Aliphatische

Carbonsäuren

Allgemein Herstellung Eigenschaften von organischen Säuren

Begriff der homologen Reihe der Carbonsäuren

Monocarbonsäuren

Dicarbonsäuren

Hydroxycarbonsäuren

Ungesättigte Carbonsäuren

Derivate der Carbonsäuren

a)       Eigenschaften und Herstellung von organischen Säuren

Organische Säuren (oder auch Carbonsäuren) bestehen aus den drei Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff.

Ihre Funktionelle Gruppe (-COOH) wird Carboxylgruppe (oder Carbonsäuregruppe) genannt.

Carbonsäuren leiten den Strom und reagieren sauer, allerdings nur in verdünnter Form, da ohne Reaktion mit Wasser keine Ionen vorliegen.

Ameisen-, Essig-, und Propionsäure sind Stechend riechende, farblose Flüssigkeiten

Die Säuren mit 4-9 C-Atomen sind dickflüssiger und richen schweissartig bis ranzig. Ab 10 C-Atomen sind Die aliphatischen Carbonsäuren fest.

Carbonsäuren reagieren mit Wasser nach folgender Gleichung (Bsp. mit Butansäure):

CH₃(CH₂)₂COOH + H₂O à CH₃(CH₂)­₂COO^- + H₃O⁺

Verdünnte Säuren reagieren mit unedlen Metallen.

Zuerst werden die Oxonium-Ionen gebildet:

CH₃(CH₂)₂COOH + H₂O à CH₃(CH₂)­₂COO^- + H₃O⁺

Danach reagieren die Oxonium-Ionen mit dem unedlen Metall (Bsp. mit Magnesium):

2 H₃O⁺ + Mg Mg²⁺ + 2H₂O + H₂

Wenn Carbonsäuren mit Natronlauge reagieren, bilden sich Natriumsalze nach folgenden Gleichungen:

CH₃(CH₂)₂COOH + Na⁺ + OH^- à CH₃(CH₂)₂COO^- + Na⁺ + H₂O

CH₃(CH₂)₂COO^- + Na⁺ à CH₃(CH₂)₂COONa

Säuert man diese Salze mit Schwefelsäure am, erhält man wieder organische Säuren:

2 CH₃(CH₂)₂COONa + H₂SO₄ à Na₂SO₄ + 2 CH₃(CH₂)₂COOH

Flüchtige Carbonsäuren entweichen dabei als Gas, schwer lösliche Organische Säuren flocken aus.

Moleküle organischer Säuren bestehen aus der stark polaren Carboxylgruppe (hydrophil, lipophob) und aus dem unpolaren Kohlenwasserstoffrest (hydrophob, lipophil).

Je nach Verhältnis der Van-der-Waals-Kräfte des Rests zu den Wasserstoffbrückenbindungen der Carboxylgruppe ist eine organische Säure mehr oder weniger gut in Wasser löslich.

Organische Säuren mit kleinem Rest wie Methan-, Ethan-, Propan- oder Butansäure sind unbegrenzt in Wasser löslich. Je größer jedoch der Rest wird, desto weniger ist die organische Säure in Wasser löslich.

Gleichzeitig verbessert sich aber die Löslichkeit in lipophilen Lösemitteln.

Die Größe des Rests bestimmt auch den Aggregatzustand bei Raumtemperatur.

b) Begriff der homologen Reihe der Carbonsäuren

Die Moleküle einer Gruppe von Carbonsäuren, die Alkanesäuren, unterscheiden sich untereinander nur durch die Anzahl der in den Molekülen enthaltenen CH₂-Gruppen. Dieses bezeichnet man als eine homologe Reihe.

Um die Schreibweise bei der Summenformel zu vereinfachen setzt man oft die sich wiederholende Gruppe in Klammern und schreibt ihre Anzahl in den Index.

Beispiel Hexadecansäure:   CH₃(CH₂)₁₄-COOH

Die CH₂-Gruppe ist also 14 mal in diesem Molekül enthalten.

c) Monocarbonsäuren

Carbonsäuren, in denen der Rest R ein H-Atom oder ein Alkylrest ist, bezeichnet man als Monocarbonsäuren. Die Benennung erfolgt nach IUPAC, man verwendet aber öfter Trivialnamen.

Ameisensäure:

O-H

|

H-C=O

Einfachste und stärkste nicht substituierte Monocarbonsäure. Kann aufgrung ihrer Struktur als Carbonsäure UND Aldehyd reagieren. In der Technik wird sie aus CO und geschmolzenem NaOH unter Druck hergestellt.

2 NaOH + CO H₂CO₂ + Na₂O

Vorkommen: Brennnessel, div. Hohltiere, Ameisenzähne

Essigsäure:

CH₃-C=O

I

OH

Essigsäure ist eine der wichtigsten org. Säuren. Reine Essigsäure ("Eisessig") erstarrt bei 16,6 °C. Sie ist ein wichtiges Zwischenprodukt zur Herstellung ihre Salze und Ester (Celluloseacetat). Diese werden verwendet wenn eine billige oder schwache Säure gebraucht wird. Technisch wird Essigsäure durch Oxidation von Ethanol hergestellt

CH₃CH₂OH +O₂ CH₃COOH + H₂O

In der Biologie nennt man diesen Vorgang auch Essiggärung

Vorkommen: Verfaulte Früchte, Holzteer, Schweiß

Buttersäure:

H H O-H

| | |

H-C-C-C=O

| |

H H

Kommt als Glycerinester in Butter vor. Schweiß und ranzige Butter enthalten die freie Säure(Gestank!!!). Ihre Ester haben jedoch oft einen angenehmen und fruchtigen Geruch. ( Verw. als Aromastoffe.

d) Dicarbonsäuren:

Dicarbonsäuren enthalten im Molekül 2 Carboxylgruppen. Aufgrund der H-H Brücken sind alle von ihnen bei Raumtemperatur fest. Sie ist im allgemeinen die stärkste Carbonsäuregruppe.

Oxalsäure:

HO-C=O

I

HO-C=O

Einfachste Dicarbonsäure. Kommt als K⁺ oder Ca²⁺ Salz in div. Pflanzenzellen vor und wird auch aus diesen gewonnen. Bereits 5g stören den menschlichen Ca-Kreislauf auf letale Weise. Oxalsäure zerfällt schon bei mäßigen Erhitzen zu CO, CO₂ und Wasser. Sie bildet mit vielen Metallen Komplexe oder schwerlösliche Salze. Verw. zB. Quantitative Bestimmung von Ca²⁺,oder Entfernung von Rostflecken. In der technischen Herst. erhitzt man Natriumformiat, ein Salz der ameisensäure, auf 360°C in Gegenwart von NaOH, wobei unter Wasserstoffentwicklung das Oxalsäuresalz Natriumoxalat entsteht.

Malon- und Bernsteinsäure:

HOOC-CH₂-COOH                           HOOC-CH₂-CH₂-COOH

Malon- und Bernsteinsäure sind 2 weitere in der Natur vorkommende Dicarbonsäuren.

zB. in div. Pflanzen und Pflanzenresten, Erde und Bernstein. Ihre Technische Bedeutung ist allerdings gering.

Adipinsäure:

HOOC-(CH₂)₆-COOH

Weißes, bei Raumtemperatur festes, amorphes Pulver. In Wasser kaum löslich. Sie ist ein wichtiger Rohstoff zur Herstellung von Nylon.

Eine Herstellungsmöglichkeit ist die Oxidation von Cyclohexanon in alkalischem Medium.

e) Hydroxycarbonsäuren

Carbonsäuren, die neben der COOH-Gruppe noch eine oder mehrere OH-Gruppen enthalten, heißen Hydroxycarbonsäuren. Zu ihnen gehören viele wichtige Naturstoffe.

Milchsäure:

HOOC                             COOH

I I

Links-drehend CH₃-CH CH₃-CH Rechts-drehend

(L-Form) I I (D-Form)

OH OH

Entsteht durch "Milchsäuregärung". Tritt in altem Käse, Milch, und Sauerkraut auf.

Milchsäure wird im arbeitendem Muskel frei. Wenn die O₂-Zufuhr zu gering ist.

("Muskelkater")

Weinsäure:

HOOC-CH-OH

I

HOOC-CH-OH

Weinsäure bildet farblose Kristalle, die stark sauer schmecken und in Wasser sehr gut löslich sind. Sie ist eine relativ starke, organische Säure. In der Natur kommt überwiegend die L(+)-Weinsäure vor

Kommt als K-Salz im Weinstein vor, der als schwerlösliches Salz oft am Boden von altem Wein zu sehen ist. Ihre Salz heißt Tatrat. Es bildet mit Cu²⁺ Komplexe die auch bei hohem pH stabil sind( Fehlinglösung). Auch von der Weinsäure gibt es eine D und L Form. Zur technischen Gewinnung von Weinsäure wird Kaliumhydrogentartrat (Weinstein) mit Ca(OH)₂ zu Calciumtartrat umgewandelt. Bei der Zugabe von H₂SO₄ erhält man dann die Weinsäure. Weinstein kann aus dem Saft von Weintrauben gewonnen werden. Er scheidet sich an den Wänden von Weinfässern ab

Zitronensäure:

COOH

I

HOOC-CH₂-C-CH₂-COOH

I

OH

Zitronensäure kommt nicht nur in Zitronen vor, sondern in fast allen andern Früchten. Sie spielt eine große Rolle in der Biochemie und im biologischen Stoffwechsel. Die technische Herstellung erfolgt enzymatisch mit Hilfe der Spezies"Aspergillus Niger"

Zitronensäure wird auch gemischt mit Natriumhydrogencarbonat als Brausepulver verwendet. Feuchtet man das Gemisch an, so löst sich die Zitronensäure und das Natriumhydrogencarbonat reagiert mit den Oxonium-Ionen:

NaHCO₃ + H₃O⁺ Na⁺ + 2 H₂O + CO₂

f) Ungesättigte Carbonsäuren:

Als ungesättigt bezeichnet man Carbonsäuren, die min. 1 Doppelbindung besitzen. Sie enthalten weniger Wasserstoff und daher weniger H-H Brücken, daher sind ihre Siedepunkte niedriger als bei den entsprechenden gesättigten Säuren.

Maleinsäure                    und Fumarsäure:

CH₂-COOH CH₂-COOH

I I

CH₂-COOH HOOC-CH₂

Malein- und Fumarsäure sind 2 Cis-Trans Isomere, die sich vorallem hinsichtlich der Säurestärke unterscheiden. Das liegt an der Tatsache, daß das Hydrogenmaleat-Ion sehr stabil ist.

CH₂--CH₂ Die beiden Carboxylgruppen bilden eine H-H Brücke

I I miteinander. Bei der Fumarsäure ist das nicht möglich.

O=C-O.H-OC=O

Acrylsäure und Methacrylsäure:

CH₂=CH-COOH                                CH₂=C-COOH

I

CH₃

Von den ungesättigten Carbonsäuren besitzen beide große Bedeutung zur Herstellung glasartiger Polymerisate. Plexiglas ist ein polymerer Methacrylsäureester

g) Derivate der aliphatischen Carbonsäuren

In Carbonsäurederivaten ist die OH-Gruppe Der Carbonsäure substituiert. Neben den Estern sind die wichtigsten Derivate die Chloride, Anhydride und Amide. Anhydride entstehen aus 2 Säuremolekülen durch Abspaltung 1 Wassermoleküls.

R-C=O R` muß nicht organisch sein!!!

I

R`

z.B: Essigsäureanhydrid:

O

II

CH₃-C-OH CH₃-C=O

+ I + H₂O

CH₃-C-OH O

II I

O CH₃-C=O

Aufbau und Bildungsreaktion von Estern:

Wenn Alkansäuren und Alkohole miteinander reagieren, ist das Reaktionsprodukt ein hydrophober Stoff, obwohl die Carboxylgruppen der Alkansäuren und die Hydroxylgruppe der Alkanole beide hydrophil sind.

Die beiden hydrophilen Gruppen haben miteinander reagiert, diese Reaktion nennt man Veresterung. Das Reaktionsprodukt heißt Ester.

Beispielreaktion mit Ethansäure und Ethanol:

CH₃COOH + C₂H₅OH CH₃COOC₂H₅ + H₂O

Die Bildung von Estern läuft im allgemeinen so ab:

Säure + Alkanol Ester + Wasser

Strukturformel von                            Strukturformel von Ethanol:

Ethansäureethylester:   

H H

H | |

| H-C-C-O-H Hydroxylgruppe

H-C-H                                             | |

| H H

C=O

Strukturformel von Ethansäure:

O    

| H O-H

H-C-H       | |

| H-C-C=O Carboxylgruppe

H-C-H       |

| H

H

Aufbau und Eigenschaften von Fetten

Fette sind Glycerintriester, da sie aus Glycerin (ein Alkanol mit 3 Hydroxylgruppen) und Alkansäuren gebildet werden.

Meist sind an der Veresterung (Kondensation) verschiedene Alkansäuren beteiligt. Beispiel mit Buttersäure und 2 anderen Alkansäuren:

CH₂-OH + HOOC-C₃H₇        CH₂-OOC-C₃H₇

|

CH -OH + HOOC-C₁₅H₃₁ CH-OOC-C₁₅H₃₁ + 3 H₂O

|

CH₂-OH + HOOC-C₁₇H₃₃          CH₂-OOC-C₁₇H₃₃

Die Gegenreaktion zur Kondensation nennt man Hydrolyse (Verseifung).

Bei den Fettsäuren gibt es 2 verschiedene Gruppen: die gesättigten und die ungesättigten Fettsäuren.

Ungesättigte Fettsäuren enthalten in ihrer Molekularstruktur mindestens eine Doppelbindung. Der Eintritt einer Doppelbindung in eine Carbonsäure senkt deren Schmelzpunkt.

Ungesättigte Fettsäuren mit mehr als einer Doppelbindung werden Polyensäuren genannt.

Eigenschaften:

Die Siedetemperaturen von Fetten sind von der Art der Fettsäuren, der Anzahl der Doppelbindungen in den ungesättigten Fettsäuren und der Länge der Kohlenwasserstoffketten in den Fettsäuremolekülen abhängig.

Fette verbrennen bei mehr als 100°C

Wenn Fette ranzig geworden ist, haben Bakterien zusammen mit Wasser und Wärme die Fette gespalten (Hydrolyse).

Die Reaktivität nimmt in flogender Reihenfolge ab: Säuerchloride,( Anhydride,

( Ester,( Amide.

Die Carbonsäurechloride der niederen Alkansäuren sind farblose, stechend riechende Flüssigkeiten. Sie entstehen durch die Reaktion von der Carbonsäure mit PCl₃ oder SOCl₂.

Durch Umsetzung von Säurechloriden mit dem Na-Salz der Carbonsäure erhält man ebenfalls das Anhydrid.

Die Carbonsäurechloride sind grundsätzlich wichtige Ausgangsprodukte für die Herstellung verschiedener anderer Chemikalien.

Die meisten Carbonsäureamide sind bei Raumtemperatur fest. Das beruht hauptsächlich auf den H-H Brücken zwischen der polaren NH-Bindung und der Carbonylgruppe.

Zusammenfassung der Reaktionmöglichkeiten der Carbonsäurechloride:

R-CO-Cl         + H₂O R-CO-OH Carbonsäure

R-CO-Cl         + R-OH R-CO-R Ester

R-CO-Cl         + NH₃ R-CO-NH₂ Säureamid

R-CO-Cl         + CN^- R-CN Nitril

THE END