Organische Chemie für Schüler/ Carbonsäuren

Carbonsäuren (organische Säuren)

V1: In konzentrierte Essigsäure werden zwei Elektroden aus Graphit gegeben und ein Stromkreis mit Ampèremeter angeschlossen (5-10 Volt Wechselspannung). Die so gemessene Stromstärke gibt Auskunft über die Leitfähigkeit der Lösung.

Nach dem ersten Messen der Leitfähigkeit wird kontinuierlich Wasser hinzu gegeben und die Stromstärke beobachtet.

B	S:
1. Essigsäure zeigt keinerlei messbare Leitfähigkeit	→ In Lösungen können nur Ionen die Elektronen von einer Elektrode zur anderen transportieren. Liegt keine Leitfähigkeit vor, ist der Stromkreis nicht geschlossen. Also sind demzufolge keine Ionen in der Lösung vorhanden
2. Je mehr Wasser hinzu gegeben wird, desto höher steigt die Leitfähigkeit. Sie übertrifft sogar den Wert der Leitfähigkeit von reinem Wasser.	→ Durch die Zugabe von Wasser müssen sich Ionen gebildet haben.

Wo kommen diese Ionen her?

Essigsäure (Ethansäure) + Wasser → Essigsäuresäureanion + Oxoniumion

Genau wie die anorganischen Säuren reagieren organische Säuren in einer Protolyse mit Wasser und übertragen dabei ein Proton (Säure-Base-Reaktion). Dabei wird in Wasser das Oxoniumion gebildet, welches die stärkste Säure in wässrigen Systemen ist. Als Protolyse bezeichnet man den Übergang eines Protons (H⁺) von einem Molekül auf ein anderes. Säuren sind ionogene Verbindungen und leiten demzufolge den elektrischen Strom.

Wichtige Zusatzinformationen

Die Heterolyse ist ebenfalls eine heterolytische Spaltung. Eine solche Aufspaltung von Verbindungen in Wasser in ihre Ionen wird auch Dissoziation genannt.
Eine Dissoziation muss nicht vollständig sein. Bei Essigsäure dissoziiert ca. jedes 100. Molekül (→ pH ca. 5, da die Konzentration an H₃O⁺ = 10^-5 mol/l (statt 10^-7 mol/l bei Wasser)
Da H⁺ keine Elektronen hat und nur ein Proton (und kein Neutron!), wird es unter Chemikern auch als Proton bezeichnet!
Wichtig: Säure und saure Eigenschaften sind keine unveränderbaren Stoffeigenschaften (wie z.B. der Siedepunkt). Essigsäure beispielsweise ist also erst in Verbindung mit Wasser eine Säure! Sauer kann folglich keine Stoffeigenschaft sein, sondern erst das Ergebnis einer Reaktion, bei der Oxoniumionen^[1] entstehen.
Umgangssprachlich sagen Chemiker oft, dass das H⁺ - Ion die Säureeigenschaften ausmacht. Als Erklärung für viele Modelle ist dies auch mehr als ausreichend. Genau genommen ist es aber immer das Oxoniumion (H₃O⁺), welches die sauren Eigenschaften ausmacht.
Zum Nachdenken: Du kennst jetzt die beiden Grundtypen chemischer Reaktionen:

a) Redoxreaktionen: Elektronen (e^-) werden übertragen b) Säure-Base-Reaktionen: Protonen (p⁺) werden übertragen

Zusatzinformationen

Dissoziation

Eisessig

Carbonsäuren haben durch ihren Aufbau und vor allem durch das Ausbilden starker WBBs hohe Schmelz- und Siedepunkte (im Vergleich zu Alkanen und Alkoholen gleicher Kettenlänge).

Besonders deutlich wird dies beim Gefrieren von Essigsäure.

V: Essigsäure wird in den Kühlschrank gestellt (evtl. ein gelegtes RG).

B: Essigsäure ist nach wenigen Minuten gefroren.

S: Der Schmelzpunkt von Essigsäure liegt oberhalb der Temperatur des Kühlschranks.

Kühlschränke kühlen meist im Bereich von 4-6°C, der Schmelzpunkt von wasserfreier, konzentrierter Essigsäure liegt bei 16,2°C.

Essigsäure

Versuche mit Carbonsäuren

V1. pH- Messung von Natriumacetat in wenig Wasser

B: Natriumacetat zeigt mit Wasser einen leicht alkalischen pH-Wert von ca. 9.

S: Nicht alle Salze reagieren mit Wasser neutral! Es gibt mit Wasser reagierende saure und alkalisch reagierende Salze. Natriumacetat ist ein Salz der Essigsäure. Es reagiert als Base, indem es ein Proton des Wassers aufnimmt. Dabei bilden sich Hydroxidionen (OH^–), welche für den gemessenen pH-Wert verantwortlich sind.

Natriumacetat + Wasser → Essigsäure + Hydroxid + Natriumion

V2. Essigsäure unverdünnt und verdünnt in Calciumcarbonat (Kalk) geben. Das Gas kann mit einem Stopfen und einem Glasrohr in Kalkwasser geleitet werden.

B:

Bei verdünnter Essigsäure ist die saure Wirkung viel stärker!
Gasentwicklung (wenn Kalkwasser verwendet wurde, trübt es sich milchig)

S: Man würde erst mal erwarten, dass bei einer konzentrierten Säure die Reaktion heftiger ist.

Zur Reaktion muss man aber wissen, dass durch Wasserzugabe eine weitere (zweite!) Säure (das Oxoniumion H₃O⁺) entsteht und diese als starke Säure viel stärker sauer als Essigsäure ist.

Essigsäure + Calciumcarbonat + Wasser → Essigsäuresäureanion + Oxoniumion + Kohlenstoffdioxid

Kalkwasser trübt sich aufgrund des Kohlenstoffdioxids. Kalkwasser ist ein Kohlenstoffdioxidnachweis. Das entstandene Kohlenstoffdioxid lässt die Flüssigkeit aufschäumen.

Informationen zu Carbonsäuren

Carbonsäuren kommen in der Natur häufig vor. Sie dienen z.B. als Abwehrstoff (Ameisensäure), Fruchtsäuren, kommen in Schweiß vor und bilden Ölen, Fette, Harze und Wachse. Man findet sie ebenfalls in Geruchsstoffen und in natürlichen Aromen. Essigsäure beispielsweise entsteht durch die Oxidation von Aldehyden oder primären Alkoholen:

Stehenlassen von Wein in einer geöffneten Flasche:

Alkohol → Oxidation zum Aldehyd → Oxidation zur Carbonsäure

Ethanol → Ethanal → Ethansäure (= Essigsäure)

Da die Carbonsäuren sich von den Alkanen ableiten und als funktionelle Gruppe die Carboxyl-Gruppe enthalten (Achtung: das C-Atom der Carboxygruppe wird mitgezählt!), kann man entsprechend auch hier eine homologe Reihung aufstellen^[2]:

Name	Trivialname	Säurerestanion	Formel
Methansäure	Ameisensäure	Formiat	H–COOH
Ethansäure	Essigsäure	Acetat	H₃C–COOH
Propansäure	Propionsäure	Propionat	H₃C–CH₂–COOH
Butansäure	Buttersäure	Butyrat	H₃C–(CH₂)₂–COOH

Propionsäure (im Schweiß enthalten)
Buttersäure (in ranziger Butter enthalten)

Zusatzinformationen

Carbonsäuren Ameisensäure Essigsäure Propionsäure Buttersäure

Weitere Typen von Carbonsäuren

Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren:

Höhere, (langkettige) Carbonsäuren werden Fettsäuren genannt. Carbonsäuren mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen können von Lebewesen zum Aufbau von Fetten verwendet werden. Man nennt sie deshalb und auch wegen ihrer Unlöslichkeit in Wasser Fettsäuren. Die meisten Fettsäuren bei Säugetieren tragen 15-16 Kohlenstoffatome.

Enthalten sie keine Doppelbindungen, nennt man sie gesättigte Fettsäuren. Sie sind eher in tierischen Fetten zu finden. Ungesättigte Fettsäuren enthalten entsprechend eine oder mehrere Mehrfachbindungen. Sie sind für die menschliche Ernährung sehr wertvoll, da sie Vorstufen zu Vitaminen darstellen können. Man findet sie eher in Pflanzen.

Beispiele für Fettsäuren:

Palmitinsäure

Palmitinsäure (Anion: Palmitat) H₃C–(CH₂)₁₄–COOH(=C₁₅H₃₁COOH) Palmitinsäure und Stearinsäure sind die mit am häufigsten vorkommenden Bestandteile pflanzlicher Fettsäuren. Palmöl besteht z.B. zu 45% daraus.

Stearinsäure

Stearinsäure (Anion: Stearat) H₃C–(CH₂)₁₆–COOH(= C₁₇H₃₅COOH)schwache, feste (!) Säure, bildet weiße Blättchen, Geruch nach altem Fett, nicht wasserlöslich, Verwendung als Zusatzstoff in Waschmitteln. Das Natriumsalz Natriumstearat wird als Reinigungsmittel verwendet, auch Zusatzstoff der Lebensmittelindustrie, manchmal Wachsbestandteil. Stearinsäure ist Ausgangsstoff zur Herstellung von Kernseife und somit in vielen Waschmitteln vorhanden. Ebenfalls für Kosmetika verwendet (Cremes).

Als gesättigte Fettsäure v.a. im Schweinefett (14%), im Rinderfett (20%), und auch in der Milch (im Milchfett 13%) zu finden. Stearinsäure

Ölsäure

Ölsäure (Anion: Oleat) H₃C–(CH₂)₁₅–COOH(=C₁₇H₃₃COOH)Bestandteil der entsprechenden Triglyceride sehr vielen natürlichen Ölen und Fetten vor, z.B.: Olivenöl (55-80 %), Traubenkernöl (15-20 %) und Erdnussöl.

Linolsäure C₁₇H₃₁COOH

Weitere wichtige Alkansäuren

Ameisensäure, Arachinsäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure, Önanthsäure, Caprylsäure, Pelargonsäure, Caprinsäure, Undecansäure, Laurinsäure, Tridecansäure, Myristinsäure, Pentadecansäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure

Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren

Carbonsäuren können eine oder mehrere Carboxylgruppen enthalten. Carbonsäuren mit zwei Carboxylgruppen werden Dicarbonsäuren genannt.

Die Vorsilben Mono-, Di- oder Tri- geben dabei natürlich die Anzahl der Carboxyl-Gruppen an

Beispiele

Oxalsäure Oxalat HOOC–COOH (=Ethandisäure; kommt in Sauerklee vor)
Malonsäure Malonat HOOC–CH₂–COOH
Bernsteinsäure Succinat HOOC–CH₂–CH₂–COOH

Hydroxycarbonsäuren

Ihr Kennzeichen ist, dass sie zusätzlich zur Carboxylgruppe noch eine Hydroxygruppe (OH) haben.

z.B. Milchsäure (Hydroxypropansäure), Citronensäure, Weinsäure.

Äpfelsäure
Citronensäure

Cyclische Carbonsäuren

Ist die funktionelle Carboxygruppe mit einem aromatischem Ring verbunden (oft Benzol) nennt man sie Cyclo-Carbonsäuren. Der Benzolring kann zusätzlich noch mit einer OH-Gruppe verbunden sein (aromatischen Hydroxycarbonsäuren).

Benzolcarbonsäure (Benzoesäure)
Phthalsäure (aromatische Dicarbonsäure)
Acetylsalicylsäure (enthalten in Aspirin)
Ascorbinsäure (bekannt als Vitamin C)

Übersicht über die wichtigsten Carbonsäuren und ihre Salze

Wenn eine Carbonsäure dissoziiert, dann entsteht ein Proton und ein Säurerestanion. Das Säurerestanion kann sich aufgrund seiner negativen Ladung leicht mit einem positiv Metallkation (z.B. Na⁺ oder K⁺) vereinigen und so ein Salz bilden. Diese Salze heißen entsprechend den anorganischen Salzen nach dem Metallnamen und dem Säurerestionnamen.

Säure	Säurerestion	Beispielsalz
Oxalsäure	Oxalat	Natriumoxalat
Buttersäure	Butyrat	Natriumbutyrate
Malonsäure	Malonat	Natriummalonat
Bernsteinsäure	Succinat	Natriumsuccinat
Palmitinsäure	Palmitat	Natriumpalmitat
Stearinsäure	Stearat	Natriumstearat
Milchsäure	Lactat	Natriumlactat
Citronensäure	Citrat	Natriumcitrat
Weinsäure	Tartrat	Natriumtartrat
Äpfelsäure	Malat	Natriummalat
Ascorbinsäure	Ascorbat	Natriumascorbat

Allgemeine Eigenschaften der Carbonsäuren

Carbonsäuren

Kurzkettige Carbonsäuren (bis C₈) sind bei Raumtemperatur flüssig. Durch ihre hohe Polarität lösen sie sich gut in Wasser. Dabei geben sie ihr Proton ab (Dissoziation in Ionen). Aber nur kurzkettige Carbonsäuren (bis C₄) sind wasserlöslich, da bei ihnen der polare Anteil der Carboxylgruppe gegenüber der unpolaren Kohlenstoffkette überwiegt. Wasserstoffbrückenbindungen erhöhen die Wasserlöslichkeit. Je länger nun die apolare Kohlenstoffkette wird, desto mehr nehmen deren apolare Eigenschaften zu, die Van-der-Waals-Kräfte steigen und die Siedepunkte nehmen auch zu. So ist die Pentansäure kaum noch in Wasser löslich.

Die feste Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und die daraus resultierenden hohen Siedepunkte sind die Konsequenz. In der Reihe Alkane → Aldehyde → Alkohole → Carbonsäuren haben sie die höchsten Siedepunkte bei gleicher Kohlenstoffkettenlänge.

→ kürzerkettige Carbonsäuren (bis Octansäure) sind wasserlöslich und bei Raumtemperatur flüssig

Carbonsäuren längerer Kohlenwasserstoffketten sind dickflüssiger und ihr apolarer Charakter nimmt deutlich zu. Fettsäuren sind kaum noch wasserlöslich.

Verstärkt wird dieser Effekt durch die bei Carbonsäuren typische Bildung von „Dimeren“ - dabei handelt es sich um eine Form von Assoziation zwischen jeweils zwei Molekülen:

Carbonsäuredimer

Zwei Moleküle bilden einen lockeren Verband (ein Dimer) - dieser zusätzliche Zusammenhalt erhöht Schmelz und Siedepunkte der Carbonsäuren. So liegen Smp. und Sdp. wesentlich höher als die der vergleichbaren Alkohole.

Die O-H Bindung ist durch den -I Effekt des anderen (hier: oberen) Sauerstoffatoms stark polarisiert.

Entsprechend wie die Wasserlöslichkeit nimmt auch die Dissoziation und die damit verbundene Säurestärke mit zunehmender Kettenlänge der Carbonsäuren ab.

Vergleich^[3]

pKs-Wert_{Ameisensäure} = 3,65
pKs-Wert_Essigsäure = 4,65

Generell ist die Säurestärke vor allem von der Elektronegativität des Atoms an welches das H-Atom gebunden ist abhängig. Ein weiterer Effekt ist die anschließende Stabilisierung des negativ geladenen Anions (Säurerests) durch Elektronen ziehende Effekte sowie durch Mesomerie der Doppelbindung:

Mesomerie: Grenzstrukturen zeigen eine Delokalisierung der Doppelbindung

Herstellung:

Carbonsäuren können durch Oxidation von Alkoholen oder Aldehyden sowie durch die Reduktion von Kohlendioxid (mit Grignard-Verbindungen) hergestellt werden.

Der Hauptanteil der Produktion geschieht allerdings durch Gärung (Essigsäureproduktion durch Gärung im sauerstoffreichen Milieu). Dies geschieht schon durch stehen lassen einer offenen Weinflasche nach wenigen Tagen.

Verwendung:

Carbonsäuren und ihrer Salze werden zu vielen Zwecken verwendet:

Zusatzstoffe und Konservierungsstoffe in Lebensmitteln
Herstellung von Seifen (Tensiden)
Ausgangsstoffe sowie Zwischenprodukte für weitere organischen Synthesen u.a. - Herstellung von Riechstoffen (als Basis für Ester)
Herstellung von Kunststoffen,
Medikamentenherstellung
Farbstoffherstellung
Kunstharzherstellung

Aufgaben

Was versteht man unter einem korrespondierendem Säure-Base-Paar? Erstelle zur Erklärung eine beliebige Reaktionsgleichung einer Neutralisation und kennzeichne es.
In welche Ionen dissoziiert Ameisensäure?
Welchen Einfluss haben andere Faktoren auf die Leitfähigkeit bei Messungen von Flüssigkeiten?
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Ionenanzahl einer Lösung und der sich daraus ergebenden Erhöhung der Leitfähigkeit?
Reines (destilliertes) Wasser hat auch eine leichte Leitfähigkeit. Sie lässt nach Berechnung auf eine Konzentration von ca. 10^-7 mol Ionen pro mol Wasser schließen. Weißt Du welches Ion (welche Ionen) hier für die Leitfähigkeit verantwortlich sind?
Je länger die Kohlenstoffkette einer Monocarbonsäure, desto geringer wird ihre Leitfähigkeit. Finde verschiedene Ursachen für diesen Befund!
Was versteht man unter Mesomerie?

Formeln von einigen ausgewählten organischen Säuren

Monocarbonsäuren

Ameisensäure
Essigsäure

Dicarbonsäuren

Oxalsäure
Bernsteinsäure

Hydroxycarbonsäuren

Der sechseckige Ring steht für eine zyklische Kohlenstoffverbindung mit der Formel C₆H₆

Äpfelsäure
Citronensäure

Säuren mit aromatischen Ring

Acetylsalicylsäure
Ascorbinsäure

Übersicht über die organischen Säuren

Die Carbonsäuren beinhalten eine große Gruppe von organischen Säuren, die in der Natur weit verbreitet sind.

Methansäure (Ameisensäure)	Ameisensäure ist eine farblose, ätzende und in Wasser lösliche Flüssigkeit. Durch die stark polare Carboxygruppe ist Ameisensäure in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Der Schmelzpunkt liegt bei 8°C, der Siedepunkt bei 100,7°C. Sie dient Ameisen als Abwehrstoff. Sie riecht demzufolge stechend riechend und reizt die Haut, Augen und Atemwege. Man findet sie ebenfalls in Quallen sowie in Brennnesseln mit Natriumformiat als Nesselgift und in verschiedenen Laufkäferarten als Verteidigungswaffe. Da sie auch bakterienabtötend wirkt, wird sie in der Lebensmittelchemie zur Konservierung verwendet (E236), z.B. von Fruchtsäften. Salze der Ameisensäure werden Formiate genannt und in der Textil- und Lederindustrie zum Imprägnieren oder Beizen von Leder sowie zur Konservierung (Natriumformiat (E237) und Calciumformiat (E238)) verwendet. Ameisensäure
Ethansäure (=Essigsäure)	Essigsäure ist im allgemeinen in seiner mit Wasser verdünnten Form als Essig bekannt. Ihr typischer Geruch macht sie leicht erkennbar. Reine, wasserfreie Essigsäure ist eine wasserklare Flüssigkeit, welche schon bei 16,5°C (Smp.) erstarrt. Die feste Essigsäure nennt man auch Eisessig. Ihr Sdp ist mit 118°C relativ hoch im Vergleich zu andern polaren Stoffen mit vergleichbarer molarer Masse. Ursache ist die Ausbildung von Dimeren. Auch wenn Essig nur schwach sauer ist (nur ca. 5% konzentriert), so ist konzentrierte Essigsäure recht stark ätzend. Sie greift Kalk (deshalb Verwendung in WC-Reinigern) und unedle Metalle an. Zusätzlich ist sie brennbar. Ihre Salze heißen Acetate. Ihre keimabtötende Wirkung macht man sich als Konservierungsstoff für Lebensmittel (E260) zunutze. Auch die Salze Kaliumacetat (E261), Natriumacetat (E262) und Calciumacetat (E263) werden als Konservierungsmittel verwendet (für Obst- und Gemüsekonserven). Bei Wiederkäuern ist sie das Hauptprodukt des bakteriellen Abbaus der Kohlenhydrate im Futter, insbesondere von Zellulose. Sie wird bei Hochleistungskühen im Umfang von mehreren Litern täglich von der Pansenwand absorbiert und anschließend von den Tieren energetisch genutzt, vorwiegend zur Bildung von Milchfett. Bei der Gärfutter-Bereitung ist sie dagegen unerwünscht und in höheren Konzentrationen ein Hinweis auf Fehlgärungen. Innerhalb des Organismus ist Essigsäure der universelle intrazelluläre Brennstoff, dessen Oxidation über viele Zwischenschritte zur Produktion von ATP führt. Wein oxidiert an der Luft zu Essig. Dieses Verfahren wurde bereits in der Antike angewandt. Essisgsäure wird als Zwischenprodukt der chemischen Industrie z.B. für die Herstellung von Kunststoffen und Kunstfasern verwendet. Hergestellt wird sie großtechnisch entweder durch Bakterien (Acetobacter), welche auch unter Sauerstoffmangel (vergleichbar den Hefen) eine Ethanolgärung durchführen könnten, oder durch Reaktion von Methanol mit Kohlenmonoxid. Essigsäure
Propansäure (= Propionsäure)	Propansäure ist eine klare, ölige Flüssigkeit mit stechenden und unangenehmen ranzigem Geruch, sie reizt die Augen und Atemwege. Als schwache Säure wirkt sie keimtötend (→ Verwendung als Konservierungsstoff und Insektizid). Die Salze heißen Propionate. Sie kommt in einigen natürlichen ätherischen Ölen sowie in wenigen Bakterienarten vor (Käseherstellung: Propionsäurebakterien bilden bei Hartkäsen, wie dem Emmentaler neben dem Aroma auch (durch CO₂ Freisetzung) die typischen Löcher. Propionsäurebakterien findet man auch unter Destruenten, welche Biogas aus organischen Abfällen produzieren. Auch die Propionsäure wird in beträchtlichen Mengen von Pansen-Bakterien der Wiederkäuer bei der Vergärung von Kohlenhydraten produziert, speziell beim Abbau von Stärke. Nach Absorption durch die Pansenwand wird sie von den Wiederkäuern bevorzugt zur Bildung von Blut- bzw. Milchzucker genutzt. Verwendung: Ausgangsstoff zur Herstellung von Kunststoffen, Herbiziden, Medikamenten. In Lebensmitteln als E 280 (sowie als Natriumpropionat (E 281), Calciumpropionat (E 282) und Kaliumpropionat (E 283)) wird sie als Schimmelprophylaxe eingesetzt - z.B. manchmal bei abgepacktem Brot. Propionsäure
Buttersäure	Buttersäure ist eine farblose Flüssigkeit, mit einem Geruch nach Erbrochenem bzw. ranziger Butter. Die Dämpfe der Säure sind noch leicht ätzend und reizen z.B. die Augen. Buttersäure entsteht in der Natur durch Buttersäuregärung, z.B. beim Ranzigwerden von Butter. So auch im menschlichen Darm. Die durch die Bakterien abgegebene Buttersäure macht Abschnitte des Darms für Pilze und Bakterien, wie etwa Salmonellen, zum Überleben zu sauer. Die Salze der Buttersäure heißen Butyrate. Buttersäure ist bei der bakteriellen Umsetzung im Pansen von Wiederkäuern ein unerwünschtes, aber unvermeidliches Produkt, dessen Bildung vom Zuckergehalt des Futters abhängt. Bei der Herstellung von Silagen ist Buttersäure nur in Spuren akzeptabel. Buttersäuregeruch ist hier Anzeichen einer Fehlgärung. Sie wird zum Beispiel als Ausgangsstoff für Ester als Duft- oder Aromastoff verwendet. z.B. bildet sie mit Ethanol, eine Art Ananasaroma: Buttersäure + Ethanol → Buttersäureethylester + Wasser + E Weiter stellt man aus ihr Cellulosebutyrat (=ein witterungsbeständiger und fester Kunststoff), Medikamente und Insektizide her. Buttersäure

Chemische Reaktionen der Carbonsäuren

Die bekannteste Reaktion der Carbonsäuren ist die Esterbildung aus Carbonsäure und Alkoholen. (Siehe dazu Kapitel „Ester“). Ein Sonderfall stellt dabei die Veresterung von Glycerin mit drei Fettsäuren dar. Es entstehen die zum Membranaufbau bei Menschen verwendeten Triglyceride.

Eine weitere bekannte Reaktion ist die Substitution. Besonders Halogene lassen sich an die Kohlenstoffkette anlagern (→ Halogencarbonsäuren entstehen). Halogencarbonsäuren sind reaktiver und stärker sauer (durch den I-Effekt des Halogens) als ihre nicht halogenierten Gegenstücke. Mit Wasser reagieren die Halogencarbonsäuren wieder zurück zur Carbonsäure und dem entsprechenden Halogenwasserstoff.

Substitution einer Carbonsäure mit Chlor

\mathrm {CH_{3}{-}COOH+Cl_{2}\longrightarrow CH_{3}{-}COCl+HCl}

Essigsäure und Chlor reagiert zu Chloressigsäure und Chlorwasserstoff

Substituiert man halogenierte Carbonsäuren mit Ammoniak (NH₃) bilden sich Amide. Bildung eines Amids aus einer Halogencarbonsäure:

\mathrm {CH_{3}{-}COCl+NH_{3}\longrightarrow CH_{3}{-}CONH_{2}+NH_{4}Cl}

Chloressigsäure + Ammoniak → Ethansäureamid (Acetamid) + Ammoniumchlorid

Nicht zu verwechseln sind Amide (funktionelle Gruppe: CO–NR₂) mit Aminosäuren (zwei funktionelle Gruppen: Aminogruppe NH₂ und Carbonsäuregruppe COOH).

Saure Reaktion der Carbonsäuren: Wie schon erwähnt spalten vor allem kürzerkettige Carbonsäuren recht leicht ihr Proton ab und reagieren unter Bildung in Wasser von H₃O⁺ sauer. Günstig wirkt dabei die Mesomeriestabilisierung des Anions.

Beachte den Einfluss der Substituenten auf die Säurestärke:

Substituenten mit -I-Effekt erhöhen die Säurestärke (also geringer pKs).
Substituenten mit +I-Effekt verringern die Säurestärke (hoher pKs)

Aufgabe

Erkläre den Zusammenhang zwischen dem I-Effekt und der resultierenden Säurestärke mit eigenen Worten
Wie stellt man mit den Metallen Magnesium, Calcium, Zink oder Eisen die entsprechenden Acetate her? (Welche Gemeinsamkeit haben diese Metalle?)

Stereoisomerie (=Spiegelbildisomerie)

Milchsäure ist u.a. das Produkt der Milchsäurebakterien. Diese befinden sich bei Menschen und Wirbeltieren auf der Haut und leben mit diesen in Symbiose (zum gegenseitigen Nutzen). Sie werden vom Körper u.a. über den Schweiß ernährt und scheiden als Stoffwechselendprodukt Milchsäure aus. Diese schützt uns Menschen beispielsweise vor Hautpilzen und anderen (schädlichen) Bakterien.

Milchsäurebakterien befinden sich auch am Euter der Kuh. So gelangen sie in die Milch und nach wenigen Tagen, haben sie sich ausreichend vermehrt und soviel Milchsäure hergestellt, dass die Milch sauer wird. Bei der Herstellung von vielen Milchprodukten (z.B. der Yoghurtherstellung) macht man sich dies zunutze.

Wenn man die Milchsäure im Labor untersucht, stellt man fest, dass es zwei Isomere gibt. Da sie sich im Aufbau wie Spiegelbilder zueinander verhalten, nennt man diese auch Spiegelbildisomere (oder Stereoisomere)

Linksdrehende Milchsäure = L(+)-Milchsäure (lat.: laevus = links)
Rechtsdrehende Milchsäure = D(-)-Milchsäure (lat.: dexter = rechts)

Stellt man die Kohlenstoffkette von oben nach unten dar (nach Fischer), so erkennt man, dass der Wasserstoff und das Hydroxid sowohl einmal links oder rechts liegen können. Durch einfaches Drehen der Verbindung kann man beide Formen nicht ineinander überführen.

Dies tritt immer dann auf, wenn vier unterschiedliche Substituenten an einem Kohlenstoffatom sitzen. Solche Substanzen, die sich spiegelbildlich zueinander verhalten, nennt man auch Enantiomere (griechisch: enantios = entgegengesetzt).

(Man nennt solche Verbindungen auch chirale Verbindungen (nicht deckungsgleich), das Phänomen auch Chiralität. In allen Fällen liegt ein zentrales asymmetrisches Kohlenstoffatom vor.)

Die bekanntesten chiralen Verbindungen sind Zucker, einige Carbonsäuren wie Milchsäure und Weinsäure sowie die Aminosäuren.

Chirale Verbindungen lassen sich durch polarisiertes Licht unterschieden, deshalb spricht man in diesem Zusammenhang auch oft von optischer Aktivität.

Ein Gemisch aus links- und rechtsdrehenden Substanzen wird auch Racemat genannt.

Stereoisomere haben die gleiche Summen- und Strukturformel (=Konstitutionsformel), aber nicht die gleiche räumliche Anordnung der Substituenten.

Zusatzinformationen

Es gibt Stereoisomere, die keine Enantiomere sind. Man bezeichnet diese als Diastereomere.

Isomerie

Aufgaben

Zeichne beide Isomere der Weinsäure

Fischer Projektion

Die Fischer-Projektion erlaubt das Darstellen der optisch aktiven Substanzen auf dem Papier.

Regeln

Die Kohlenstoffkette wird senkrecht angeordnet, so dass das C-Atom mit der höchsten Oxidationszahl oben ist.
die restlichen Substituenten werden horizontal angeordnet
Gruppen, die waagrecht am C* sitzen zeigen nach vorne aus der Tafelebene. Gruppen, die senkrecht am C* sitzen zeigen nach hinten aus der Tafelebene
Das Enantiomer wird nach der Stellung der funktionellen Gruppe am C* bezeichnet.- steht die funktionelle Gruppe nach links → L-Form - steht funktionelle Gruppe steht nach rechts → D-Form