Ananasaroma aus dem Technikum
AFB I–IIEthylbutanoat riecht nach Ananas und wird Fruchtsaftgetränken als Aroma zugesetzt. Ein Aromenhersteller stellt es aus Ethen und Butan-1-ol her. Die Tabelle zeigt die Stufen und die erreichten Ausbeuten.
| Stufe | Reaktion | Ausbeute |
|---|---|---|
| 1 | Ethen + Wasser (H₃PO₄-Kontakt, 300 °C, 70 bar) → Ethanol | 95 % |
| 2 | Butan-1-ol → Butansäure (Oxidation) | 80 % |
| 3 | Butansäure + Ethanol (Überschuss, H₂SO₄) → Ethylbutanoat | 67 % (bez. auf Säure) |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichungen der drei Stufen in Halbstrukturformeln (Oxidation vereinfacht mit [O]).
- Nennen Sie die Reaktionstypen der Stufen.
- Berechnen Sie die Masse an Ethylbutanoat (\(M = 116{,}16\,\text{g/mol}\)), die aus 100 kg Butan-1-ol (\(M = 74{,}12\,\text{g/mol}\)) entsteht.
- Erläutern Sie, warum Ethanol in Stufe 3 im Überschuss eingesetzt wird und warum die Oxidation in Stufe 2 unter Rückfluss erfolgt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{CH2=CH2 + H2O -> CH3-CH2OH}\); \(\ce{C3H7-CH2OH + [O] -> C3H7-CHO + H2O}\), \(\ce{C3H7-CHO + [O] -> C3H7-COOH}\); \(\ce{C3H7-COOH + HO-C2H5 <=> C3H7-COO-C2H5 + H2O}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Stufe 1: Addition (Hydratisierung); Stufe 2: Oxidation (zwei Teilschritte); Stufe 3: Kondensation (Veresterung).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\text{Butanol}) = 100\,000\,\text{g} / 74{,}12\,\text{g/mol} = 1349\,\text{mol}\); \(n(\text{Säure}) = 0{,}80 \cdot 1349 = 1079\,\text{mol}\); \(n(\text{Ester}) = 0{,}67 \cdot 1079 = 723\,\text{mol}\); \(m = 723\,\text{mol} \cdot 116{,}16\,\text{g/mol} \approx 84\,\text{kg}\). Gesamtausbeute bezogen auf Butanol: \(0{,}80 \cdot 0{,}67 = 53{,}6\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Veresterung ist eine Gleichgewichtsreaktion; ein Überschuss des billigen Ethanols verschiebt das Gleichgewicht nach dem Prinzip von Le Chatelier zum Ester und erhöht die Ausbeute bezogen auf die teurere Säure. Unter Rückfluss bleibt das leicht flüchtige Butanal im Kolben und wird vollständig zur Butansäure weiteroxidiert; beim Abdestillieren bliebe es als Aldehyd stehen.
Zwei Routen zum Cyclohexanon
AFB II–IIICyclohexanon ist Ausgangsstoff für Nylon und ein wichtiges Lösemittel. Ein Schullabor soll 20 g Cyclohexanon herstellen und hat zwei Routen zur Wahl. Bei Route A bildet sich in Stufe 2 als Nebenprodukt Cyclohexen. Natriumdichromat ist krebserzeugend; Natriumhypochlorit (Bleichlauge) wird zu Natriumchlorid reduziert.
| Route | Stufen | Ausbeuten |
|---|---|---|
| A | Cyclohexan + Br₂ (Licht) → Bromcyclohexan → (NaOH aq) Cyclohexanol → (Na₂Cr₂O₇/H₂SO₄) Cyclohexanon | 75 %, 60 %, 85 % |
| B | Cyclohexen + H₂O (H₂SO₄) → Cyclohexanol → (NaOCl/Essigsäure) Cyclohexanon | 70 %, 85 % |
- Berechnen Sie die Gesamtausbeuten beider Routen.
- Erklären Sie, warum die radikalische Bromierung in Route A trotz der Unselektivität radikalischer Substitutionen brauchbar ist, und nennen Sie eine Nebenreaktion.
- Ermitteln Sie die Stoffmenge Cyclohexen (\(M = 82{,}14\,\text{g/mol}\)), die für 20 g Cyclohexanon (\(M = 98{,}14\,\text{g/mol}\)) nach Route B eingesetzt werden muss.
- Bewerten Sie beide Routen für das Schullabor unter den Kriterien Ausbeute, Stufenzahl, Nebenprodukte und Gefahrstoffe.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Route A: \(0{,}75 \cdot 0{,}60 \cdot 0{,}85 = 0{,}38 = 38\,\%\). Route B: \(0{,}70 \cdot 0{,}85 = 0{,}595 \approx 60\,\%\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Alle zwölf H-Atome des Cyclohexans sind gleichwertig (sekundär) — es gibt nur ein Monobromprodukt, keine Konstitutionsisomere. Nebenreaktionen: Mehrfachbromierung (Dibromcyclohexane), vermeidbar durch Cyclohexan-Überschuss; in Stufe 2 Eliminierung von HBr zu Cyclohexen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\text{Keton}) = 20\,\text{g} / 98{,}14\,\text{g/mol} = 0{,}204\,\text{mol}\); \(n(\text{Cyclohexen}) = 0{,}204 / 0{,}595 = 0{,}343\,\text{mol}\) (\(m \approx 28\,\text{g}\)).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Route B ist vorzuziehen: höhere Gesamtausbeute (60 % statt 38 %), eine Stufe weniger, keine Mehrfachhalogenierung und kein HBr-Abfall; NaOCl ist deutlich weniger gefährlich als krebserzeugendes Dichromat (Chrom(VI)). Route A ist nur sinnvoll, wenn Cyclohexen nicht verfügbar ist. Nachteil B: Die säurekatalysierte Hydratisierung ist eine Gleichgewichtsreaktion, Wasser muss im Überschuss eingesetzt werden.