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Interpretation von C,H,O-Verbindungen

Carbonsäuren

Carbonsäuren enthalten mindestens eine Carboxy-Gruppe (-COOH). Aufgrund des polaren Charakters dieser Gruppe neigen sie zur Bildung von Wasserstoff-Brückenbindungen, sodass die Carbonsäuren selbst in stark verdünnten Lösungen nicht als Monomere (nur in der Gasphase) sondern als Dimere oder gar in einer polymeren Form vorliegen. Die bevorzugte Anordnung ist jedoch die dimere Struktur.

Abb.1
Schematische Darstellung der Dimerisierung von Carbonsäuren durch die Bildung von Wasserstoff-Brückenbindungen (gepunktet)

Durch das vorliegende Symmetriezentrum ist die symmetrische Carbonyl-Schwingung nur Raman-aktiv, während die antisymmetrische nur IR-aktiv ist.

In den Spektren sind neben den Banden der C=O-Schwingungen auch Banden der Schwingungen der O-H- und C-O-Bindung zu sehen. Aufgrund der Polarität der Carboxy-Gruppe sind diese Banden im IR-Spektrum intensiver als im Raman-Spektrum.

Abb.2
Infrarot- und Ramen-Spektrum der Hexansäure

O-H-Valenzschwingung im Bereich um 3.000cm-1

Carbonsäuren in dimerer Form sind anhand der breiten Bande um 3.000cm-1 leicht im IR-Spektrum zu identifizieren. Sie wird durch die O-H-Valenzschwingung hervorgerufen und durch C-H-Valenzschwingungen überlagert. In dieser breiten OH-Bande sind einige schwache Schultern zu beobachten, die ihren Ursprung in Ober- und Kombinationsschwingungen haben (die zugehörigen Grundschwingungen sind die O-H-Deformationschwingung bei 1.420cm-1 und die C-O-Valenzschwingung bei 1.300cm-1. Monomere Carbonsäuren zeigen nur eine schwache aber scharfe Bande im Bereich von 3.550cm-1 bis 3.500cm-1.

C=O-Valenzschwingung im Bereich von 1.740cm-1 bis 1.620cm-1

Weil ein Symmetriezentrum vorliegt, hervorgerufen durch die Dimerisierung der Carbonsäuren, ist die antisymmetrische Valenzschwingung der C=O-Gruppe IR-aktiv und die symmetrische Valenzschwingung Raman-aktiv.

Tab.1
Lage der Banden von Carbonyl-Gruppen in Carbonsäuren in Infrarot- und Ramanspektren
SchwingungWellenzahl in cm-1IR- und Raman-Aktivität
ν as (C=O)1.720 bis 1.680IR: st
ν s (C=O)1.680 bis 1.640 Ra: w

Halogene am Kohlenstoff-Atom der Carboxy-Gruppe bewirken eine Verschiebung der Bande zu höheren Wellenzahlen.

Des Weiteren ist die Lage und die Aktivität der Bande stark von ihrer Umgebung abhängig. Wird eine Carbonsäure etwa in Alkohol oder Ether gelöst, sind andere Formen der Wasserstoff-Brückenbindung möglich (z.B. zwischen dem Wasserstoff-Atom der Carboxy-Gruppe und dem Sauerstoff-Atom des Ethers). Die Carbonyl-Banden verschieben sich dann zu höheren Wellenzahlen.

C-O-Valenz- und C-OH-Deformationsschwingung der Carboxy-Gruppe im Bereich von 1.400cm-1 bis 1.200cm-1

Zwei relativ starke Absorptionsbanden sind im Bereich von 1.400cm-1 bis 1.200cm-1 zu beobachten. Diese gehören zur C-O-Valenzschwingung bzw. zur C-OH-Deformationsschwingung, wobei man diese Schwingungen nicht getrennt betrachten darf, da sie stark in Wechselwirkung stehen. Die Bande im Bereich zwischen 1.315cm-1 und 1.200cm-1 wird trotzdem hauptsächlich der C-O-Valenzschwingung zugeschrieben (in Analogie zur Ether-Bande), entsprechend wird die Bande im Bereich von 1.440cm-1 bis 1.395cm-1 überwiegend der C-OH-Deformationsschwingung zugeordnet.

OH···O-wagging-Schwingung im Bereich von 960cm-1 bis 870cm-1

Das Vorhandensein einer breiten Absorptionsbande im Bereich von 960cm-1 bis 870cm-1 beweist das Vorliegen eines Dimers.

Übersicht über die Schwingungen von Carbonsäuren (Dimere)

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