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Allgemeine Struktur der Monocarbonsäuren mit der blau markierten Carboxy-Funktion.

Carbonsäuren (fachsprachlich[1], veraltet auch Karbonsäuren[2][3]) 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 und ihre Ester Carbonsäureester genannt.[4]

Inhaltsverzeichnis

Vorkommen und Nomenklatur

Die systematische Benennung der Carbonsäuren erfolgt im Deutschen durch die Endung „-säure“ und dem vorangestellten Grundgerüst, bei den Säuren der Alkane zum Beispiel Methansäure (Ameisensäure) und Ethansäure (Essigsäure). Viele Carbonsäuren tragen unsystematische Namen (Trivialnamen), die ebenfalls mit „-säure“ enden. Der Trivialname weist zumeist auf die Quelle hin, woraus die Carbonsäure gewonnen werden kann; einige Beispiele sind Ameisensäure, Äpfelsäure, Buttersäure, Weinsäure, Citronensäure oder Essigsäure.

Einteilung

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 in Alkansäuren, Alkensäuren und Alkinsäuren unterteilen. Alkansäuren nennt man auch gesättigte Carbonsäuren. Alkensäuren, also Carbonsäuren mit mindestens einer Doppelbindung im Rest und Alkinsäuren mit mindestens einer Dreifachbindung im Rest, nennt man hingegen ungesättigte Carbonsäuren. Neben der Struktur des Restes lassen sich die Carbonsäuren nach Anzahl der Carboxygruppen unterscheiden. Monocarbonsäuren verfügen über eine Carboxygruppe, während Dicarbonsäuren zwei und Tricarbonsäuren drei Carboxygruppen tragen.[4]

Außerdem gibt es auch Gruppen von Carbonsäuren, die weitere funktionelle Gruppen tragen, wie Ketocarbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren und Aminosäuren (eigentlich: Aminocarbonsäuren).

Fettsäuren sind meist unverzweigte, aliphatische Monocarbonsäuren mit mindestens vier Kohlenstoffatomen. Als Harzsäuren bezeichnet man Carbonsäuren, die in Naturharzen vorkommen. Metallacarbonsäuren sind Komplexe mit einem Carboxyligand.

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

Eigenschaften

Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Carbonsäuren werden deutlich von der Carboxygruppe bestimmt. Das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe (C=O) weist einen relativ starken elektronenziehenden Effekt auf, sodass die Bindung zwischen Wasserstoff und dem Sauerstoffatom der Hydroxygruppe stark polarisiert wird. Dadurch erlaubt die Carboxygruppe die Freisetzung von H+-Ionen, hier anhand von Essigsäure dargestellt:

Zusätzlich ist der saure Charakter der Carbonsäuren eine Folge der Mesomeriestabilisierung des Carboxylat-Anions. Die Stabilität des Anions begünstigt die deprotonierte Form der Carbonsäure. Ähnlich wie bei der Mesomerie-Stabilisierung des Benzols deutet man das delokalisierte Elektron oft mit der folgenden Schreibweise an:

wobei R im obigen Beispiel für die Methylgruppe CH3 steht.

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

Kurzkettige Carbonsäuren sind farblose, stark (stechend, unangenehm) riechende Flüssigkeiten. Sie haben durch die Carboxygruppe einen polaren Charakter, was zu guter Löslichkeit in Wasser und zu relativ hohen Siedetemperaturen aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen führt. Eine gut mögliche spezielle räumliche Anordnung der Wasserstoffbrückenbindung führt zur 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 Moleküle der häufigsten langkettigen Carbonsäuren, die sog. Fettsäuren besitzen 16 oder 18 Kohlenstoffatome. Ihre Triglyceridester sind die Fette. Die Natrium- und Kaliumsalze der Fettsäuren zeigen die Eigenschaften von Tensiden und werden als Kernseifen und Schmierseifen verwendet.

Herstellung

Carbonsäuren entstehen durch Oxidation aus primären Alkoholen, wobei als Zwischenstufen Aldehyde auftreten. Geeignete Oxidationsmittel sind zum Beispiel Kaliumpermanganat, Chromtrioxid, Salpetersäure oder Kaliumdichromat.

 
 
 
 
 
 
  • Kolbe-Nitrilsynthese von Halogenalkanen und anschließende Hydrolyse des Nitrils ergibt die um einen C-Baustein erweiterte Carbonsäure. Dadurch brauchen Hydroxy- und Carboxygruppen nicht wie bei der Grignard-Methode geschützt zu werden:
 
 
 . Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine unerwünschte Nebenreaktion, da aktivierte Carbonsäurederivate zunächst aufwändig aus Carbonsäuren hergestellt werden müssen, um aus ihnen andere Carbonsäurederivate herstellen zu können.
  • Hydrolyse von Nitrilen (Cyaniden) (wegen der Stabilität der Nitrile unter energischen Bedingungen):
 
  • Saure oder basische Hydrolyse von Carbonsäureamiden (wegen der Stabilität der Carbonsäureamide unter energischen Bedingungen):
 
  • Oxidation von Olefinen mit basischem Kaliumpermanganat (unter neutralen Bedingungen bleibt die Reaktion beim vicinalen Diol + Mangandioxid stehen):
 
 
 
 

Spektroskopie von Carbonsäuren

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.

Wichtige Reaktionen

Gegeben durch die zwei Nachbarsauerstoffatome, die elektronenziehend wirken, können nucleophile Angriffe auf das Kohlenstoffatom stattfinden. Sind die Nucleophile Brønsted-Basen, wie z. B. Ammoniak oder Amine werden allerdings unter Deprotonierung der Carbonsäure nur die entsprechenden Salze der Carbonsäure entstehen.

Veresterung

Während der säurekatalysierten Veresterung reagiert die Carboxyl-Gruppe einer organischen Säure mit der Hydroxygruppe eines Alkohols. Unter Abspaltung von Wasser entsteht dabei ein Ester. Allgemein sei R1 der Rest der Säure, und R2 der Rest des Alkohols. Dann findet folgende Gleichgewichtsreaktion statt:

Dehydratisierung

Carbonsäuren bilden unter Wasserabspaltung (Dehydratisierung) bei höheren Temperaturen organische Carbonsäureanhydride.

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

Weblinks

  Commons: Carbonsäuren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  Wiktionary: Carbonsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Carbonsäure bei Duden.de, abgerufen am 15. Januar 2016.
  2. Synonym-Details zu 'Carbonsäure · Karbonsäure (veraltet)' bei openthesaurus.de, abgerufen am 15. Januar 2016.
  3. Karbonsäure bei Duden.de, abgerufen am 15. Januar 2016.
  4. a b Brockhaus ABC Chemie. VEB F. A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1965, S. 645–646.
  5. 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.