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Carbonsäuren

Carbonsäuren
Allgemeine Struktur der Monocarbonsäuren mit derblau markierten Carboxy-Funktion. Der Rest R stellt dabei entweder ein Wasserstoffatom oder eine Organylgruppe dar.

Carbonsäuren, auch Karbonsäuren, sind organische Verbindungen, die eine oder mehrere Carboxygruppen (–COOH) tragen und damit einen mehr oder weniger ausgeprägten aciden Charakter haben. Die Salze von Carbonsäuren werden Carboxylate genannt. Verbindungen, in denen die OH-Gruppe der Carboxygruppe durch eine andere Gruppe, z. B. –OR, –NH2 oder –Cl ersetzt ist, werden Carbonsäurederivate genannt. Zu den Carbonsäurederivaten gehören auch die genannten drei Beispiele: Carbonsäureester, Carbonsäureamide und Carbonsäurehalogenide.

Inhaltsverzeichnis

Für die systematische Benennung der Carbonsäuren im Deutschen wird dem Namen des Grundgerüsts der Wortbestandteil „-säure“ angehängt. Viele Carbonsäuren tragen daneben unsystematische Namen (Trivialnamen), die ebenfalls mit „-säure“ enden. Beispiele für Bezeichnungen von Carbonsäuren mit dem Grundgerüst eines Alkans sind Methansäure (Ameisensäure), Ethansäure (Essigsäure) und Butansäure (Buttersäure). Der Trivialname kennzeichnet die jeweilige Carbonsäure zumeist nach einem typischen Vorkommen.

Nach der chemischen Struktur des Rests R, an welchen die Gruppe –COOH gebunden ist, unterscheidet man zwischen aliphatischen, aromatischen und heterocyclischen Carbonsäuren. Die aliphatischen Carbonsäuren lassen sich weiter in Alkansäuren, Alkensäuren und Alkinsäuren unterteilen. Alkansäuren werden auch gesättigte Carbonsäuren genannt. Alkensäuren, also Carbonsäuren mit mindestens einer Doppelbindung im Rest (z. B. Acrylsäure) und Alkinsäuren, mit mindestens einer Dreifachbindung im Rest, werden dagegen als ungesättigte Carbonsäuren bezeichnet.

Weiterhin lassen sich Carbonsäuren nach Anzahl der enthaltenen Carboxygruppen unterscheiden. Monocarbonsäuren haben eine Carboxygruppe, während Dicarbonsäuren (z. B. Oxalsäure) zwei und Tricarbonsäuren (z. B. Citronensäure) drei Carboxygruppen enthalten.

Außerdem gibt es Gruppen von Carbonsäuren, die neben der Carboxygruppe noch weitere funktionelle Gruppen tragen, so die Ketocarbonsäuren, die Hydroxycarbonsäuren (z. B. Milchsäure) und die Aminosäuren (eigentlich: Aminocarbonsäuren).

Unter dem Gesichtspunkt der chemischen Struktur sind die sogenannten Fettsäuren keine besondere Gruppe der Carbonsäuren, denn es handelt sich bei ihnen um meist unverzweigte, aliphatische, gesättigte oder ungesättigte Monocarbonsäuren, häufig mit 12 bis 22, manchmal, wie in der Butter, auch mit nur 4 Kohlenstoffatomen. Sie liegen dort verestert mit Glycerin als sog. Triglyceride in den tierischen und pflanzlichen Fetten vor (siehe z. B. Milchfett). Neuere Erkenntnisse haben ergeben, dass in den fettartigen Lipiden von Zellmembranen auch kürzerkettige und verzweigte Carbonsäuren vorkommen, so dass heute unter dem Begriff Fettsäure alle Carbonsäuren mit (kettenförmigen) Organylgruppen zusammengefasst werden können.

Eine weitere nach dem Vorkommen bezeichnete Gruppe von Carbonsäuren sind die Harzsäuren, die in Naturharzen vorkommen.

Unter dem Gesichtspunkt der chemischen Struktur gehören die sog. Metallacarbonsäuren nicht in die Gruppe der Carbonsäuren. So bezeichnet werden Metall-Komplexe mit Carboxyliganden die als Zwischenprodukte in (katalysierten) Reaktionen mit Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2) auftreten, etwa bei der Wassergas-Shift-Reaktion.

Beispiele

aliphatische, gesättigte
Monocarbonsäuren
Essigsäure
Buttersäure
(eine Fettsäure)
aliphatische, ungesättigte
Monocarbonsäuren
Acrylsäure
Ölsäure
(eine Fettsäure)
aliphatische, gesättigte
Dicarbonsäuren
Oxalsäure
Bernsteinsäure
aliphatische, gesättigte
Tricarbonsäuren
Citronensäure
Agaricinsäure
aliphatische, ungesättigte
Dicarbonsäuren
Fumarsäure
Maleinsäure
aromatische
Carbonsäuren
Benzoesäure
Salicylsäure
heterocyclische
Carbonsäuren
Nicotinsäure
Pyrrolidin-2-carbonsäure
(eine Aminosäure)
aliphatische, ungesättigte,
cyclische Monocarbonsäuren
Abietinsäure
(eine Harzsäure)
Gibberellinsäure

Die chemischen Eigenschaften von Carbonsäuren ohne zusätzliche funktionelle Gruppen in der Alkylkette werden allein von der Carboxygruppe bestimmt. Das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe (C=O) hat einen relativ starken elektronenziehenden Effekt, sodass die Bindung zwischen Wasserstoff und dem Sauerstoffatom der Hydroxygruppe stark polarisiert wird. Das fördert die Freisetzung von H+-Ionen aus der Carboxygruppe, hier anhand von Essigsäure dargestellt:

Zusätzlich ist der saure Charakter der Carbonsäuren eine Folge der Mesomeriestabilisierung des Carboxylat-Anions. Sie begünstigt die deprotonierte Form der Carbonsäure und damit die Stabilität des Anions. Ähnlich wie bei der Mesomerie-Stabilisierung des Benzols deutet man das delokalisierte Elektron oft mit der folgenden Schreibweise an (Im Beispiel steht R für die Methylgruppe CH3).

Die physikalischen Eigenschaften von Carbonsäuren (Säurestärke, Siedepunkt, bzw. Schmelzpunkt, Löslichkeit in Wasser) werden wesentlich von der Art der Alkylkette und von eventuell vorhandenen Substituenten in der Alkylgruppe bestimmt.

Die Acidität einer Carbonsäure ist um so stärker ausgeprägt, je kürzer die Alkylkette ist. Ein zusätzlich am Alpha-C-Atom vorhandener Substituent mit einem elektronenziehenden induktivem Effekt (−I-Effekt), steigert die Säurestärke erheblich. Der Carboxygruppe wird eine positivere Partialladung zugeführt, welche die negative Ladung des Anions stärker ausgleichen und damit das Anion stabilisieren kann. Ein Beispiel dafür ist das stabilere Trichloracetat im Vergleich zum Acetat. Ein Maß für die Säurestärke einer Carbonsäure ist die Säurekonstante bzw. der pKs-Wert

Kurzkettige Carbonsäuren mit bis zu sechs C-Atomen sind farblose, stechend (Ameisensäure) bzw. unangenehm (Buttersäure) riechende Flüssigkeiten mit relativ hohen Siedepunkten. Carbonsäuren haben durch die Carboxygruppe einen polaren Charakter, was eine gute Löslichkeit in Wasser zur Folge hat, die mit zunehmender Länge der Alkylkette abnimmt. Die gut mögliche räumliche Anordnung von zwei Carboxygruppen begünstigt die Ausbildung von intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen und führt damit zu Carbonsäuredimeren. Die doppelte Masse der Teilchen im Dampfraum über der Flüssigkeit kann die relativ hohen Siedepunkte von Carbonsäuren erklären.

Mit zunehmender Kettenlänge nimmt der lipophile Charakter von Carbonsäuren zu und der hydrophile Charakter ab. Das gilt auch für die Salze der Carbonsäuren. Die Salze haben aber neben der lipophilen Alkylkette, mit eventuell mehr als sechs Kohlenstoffatomen, mit der Carboxylat-Gruppe auch eine hydrophile Gruppe im gleichen Molekül. Die Natrium- und Kaliumsalze der langkettigen Carbonsäuren sind also amphiphile Substanzen. Sie haben die Eigenschaften von Tensiden und werden als Kernseifen und Schmierseifen verwendet.

Oxidationen

Carbonsäuren können immer nur dann durch Oxidationsreaktionen mit starken Oxidationsmitteln aus Alkanen oder aus mit Alkylgruppen substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen hergestellt werden, wenn keine anderen oxidierbaren funktionellen Gruppen im Molekül vorhanden sind, die auch oxidiert werden können, wie z. B. Hydroxyl- oder Aminogruppen oder C–C-Doppelbindungen, Zwischenstufen der vollständigen Oxidation von Alkylgruppen sind Alkohole, und Aldehyde, die deshalb auch selbst als Ausgangssubstanzen für Oxidationsreaktionen eingesetzt werden können. Bekannte geeignete Oxidationsmittel sind Sauerstoff, oder gar Ozon, Kaliumpermanganat, Chromtrioxid, Salpetersäure oder Kaliumdichromat.

  • Oxidation von Alkanen: Ein ab 1930 in Deutschland industriell betriebenes Verfahren war die sogenannte Paraffinoxidation. Dabei wurden Gemische von längerkettigen Alkanen, mit Luftsauerstoff und Permanganaten bei 120 °C. behandelt. Durch oxidative Spaltungen der Alkanketten entstanden Gemische verschiedener Carbonsäuren, die aufgetrennt werden mussten. Als Nebenprodukte entstanden Alkohole und Aldehyde. Die folgende zugehörige Reaktionsgleichung und alle folgenden Reaktionsgleichungen für Oxidationsreaktionen sind schematisch vereinfacht.
R 1 C H 2 R 2 + 2 O 2 R 1 C O O H + R 2 C O O H {\displaystyle \mathrm {R_{1}{-}CH_{2}{-}R_{2}+2O_{2}\longrightarrow R_{1}{-}COOH+R_{2}{-}COOH} }
A r C H 2 R + K M n O 4 A r C O O H {\displaystyle \mathrm {Ar{-}CH_{2}R+KMnO_{4}\longrightarrow Ar{-}COOH} }
R C H 2 O H + K M n O 4 R C O O H {\displaystyle \mathrm {R{-}CH_{2}OH+KMnO_{4}\longrightarrow R{-}COOH} }
R C H O + K M n O 4 R C O O H {\displaystyle \mathrm {R{-}CHO+KMnO_{4}\longrightarrow R{-}COOH} }
  • Oxidation von Olefinen mit basischem Kaliumpermanganat. Unter neutralen Bedingungen führt die Reaktion nur zu vicinalen Diolen.
R C H = C H 2 + K M n O 4 R C O O H + C O 2 {\displaystyle \mathrm {R{-}CH{=}CH_{2}+KMnO_{4}\longrightarrow R{-}COOH+CO_{2}} }

Reaktionen mit Verlängerung der Alkylkette

R M g C l + C O 2 + H + R C O O H + M g 2 + + C l {\displaystyle \mathrm {R{-}MgCl+CO_{2}+H^{+}\longrightarrow R{-}COOH+Mg^{2+}+Cl^{-}} }
  • Wenn in der Alkylkette funktionelle Gruppen vorhanden sind, die die Herstellung einer Grignard-Verbindung verhindern, muss ein Umweg
über die Kolbe-Nitrilsynthese und anschließende Hydrolyse des Nitrils gewählt werden. (Reaktionsgleichung zeigt beide Schritte zusammengefasst nur schematisch)
R H a l + C N R C N + O H R C O O H {\displaystyle \mathrm {R{-}Hal+CN^{-}\longrightarrow R{-}CN+OH^{-}\longrightarrow R{-}COOH} }

Hydrolyse von Carbonsäurederivaten

  • Die Hydrolyse von sog. reaktiven Carbonsäurederivaten, z. B. Carbonsäurechloriden oder Carbonsäureanhydriden ergibt keinen Sinn, da die reaktiven Carbonsäurederivate immer aus Carbonsäuren hergestellt werden müssen, um aus ihnen andere Carbonsäurederivate herstellen zu können. Deshalb handelt es sich bei dieser Hydrolysereaktion um eine meist unerwünschte Nebenreaktion, die beim Einsatz von reaktiven Carbonsäurederivaten vermieden werden muss.
R C O C l + H 2 O R C O O H + H C l {\displaystyle \mathrm {R{-}COCl+H_{2}O\longrightarrow R{-}COOH+HCl} } ,
R C O O R + O H R C O O + R O H {\displaystyle \mathrm {R{-}COO{-}R'+OH^{-}\longrightarrow R{-}COO^{-}+R'{-}OH} }
R C O O R + H 2 O R C O O H + R O H {\displaystyle \mathrm {R{-}COO{-}R'+H_{2}O\longrightarrow R{-}COOH+R'{-}OH} }
  • Die saure oder basische Hydrolyse von Carbonsäureamiden muss wegen der Stabilität der Carbonsäureamide unter energischen Bedingungen erfolgen.
R C O N H 2 + H + + H 2 O R C O O H + N H 4 + {\displaystyle \mathrm {R{-}CONH_{2}+H^{+}+H_{2}O\longrightarrow R{-}COOH+NH_{4}^{+}} }
R C O N H 2 + O H R C O O + N H 3 {\displaystyle \mathrm {R{-}CONH_{2}+OH^{-}\longrightarrow R{-}COO^{-}+NH_{3}} }
  • Auch Die saure oder basische Hydrolyse von Nitrilen muss wegen der Stabilität der Nitrile unter energischen Bedingungen erfolgen.
R C N + H + + 2 H 2 O R C O O H + N H 4 {\displaystyle \mathrm {R{-}CN+H^{+}+2\ H_{2}O\longrightarrow R{-}COOH+NH_{4}} }
R C N + O H + H 2 O R C O O + N H 3 {\displaystyle \mathrm {R{-}CN+OH^{-}+H_{2}O\longrightarrow R{-}COO^{-}+NH_{3}} }

Sonstige spezielle Reaktionen

H O A r H + C O 2 + O H H O A r C O O + H 2 O {\displaystyle \mathrm {HO{-}Ar{-}H+CO_{2}+OH^{-}\longrightarrow HO{-}Ar{-}COO^{-}+H_{2}O} }
R C ( = O ) C ( = O ) R + O H R C ( O H ) ( C O O ) R {\displaystyle \mathrm {R{-}C({=}O){-}C({=}O){-}R'+OH^{-}\longrightarrow R{-}C({-}OH)({-}COO^{-}){-}R'} }
  • Koch-Reaktion (Hydroformylierung): aus verzweigten Alkenen werden durch Anlagerung von Kohlenmonoxid am α-C-Atom stark verzweigte Carbonsäuren
R R C = C H 2 + C O + H 2 O ( R R C ( C H 3 ) C O O H {\displaystyle \mathrm {RR'{-}C{=}CH_{2}+CO+H_{2}O\longrightarrow (RR'{-}C({-}CH_{3}){-}COOH} }

Die wichtigsten analytischen Methoden zur Strukturaufklärung von Carbonsäuren sind die IR- und NMR-Spektroskopie.

Im IR-Spektrum sind die C=O-Valenzschwingung bei etwa 1710–1760 cm−1 und die breite OH-Valenzschwingung um 3000 cm−1 charakteristisch.

Im 1H-NMR-Spektrum sind die aciden Hydroxy-Protonen zu ungewöhnlich niedrigem Feld verschoben, 10–13 ppm. Die Protonen der Alkylgruppen am Carbonyl-C haben eine chemische Verschiebung im Bereich von ca. 2,0–2,5 ppm; das direkt an die Carbonylgruppe gebundene H-Atom der Ameisensäure erscheint bei 8,08 ppm. In einer C-Kette einer nicht konjugierten Carbonsäure sind die Peaks, die weiter von der Carbonylfunktion entfernt sind, mit zunehmendem Maße weniger stark zu tiefem Feld verschoben, weil der Einfluss des induktiven Effekts der Carbonylgruppe abnimmt.

Im 13C-NMR-Spektrum findet man das Carboxy-C-Atom im Bereich von zirka 170 bis 180 ppm.

Wegen der beiden dem C-Atom der Carboxygruppe benachbarten Sauerstoffatome, die elektronenziehend wirken, können nucleophile Angriffe auf das Kohlenstoffatom der Carboxygruppe stattfinden. Der nucleophile Angriff kann durch Säurekatalyse (Protonierung der Carbonylgruppe) gefördert werden, wenn die angreifenden Nucleophile keine starken Brønsted-Basen sind, wie z. B. Alkohole. Wenn die Nucleophile Basen sind, wie z. B. Ammoniak oder Amine werden sie durch die Säurekatalyse protoniert und geschwächt. Auch ohne Säurekatalyse werden solche Nucleophile durch die Carbonsäure selbst protoniert und unwirksam. Gleichzeitig entstehen auch die entsprechenden Salze der Carbonsäure, die nicht mehr nucleophil angreifbar sind.

Veresterung

Bei der säurekatalysierten Veresterung reagiert die Carboxyl-Gruppe einer organischen Säure mit der Hydroxygruppe eines Alkohols. Unter Abspaltung von Wasser entsteht ein Ester. Im Laufe der Reaktion setzt eine Rückreaktion ein, denn auch die Carboxygruppe im entstandenen Ester kann durch das entstandene Wasser nucleophil angegriffen werden. Nach Abspaltung des Alkohols wird dann die ursprüngliche Säure zurückgebildet. Wenn R1 der Rest der Säure, und R2 der Rest des Alkohols ist, stellt sich im Laufe der Reaktion die folgende Gleichgewichtsreaktion ein:

Die Lage des Gleichgewichts kann beeinflusst werden. Wenn der gebildete Ester einen niedrigeren Siedepunkt hat als die Säure kann er durch kontinuierliche Abdestillation gewonnen werden. Ein Zusatz von festen Trocknungsmitteln, die Wasser binden können, lässt die Esterbildung vollständiger verlaufen.

Dehydratisierung

Carbonsäuren können theoretisch leicht unter intermolekularer Wasserabspaltung (Dehydratisierung) bei höheren Temperaturen in organische Carbonsäureanhydride umgewandelt werden. In der Laborpraxis gelingt diese Reaktion wohl nur selten, denn bei hohen Temperaturen kann auch intramolekulare Wasserabspaltung eintreten, wobei sich Ketene bilden.

Eine Alternative zur Bildung von Carbonsäureanhydriden aus Carbonsäuren ist der Zusatz von stark wasserentziehenden Substanzen (Phosphorpentoxid) oder andere Reaktionen, wie die Umsetzung von Carbonsäurehalogeniden mit den Salzen von Carbonsäuren, oder die Umsetzung von Ketenen mit Carbonsäuren.

Carbonsäureanhydride können mit Wasser wieder zu den entsprechenden Carbonsäuren zurück reagieren.

Commons: Carbonsäuren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Carbonsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  1. Carbonsäure bei Duden.de, abgerufen am 15. Januar 2016.
  2. Karbonsäure bei Duden.de, abgerufen am 15. Januar 2016.
  3. Brockhaus ABC Chemie. VEB F. A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1965, S. 645–646.
  4. G. Wietzel: Herstellung synthetischer Fettsäuren durch Oxydation von paraffinischen Kohlenwasserstoffen mit molekularem Sauerstoff. In: Chemical Engineering Science. 3, 1954, S. 17–IN4, doi:10.1016/S0009-2509(54)80003-0.
Normdaten (Sachbegriff): GND:4009464-9(OGND, AKS) | LCCN:sh85020144 | NDL:00565061

Carbonsäuren
carbonsäuren, säure, kohlenstoff, sprache, beobachten, bearbeiten, allgemeine, struktur, monocarbonsäuren, blau, markierten, carboxy, funktion, rest, stellt, dabei, entweder, wasserstoffatom, oder, eine, organylgruppe, auch, karbonsäuren, sind, organische, ver. Carbonsauren Saure mit Kohlenstoff Sprache Beobachten Bearbeiten CarbonsaurenAllgemeine Struktur der Monocarbonsauren mit der blau markierten Carboxy Funktion Der Rest R stellt dabei entweder ein Wasserstoffatom oder eine Organylgruppe dar Carbonsauren 1 auch Karbonsauren 2 sind organische Verbindungen die eine oder mehrere Carboxygruppen COOH tragen und damit einen mehr oder weniger ausgepragten aciden Charakter haben Die Salze von Carbonsauren werden Carboxylate genannt Verbindungen in denen die OH Gruppe der Carboxygruppe durch eine andere Gruppe z B OR NH2 oder Cl ersetzt ist werden Carbonsaurederivate genannt Zu den Carbonsaurederivaten gehoren auch die genannten drei Beispiele Carbonsaureester Carbonsaureamide und Carbonsaurehalogenide 3 Inhaltsverzeichnis 1 Nomenklatur 2 Einteilung 2 1 Beispiele 3 Eigenschaften 4 Herstellung 4 1 Oxidationen 4 2 Reaktionen mit Verlangerung der Alkylkette 4 3 Hydrolyse von Carbonsaurederivaten 4 4 Sonstige spezielle Reaktionen 5 Spektroskopie von Carbonsauren 6 Wichtige Reaktionen 6 1 Veresterung 6 2 Dehydratisierung 7 Weblinks 8 EinzelnachweiseNomenklatur BearbeitenFur die systematische Benennung der Carbonsauren im Deutschen wird dem Namen des Grundgerusts der Wortbestandteil saure angehangt Viele Carbonsauren tragen daneben unsystematische Namen Trivialnamen die ebenfalls mit saure enden Beispiele fur Bezeichnungen von Carbonsauren mit dem Grundgerust eines Alkans sind Methansaure Ameisensaure Ethansaure Essigsaure und Butansaure Buttersaure Der Trivialname kennzeichnet die jeweilige Carbonsaure zumeist nach einem typischen Vorkommen Einteilung BearbeitenNach der chemischen Struktur des Rests R an welchen die Gruppe COOH gebunden ist unterscheidet man zwischen aliphatischen aromatischen und heterocyclischen Carbonsauren Die aliphatischen Carbonsauren lassen sich weiter in Alkansauren Alkensauren und Alkinsauren unterteilen Alkansauren werden auch gesattigte Carbonsauren genannt Alkensauren also Carbonsauren mit mindestens einer Doppelbindung im Rest z B Acrylsaure und Alkinsauren mit mindestens einer Dreifachbindung im Rest werden dagegen als ungesattigte Carbonsauren bezeichnet Weiterhin lassen sich Carbonsauren nach Anzahl der enthaltenen Carboxygruppen unterscheiden Monocarbonsauren haben eine Carboxygruppe wahrend Dicarbonsauren z B Oxalsaure zwei und Tricarbonsauren z B Citronensaure drei Carboxygruppen enthalten 3 Ausserdem gibt es Gruppen von Carbonsauren die neben der Carboxygruppe noch weitere funktionelle Gruppen tragen so die Ketocarbonsauren die Hydroxycarbonsauren z B Milchsaure und die Aminosauren eigentlich Aminocarbonsauren Unter dem Gesichtspunkt der chemischen Struktur sind die sogenannten Fettsauren keine besondere Gruppe der Carbonsauren denn es handelt sich bei ihnen um meist unverzweigte aliphatische gesattigte oder ungesattigte Monocarbonsauren haufig mit 12 bis 22 manchmal wie in der Butter auch mit nur 4 Kohlenstoffatomen Sie liegen dort verestert mit Glycerin als sog Triglyceride in den tierischen und pflanzlichen Fetten vor siehe z B Milchfett Neuere Erkenntnisse haben ergeben dass in den fettartigen Lipiden von Zellmembranen auch kurzerkettige und verzweigte Carbonsauren vorkommen so dass heute unter dem Begriff Fettsaure alle Carbonsauren mit kettenformigen Organylgruppen zusammengefasst werden konnen Eine weitere nach dem Vorkommen bezeichnete Gruppe von Carbonsauren sind die Harzsauren die in Naturharzen vorkommen Unter dem Gesichtspunkt der chemischen Struktur gehoren die sog Metallacarbonsauren nicht in die Gruppe der Carbonsauren So bezeichnet werden Metall Komplexe mit Carboxyliganden die als Zwischenprodukte in katalysierten Reaktionen mit Kohlenstoffmonoxid CO und Kohlenstoffdioxid CO2 auftreten etwa bei der Wassergas Shift Reaktion Beispiele Bearbeiten aliphatische gesattigte Monocarbonsauren Essigsaure Buttersaure eine Fettsaure aliphatische ungesattigte Monocarbonsauren Acrylsaure Olsaure eine Fettsaure aliphatische gesattigte Dicarbonsauren Oxalsaure Bernsteinsaure aliphatische gesattigte Tricarbonsauren Citronensaure Agaricinsaure aliphatische ungesattigte Dicarbonsauren Fumarsaure Maleinsaure aromatische Carbonsauren Benzoesaure Salicylsaure heterocyclische Carbonsauren Nicotinsaure Pyrrolidin 2 carbonsaure eine Aminosaure aliphatische ungesattigte cyclische Monocarbonsauren Abietinsaure eine Harzsaure Gibberellinsaure Eigenschaften BearbeitenDie chemischen Eigenschaften von Carbonsauren ohne zusatzliche funktionelle Gruppen in der Alkylkette werden allein von der Carboxygruppe bestimmt Das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe C O hat einen relativ starken elektronenziehenden Effekt sodass die Bindung zwischen Wasserstoff und dem Sauerstoffatom der Hydroxygruppe stark polarisiert wird Das fordert die Freisetzung von H Ionen aus der Carboxygruppe hier anhand von Essigsaure dargestellt Zusatzlich ist der saure Charakter der Carbonsauren eine Folge der Mesomeriestabilisierung des Carboxylat Anions Sie begunstigt die deprotonierte Form der Carbonsaure und damit die Stabilitat des Anions Ahnlich wie bei der Mesomerie Stabilisierung des Benzols deutet man das delokalisierte Elektron oft mit der folgenden Schreibweise an Im Beispiel steht R fur die Methylgruppe CH3 Die physikalischen Eigenschaften von Carbonsauren Saurestarke Siedepunkt bzw Schmelzpunkt Loslichkeit in Wasser werden wesentlich von der Art der Alkylkette und von eventuell vorhandenen Substituenten in der Alkylgruppe bestimmt Die Aciditat einer Carbonsaure ist um so starker ausgepragt je kurzer die Alkylkette ist Ein zusatzlich am Alpha C Atom vorhandener Substituent mit einem elektronenziehenden induktivem Effekt I Effekt steigert die Saurestarke erheblich Der Carboxygruppe wird eine positivere Partialladung zugefuhrt welche die negative Ladung des Anions starker ausgleichen und damit das Anion stabilisieren kann Ein Beispiel dafur ist das stabilere Trichloracetat im Vergleich zum Acetat Ein Mass fur die Saurestarke einer Carbonsaure ist die Saurekonstante bzw der pKs Wert Kurzkettige Carbonsauren mit bis zu sechs C Atomen sind farblose stechend Ameisensaure bzw unangenehm Buttersaure riechende Flussigkeiten mit relativ hohen Siedepunkten Carbonsauren haben durch die Carboxygruppe einen polaren Charakter was eine gute Loslichkeit in Wasser zur Folge hat die mit zunehmender Lange der Alkylkette abnimmt Die gut mogliche raumliche Anordnung von zwei Carboxygruppen begunstigt die Ausbildung von intermolekularen Wasserstoffbruckenbindungen und fuhrt damit zu Carbonsauredimeren Die doppelte Masse der Teilchen im Dampfraum uber der Flussigkeit kann die relativ hohen Siedepunkte von Carbonsauren erklaren Mit zunehmender Kettenlange nimmt der lipophile Charakter von Carbonsauren zu und der hydrophile Charakter ab Das gilt auch fur die Salze der Carbonsauren Die Salze haben aber neben der lipophilen Alkylkette mit eventuell mehr als sechs Kohlenstoffatomen mit der Carboxylat Gruppe auch eine hydrophile Gruppe im gleichen Molekul Die Natrium und Kaliumsalze der langkettigen Carbonsauren sind also amphiphile Substanzen Sie haben die Eigenschaften von Tensiden und werden als Kernseifen und Schmierseifen verwendet Herstellung BearbeitenOxidationen Bearbeiten Carbonsauren konnen immer nur dann durch Oxidationsreaktionen mit starken Oxidationsmitteln aus Alkanen oder aus mit Alkylgruppen substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffen hergestellt werden wenn keine anderen oxidierbaren funktionellen Gruppen im Molekul vorhanden sind die auch oxidiert werden konnen wie z B Hydroxyl oder Aminogruppen oder C C Doppelbindungen Zwischenstufen der vollstandigen Oxidation von Alkylgruppen sind Alkohole und Aldehyde die deshalb auch selbst als Ausgangssubstanzen fur Oxidationsreaktionen eingesetzt werden konnen Bekannte geeignete Oxidationsmittel sind Sauerstoff oder gar Ozon Kaliumpermanganat Chromtrioxid Salpetersaure oder Kaliumdichromat Oxidation von Alkanen Ein ab 1930 in Deutschland industriell betriebenes Verfahren war die sogenannte Paraffinoxidation Dabei wurden Gemische von langerkettigen Alkanen mit Luftsauerstoff und Permanganaten bei 120 C behandelt Durch oxidative Spaltungen der Alkanketten entstanden Gemische verschiedener Carbonsauren die aufgetrennt werden mussten Als Nebenprodukte entstanden Alkohole und Aldehyde 4 Die folgende zugehorige Reaktionsgleichung und alle folgenden Reaktionsgleichungen fur Oxidationsreaktionen sind schematisch vereinfacht R 1 C H 2 R 2 2 O 2 R 1 C O O H R 2 C O O H displaystyle mathrm R 1 CH 2 R 2 2O 2 longrightarrow R 1 COOH R 2 COOH Oxidation von alkylierten Aromaten A r C H 2 R K M n O 4 A r C O O H displaystyle mathrm Ar CH 2 R KMnO 4 longrightarrow Ar COOH Oxidation von primaren Alkoholen und Aldehyden R C H 2 O H K M n O 4 R C O O H displaystyle mathrm R CH 2 OH KMnO 4 longrightarrow R COOH R C H O K M n O 4 R C O O H displaystyle mathrm R CHO KMnO 4 longrightarrow R COOH Oxidation von Olefinen mit basischem Kaliumpermanganat Unter neutralen Bedingungen fuhrt die Reaktion nur zu vicinalen Diolen R C H C H 2 K M n O 4 R C O O H C O 2 displaystyle mathrm R CH CH 2 KMnO 4 longrightarrow R COOH CO 2 Reaktionen mit Verlangerung der Alkylkette Bearbeiten Reaktion von Grignard Verbindungen vorher gebildet aus Halogenalkanen mit Kohlenstoffdioxid Die anschliessende Zugabe von Wasser fuhrt zur freien Carbonsaure Reaktionsgleichung fasst beide Schritte schematisch zusammen R M g C l C O 2 H R C O O H M g 2 C l displaystyle mathrm R MgCl CO 2 H longrightarrow R COOH Mg 2 Cl Wenn in der Alkylkette funktionelle Gruppen vorhanden sind die die Herstellung einer Grignard Verbindung verhindern muss ein Umweguber die Kolbe Nitrilsynthese und anschliessende Hydrolyse des Nitrils gewahlt werden Reaktionsgleichung zeigt beide Schritte zusammengefasst nur schematisch R H a l C N R C N O H R C O O H displaystyle mathrm R Hal CN longrightarrow R CN OH longrightarrow R COOH Hydrolyse von Carbonsaurederivaten Bearbeiten Die Hydrolyse von sog reaktiven Carbonsaurederivaten z B Carbonsaurechloriden oder Carbonsaureanhydriden ergibt keinen Sinn da die reaktiven Carbonsaurederivate immer aus Carbonsauren hergestellt werden mussen um aus ihnen andere Carbonsaurederivate herstellen zu konnen Deshalb handelt es sich bei dieser Hydrolysereaktion um eine meist unerwunschte Nebenreaktion die beim Einsatz von reaktiven Carbonsaurederivaten vermieden werden muss R C O C l H 2 O R C O O H H C l displaystyle mathrm R COCl H 2 O longrightarrow R COOH HCl Alkalische Hydrolyse Verseifung oder sauer katalysierte Hydrolyse von Carbonsaureestern R C O O R O H R C O O R O H displaystyle mathrm R COO R OH longrightarrow R COO R OH R C O O R H 2 O R C O O H R O H displaystyle mathrm R COO R H 2 O longrightarrow R COOH R OH Die saure oder basische Hydrolyse von Carbonsaureamiden muss wegen der Stabilitat der Carbonsaureamide unter energischen Bedingungen erfolgen R C O N H 2 H H 2 O R C O O H N H 4 displaystyle mathrm R CONH 2 H H 2 O longrightarrow R COOH NH 4 R C O N H 2 O H R C O O N H 3 displaystyle mathrm R CONH 2 OH longrightarrow R COO NH 3 Auch Die saure oder basische Hydrolyse von Nitrilen muss wegen der Stabilitat der Nitrile unter energischen Bedingungen erfolgen R C N H 2 H 2 O R C O O H N H 4 displaystyle mathrm R CN H 2 H 2 O longrightarrow R COOH NH 4 R C N O H H 2 O R C O O N H 3 displaystyle mathrm R CN OH H 2 O longrightarrow R COO NH 3 Sonstige spezielle Reaktionen Bearbeiten Kolbe Schmitt Reaktion zur Synthese von Hydroxybenzoesauren z B Salicylsaure aus Phenolaten und KohlendioxidH O A r H C O 2 O H H O A r C O O H 2 O displaystyle mathrm HO Ar H CO 2 OH longrightarrow HO Ar COO H 2 O Benzilsaure Umlagerung aus 1 2 Diketonen werden a HydroxycarbonsaurenR C O C O R O H R C O H C O O R displaystyle mathrm R C O C O R OH longrightarrow R C OH COO R Koch Reaktion Hydroformylierung aus verzweigten Alkenen werden durch Anlagerung von Kohlenmonoxid am a C Atom stark verzweigte CarbonsaurenR R C C H 2 C O H 2 O R R C C H 3 C O O H displaystyle mathrm RR C CH 2 CO H 2 O longrightarrow RR C CH 3 COOH Spektroskopie von Carbonsauren BearbeitenDie wichtigsten analytischen Methoden zur Strukturaufklarung von Carbonsauren sind die IR und NMR Spektroskopie Im IR Spektrum sind die C O Valenzschwingung bei etwa 1710 1760 cm 1 und die breite OH Valenzschwingung um 3000 cm 1 charakteristisch Im 1H NMR Spektrum sind die aciden Hydroxy Protonen zu ungewohnlich niedrigem Feld verschoben 10 13 ppm Die Protonen der Alkylgruppen am Carbonyl C haben eine chemische Verschiebung im Bereich von ca 2 0 2 5 ppm das direkt an die Carbonylgruppe gebundene H Atom der Ameisensaure erscheint bei 8 08 ppm In einer C Kette einer nicht konjugierten Carbonsaure sind die Peaks die weiter von der Carbonylfunktion entfernt sind mit zunehmendem Masse weniger stark zu tiefem Feld verschoben weil der Einfluss des induktiven Effekts der Carbonylgruppe abnimmt Im 13C NMR Spektrum findet man das Carboxy C Atom im Bereich von zirka 170 bis 180 ppm Wichtige Reaktionen BearbeitenWegen der beiden dem C Atom der Carboxygruppe benachbarten Sauerstoffatome die elektronenziehend wirken konnen nucleophile Angriffe auf das Kohlenstoffatom der Carboxygruppe stattfinden Der nucleophile Angriff kann durch Saurekatalyse Protonierung der Carbonylgruppe gefordert werden wenn die angreifenden Nucleophile keine starken Bronsted Basen sind wie z B Alkohole Wenn die Nucleophile Basen sind wie z B Ammoniak oder Amine werden sie durch die Saurekatalyse protoniert und geschwacht Auch ohne Saurekatalyse werden solche Nucleophile durch die Carbonsaure selbst protoniert und unwirksam Gleichzeitig entstehen auch die entsprechenden Salze der Carbonsaure die nicht mehr nucleophil angreifbar sind Veresterung Bearbeiten Bei der saurekatalysierten Veresterung reagiert die Carboxyl Gruppe einer organischen Saure mit der Hydroxygruppe eines Alkohols Unter Abspaltung von Wasser entsteht ein Ester Im Laufe der Reaktion setzt eine Ruckreaktion ein denn auch die Carboxygruppe im entstandenen Ester kann durch das entstandene Wasser nucleophil angegriffen werden Nach Abspaltung des Alkohols wird dann die ursprungliche Saure zuruckgebildet Wenn R1 der Rest der Saure und R2 der Rest des Alkohols ist stellt sich im Laufe der Reaktion die folgende Gleichgewichtsreaktion ein Die Lage des Gleichgewichts kann beeinflusst werden Wenn der gebildete Ester einen niedrigeren Siedepunkt hat als die Saure kann er durch kontinuierliche Abdestillation gewonnen werden Ein Zusatz von festen Trocknungsmitteln die Wasser binden konnen lasst die Esterbildung vollstandiger verlaufen Dehydratisierung Bearbeiten Carbonsauren konnen theoretisch leicht unter intermolekularer Wasserabspaltung Dehydratisierung bei hoheren Temperaturen in organische Carbonsaureanhydride umgewandelt werden In der Laborpraxis gelingt diese Reaktion wohl nur selten denn bei hohen Temperaturen kann auch intramolekulare Wasserabspaltung eintreten wobei sich Ketene bilden Eine Alternative zur Bildung von Carbonsaureanhydriden aus Carbonsauren ist der Zusatz von stark wasserentziehenden Substanzen Phosphorpentoxid oder andere Reaktionen wie die Umsetzung von Carbonsaurehalogeniden mit den Salzen von Carbonsauren oder die Umsetzung von Ketenen mit Carbonsauren Carbonsaureanhydride konnen mit Wasser wieder zu den entsprechenden Carbonsauren zuruck reagieren Weblinks Bearbeiten Commons Carbonsauren Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Wiktionary Carbonsaure Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Wikibooks Organische Chemie fur Schuler Carbonsauren Lern und LehrmaterialienEinzelnachweise Bearbeiten Carbonsaure bei Duden de abgerufen am 15 Januar 2016 Karbonsaure bei Duden de abgerufen am 15 Januar 2016 a b Brockhaus ABC Chemie VEB F A Brockhaus Verlag Leipzig 1965 S 645 646 G Wietzel Herstellung synthetischer Fettsauren durch Oxydation von paraffinischen Kohlenwasserstoffen mit molekularem Sauerstoff In Chemical Engineering Science 3 1954 S 17 IN4 doi 10 1016 S0009 2509 54 80003 0 Normdaten Sachbegriff GND 4009464 9 OGND AKS LCCN sh85020144 NDL 00565061 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Carbonsauren amp oldid 211228864, wikipedia, wiki, deutsches

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