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Struktur, Eigenschaften und Nomenklatur von Carbonsäuren

Carbonsäuren und Carbonsäure-Derivate

Verbindungen, die Carbonyl-Gruppen enthalten, kommen in der Natur sehr häufig vor. Sie spielen eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen. Hormone, Vitamine, Aminosäuren, Arzneimittel und Aromastoffe sind nur einige der vielen uns alltäglich begegnenden Stoffe, die Carbonyl-Gruppen als funktionellen Bestandteil enthalten. Eine Carbonyl-Gruppe besteht aus einem Kohlenstoff-Atom, das doppelt mit einem Sauerstoff-Atom verbunden ist. Bei der Benennung von Molekülen wird eine Carbonyl-Gruppe die mit einer Alkyl- oder einer Aryl-Gruppe verbunden ist als Acyl-Gruppe bezeichnet. Ist einer der Substituenten an der Carbonyl-Gruppe OH, spricht man von einer Carboxy-Gruppe.

Abb.1
Unterscheidung von C=O-Gruppen

Carboxy-Verbindungen begegnen uns im täglichen Leben und dienen auch als Startmaterial zur Herstellung von wichtigen Stoffklassen wie Ester, Amide und Säurechloride.

Beispiele: So ist Essigsäure (CH3COOH, Ethansäure) der organische Hauptbestandteil des Speise- oder Weinessigs. Buttersäure (CH3CH2CH2COOH, Butansäure) ist verantwortlich für den ranzigen Geruch von verdorbener Butter, Capronsäure (CH3(CH2)4COOH, Hexansäure) ist der unangenehme (und unbeschreibliche) Geruch beispielsweise von Ziegen und (gebrauchten) Sportsocken zu verdanken. Langkettige aliphatische Säuren sind biologisch bedeutsam, z.B. die Palmitinsäure (CH3(CH2)14COOH) als biologische Vorstufe für Fette und andere Lipide. Die Cholsäure ist eine Hauptkomponente der menschlichen Galle. Bemerkenswert ist an der Cholsäure, dass durch ihre 11 Stereozentren 2048 Stereoisomere denkbar wären, allerdings wird nur ein einziges Stereoisomer in der Natur gefunden.

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Abb.2
Cholsäure

Die industrielle Herstellung von Essigsäure ist bedeutend. Weltweit werden mehr als 10 Millionen Tonnen jährlich für die Weiterverarbeitung benötigt, beispielsweise zur Synthese von Vinylacetat und zur Verwendung in Farben und Klebstoffen. Die Essigsäuresynthese ist eine Cobaltacetat-katalysierte Oxidationsreaktion von Acetaldehyd (Ethanal) mit Luft.

Abb.3
Essig-Synthese aus Acetaldehyd

Die Firma Monsanto hat ein noch effizienteres Verfahren unter Einsatz von Rhodiumkatalysatoren mit Kohlenstoffmonoxid entwickelt. Ausgangsstoff ist hier Methanol.

Abb.4
Essig-Synthese aus Methanol

Eine weitere technisch wichtige Essigsäuresynthese ist die Flüssigphasen-Oxidation von Butan oder Naphtha.

Die Fähigkeit eines Teils einer Verbindung sich als Abgangsgruppe zu verhalten, hängt von der Basizität ab: je weicher die Base, desto besser ist deren Fähigkeit als Abgangsgruppe zu dienen. Ursächlich dafür ist, dass das Bindungselektronenpaar zwischen Abgangsgruppen und Rest überwiegend der Abgangsgruppe zugeordnet werden kann: Die Bindung ist vergleichsweise schwach.

Die Reaktivität von Carbonsäure-Derivaten wird bestimmt durch die Basizität der Abgangsgruppe.

Tab.1
Die pK a -Werte von Verbindungen mit Carbonyl-Gruppen
Carbonyl-VerbindungModellAbgangsgruppeKonjugierte Säure pKa
Abb.5
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Abb.6
Br- HBr-9
Abb.7
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Abb.8
Cl- HCl-7
Abb.9
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Abb.10
-OCOR RCOOH~3 bis 5
Abb.11
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Abb.12
-OR ROH~15 bis 16
Abb.13
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Abb.14
-OH H2O15,7
Abb.15
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Abb.16
-NH2 NH336
Abb.17
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Abb.18
R - RH~50
Abb.19
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Abb.20
H- H2sehr groß

Übung: Carbonyl-Verbindungen

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