre den Mechanismus der sauren Hydrolyse an einer Esterspaltung.

  Tipps

  Der Ausdruck [$H^+$] bedeutet, dass das Proton in der Reaktion katalytisch verwendet wird.

  Bei der Protonenkatalyse wird das Proton zunächst aufgenommen und im letzten Schritt unverändert abgegeben.

  Lösung

  Die saure Hydrolyse ist im Gegensatz zur basischen Hydrolyse (Verseifung) eine reversible Reaktion. Die saure Hydrolyse eines Esters führt zur Freisetzung einer Carbonsäure und eines Alkohols.

  Die saure Hydrolyse findet mittels einer Protonenkatalyse statt. Bei der Protonenkatalyse wird zunächst das Sauerstoffatom, welches die zwei freien Elektronenpaare besitzt, protoniert. Dieser Schritt dient dazu das Carbonyl-Kohlenstoffzentrum noch stärker zu positivieren bzw. eine positive Ladung dort auszubilden. Dadurch wird es den Nucleophilen (z.B. Wasser, Alkohole, Amine) „erleichtert“, dieses Kohlenstoffzentrum anzugreifen.

  Nach dem Angriff des Nucleophils und der Protonenverschiebung (Protonenshift) wird ein Teil des Moleküls abgespalten, d.h., bei einem Ester wird ein Alkohol und bei einem Säurechlorid Salzsäure abgespalten.

  Durch die Abspaltung des Protons bildet sich die neue Carbonylverbindung (in diesem Fall die Carbonsäure) aus.

• Ermittle die Ausgangsstoffe zur Synthese nachfolgender Kondensationsprodukte.

  Tipps

  Beim Hydrieren dieser Verbindung entsteht ein cyclischer Ether.

  Lösung

  Bei den Beispielverbindungen handelt es sich um ein Dipeptid, ein Polypeptid, einen Polyester und einen cyclischen Ether.

  • Das Dipeptid entsteht bei der Umsetzung der beiden Aminosäuren Glycin und Alanin unter Protonenkatalyse.

  • Das Polypeptid entsteht bei der Umsetzung von mehreren Molekülen Glycin (kleinste Aminosäure) miteinander unter Protononenkatalyse.

  • Der Polyester entsteht durch die mehrfache Kondensationsreaktion der Kohlensäure ($H_2CO_3$) und des Dialkohols Ethylenglycol ($C_2H_6O_2$).

  • Der cyclische Ether entsteht durch die intramolekulare Kondensationsreaktion des 1,5-Pentadiols unter Säurekatalyse und Abspaltung von Wasser.

• Nenne die Anwendungen von Ethylacetat.

  Tipps

  Warum heißt die Umsetzung von Estern mit Lauge Verseifung?

  Fasern für Kleidungsstücke entstehen z.B. bei der Reaktion zwischen Hexamethylendiamin und Adipinsäure.

  Lösung

  Ethylacetat ist eine flüssige Verbindung und wird vor allem als Lösungsmittel und als Extraktionsmittel (z.B. zur Entkoffeinierung von Kaffeebohnen) verwendet. In vielen alkoholhaltigen Getränken ist Ethylacetat von Natur aus in geringen Mengen vorhanden.

  Eine technisch wichtige Rolle wird dieser Verbindung bei der Verwendung im Nagellackentferner und als Lösungsmittel in der Klebstoffindustrie zugesprochen.

• Bestimme das Kondensationsprodukt einer Claisen-Esterkondensation.

  Tipps

  Die Base deprotoniert an dem Kohlenstoffatom mit der größten positiven Partialladung.

  Es wird an einer Methylgruppe deprotoniert (nicht zu verwechseln mit einer Methylengruppe!).

  Lösung

  Die Claisen-Kondensation ist eine Kondensationsreaktion, bei der aus zwei Molekülen Ester ein Molekül Alkohol abgespalten wird. Die Reaktion ist eine basenvermittelte Acylierung zweier Ester zu einem $\beta$-Ketocarbonsäureester (in 3-Position Ketogruppe relativ zur Estergruppe in der 1-Position).

  Zunächst wird mittels der Base das elektropositivste Kohlenstoffatom deprotoniert. Aus der eingesetzten Base entsteht so die korrespondierende Säure. Wird also Natriumethanolat eingesetzt, entsteht Ethanol.

  Das Kohlenstoffatom, welches die negative Ladung trägt, kann an dem zweiten Estermolekül an der Estergruppe angreifen. Durch Abspaltung der Alkoholat-Gruppe, die vom Ester stammt, bildet sich die $\beta$-Ketocarbonsäure und es wird Ethanolat frei. Die Alkoholate werden bei dieser Reaktion besonders häufig als Basen verwendet, da sich diese während der Reaktion wieder zurückbilden.