ORGANISCHE CHEMIE Carbonsäurederivate: Ester, Amide, Nitrile, Halogenide, Anhydride O Carbonsäurederivate C • abgeleitet von organischen Säuren • lassen sich zu Säuren hydrolysieren • funktionelle Gruppen: -COOR (Ester), -CONH2 (Amid), -CO-OCOR (Anhydrid), -COCl(Halogenid), oder -CN (Nitril) O R C X Carbonsäurehalogenid (X: Halogene) R R O NH2 C Ester R´ O R C C O C O O O O R O C Carbonsäureanhydrid NH2 R C N Carbonsäureamid Nitril Bildung von Carbonsäurederivaten O R C + H-L - H- OH O R OH O R C C L - H2O R C N L = OR L = NH2 L = Cl, Br, I L = OOC-R Ester Amid Säurehalogenid Säureanhydrid Nitril NH2 Carbonsäureester = Säure + Alkohol - Wasser Carbonsäureamid = Säure + Amin - Wasser Carbonsäureanhydrid = 2 x Säure - Wasser Carbonsäurehalogenid= Säure + HCl (HBr, HI, HF) - Wasser Carbonsäurenitril = Säure + Amin - 2 x Wasser = Amid - Wasser Die Bildung von Carbonsäurederivaten ist die Umkehrung der Hydrolyse (Verseifung). Katalysatoren bzw. wasserentziehende Mittel sind erforderlich. Allgemeine Reaktion der Carbonsäurederivate O R C +Y L _ Addition O R C L _ Y O Elimin. R C + Y Die Carbonsäurederivate reagieren generell in einem zweistufigen Mechanismus: • Addition von Nucleophilen an die C-O-Doppelbindung • Eliminierung. Es entsteht ein neues Carbonsäurederivat oder die Carbonsäure. L _ Reaktionsfähigkeit der Carbonsäurederivate O R C O > R Cl O > C O R C O > R OR C O > R NH2 C O _ > R C OH O R´ Säurehalogenid O Säureanhydrid Ester Amid Carbonsäure Carboxylat (Salz) In einer unkatalysierten Reaktion läßt sich aus dem reaktiveren Carbonsäurederivat immer ein weniger reaktives bilden, nicht jedoch umgekehrt. Beispiele: Säurechlorid + Alkohol ⇒ Ester + HCl Ester + NH3 ⇒ Amid + Alkohol Ester + Wasser ⇒ Säure + Alkohol Amid + Alkohol ⇒ Ester + NH3 Ester + HCl ⇒ Säurechlorid + Alkohol Carbonsäurehalogenide und -anhydride • Carbonsäurederivate mit der höchsten Reaktivität • Ausgangsstoffe für Ester und Amide • reagieren spontan mit Alkoholen, Aminen, Wasser O 3 1 Br 4 2 CH3-CH2-CH2-COBr Butansäurebromid Nomenklaturregeln O 1) Benennung der Carbonsäure 2) Endung -halogenid (-fluorid, -chlorid, -bromid, -iodid) bzw. Endung -anhydrid O H3C CH2 Cl O CH3 O H3C CH2 O CH3 O Propansäureanhydrid O Essigsäureanhydrid Acetanhydrid Benzoesäurechlorid (Benzoylchlorid) O H3C2 1 F Essigsäurefluorid (Acetylfluorid) Reaktionen von Halogeniden und Anhydriden Carbonsäurehalogenide ergeben (wie Carbonsäureanhydride): • Carbonsäuren durch Hydrolyse (H-OH) • Ester durch Alkoholyse (R-OH) • Amide durch Ammonolyse (H-NH2, R-NH2) O + H-OH R + H-Cl C OH O R O + R-OH C R + H-Cl C Cl OR O + H-NH2 R C + H-Cl NH2 Reaktionen von Halogeniden und Anhydriden Carbonsäureanhydride ergeben (analog zu den Säurehalogeniden): • Carbonsäuren durch Hydrolyse (H-OH) • Ester durch Alkoholyse (R-OH) • Amide durch Ammonolyse (H-NH2, R-NH2) O + H-OH R OH O R + R´-COOH C O C O + R-OH R C R´ + R´-COOH OR O O + H-NH2 R C + R´-COOH NH2 O Carbonsäureester (Ester) C O • Derivate aus Carbonsäure und Alkohol • weitverbreitete Substanzklasse • Siedepunkte niedriger als die der freien Säure (keine H-Brücken) Vorkommen und Verwendung von Estern Alle tierischen und pflanzlichen Fette und Öle sind Tri-Ester aus dem dreiwertigen Alkohol Glycerin (1,2,3-Propantriol) und langkettigen Carbonsäuren (~C10-C20, gesättigt oder ungesättigt). Wachse (z.B. Bienenwachs) sind Ester aus langkettigen Carbonsäuren (>C20) und langkettigen Alkoholen (>C12). Ester aus niedrigen Alkoholen (< C4) und Carbonsäuren (< C4) werden in großem Umfang als Lösungsmittel eingesetzt, z.B. Essigsäureethylester (“Ethylacetat”). Ester aus niedrigen Carbonsäuren (~C2-C6) und Alkoholen (~C2-C8) sind Aromastoffe (Fruchtaromen). O Nomenklaturregeln für Ester CH2 2 H3C 1 O 1 CH3 2 CH3-COOCH2-CH3 1) Benennung der Carbonsäure 2) Benennung des Alkohols, Endung -yl 3) Endung -ester 4) Trivialnamen: Bezeichnung als “Salz der Säure”: Alkohol mit Endung -yl, Name für Säureanion O H3C C C CH2 H2 H2 Essigsäureethylester (Ethylacetat) O O O CH3 O O Pentansäurecyclohexylester Benzoesäuremethylester (Methylbenzoat) O H O Essigsäurephenylester (Phenylacetat) CH3 C2H5 Ameisensäureethylester (Ethylformiat) Herstellung von Estern O R C H+ + R´-OH OH O R C + H2O O R´ • Eine generelle Methode zur Herstellung von Carbonsäureestern ist die sauer katalysierte Umsetzung von Carbonsäure und Alkohol (Fischer-Veresterung). • Die Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion. • Zur vollständigen Umsetzung ist die Entfernung des entstehenden Wassers notwendig (Trocknungsmittel, Destillation). Beispiel: Butansäurepropylester O O H3C CH2 CH2 C + H3C CH2 CH2 OH ( OH H3C CH2 CH2 C H+ ) O + H2 O H3C CH2 CH2 Herstellung von Estern Carbonsäureester werden durch Alkoholyse von Carbonsäurehalogeniden oder Carbonsäureanhydriden erhalten. Essigsäuremethylester aus Essigsäurechlorid: O O H3 C C + H3C Cl OH H3 C C + H-Cl O CH3 Propansäureethylester aus Propansäureanhydrid: O O H3C CH2 C H3C C C O CH2 CH3 H2 + O + H3C CH2 OH OH H3C C H3C CH2 H2 O O Reaktionen von Estern: saure Esterspaltung Carbonsäureester werden durch Wasser in Gegenwart von Säuren wieder in Carbonsäure und Alkohol gespalten (Hydrolyse). Es kommt es zur Umkehrung der FischerVeresterung (Gleichgewichtsreaktion). O R C H+ + H2O O O R R´ + R´-OH C OH Beispiel: Spaltung von Essigsäureethylester O H3 C C + H2O OC2H5 H+ O H3 C C + C2H5OH OH Reaktionen von Estern: basische Esterspaltung Carbonsäureester werden durch Wasser in Gegenwart von Basen wieder in Carbonsäure und Alkohol gespalten (Hydrolyse). Es entstehen Carboxylate (Salze der Carbonsäuren), die Umkehr der Reaktion ist hier nicht mehr möglich. Bei der Hydrolyse von Fetten mit Base entstehen die Alkalisalze der Fettsäuren (= Seifen) (daher: “Verseifung” von Estern). O R C O _ R + HO OR´ O R C + R´O OH C _ O OH R O R C + R´O OH OR´ _ C + R´OH Alkohol O Salz der Carbonsäure _ _ O Carbonsäureamide (Amide) C • Derivate aus Carbonsäure und Ammoniak (Amin) • am wenigsten reaktive Klasse von Carbonsäurederivaten • meist Feststoffe, relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte • Ausbildung von Wasserstoffbrücken möglich NH2 Vorkommen und Verwendung von Amiden Alle Proteine (Eiweiße) sind Polyamide. Die Grundbausteine der Proteine, Aminosäuren, sind jeweis über Amidbindung (-CO-NH-) verknüpft. Wichtige Kunststoffe (z.B. Perlon, Nylon) sind Polyamide. N-Substituierte Amide der Ameisensäure und Essigsäure sind wichtige Lösungsmittel, z.B. N,N-Dimethylformamid (DMF). O Nomenklaturregeln für Amide 1) Benennung der Carbonsäure 2) Benennung der Reste am Amin 3) Endung -amid 4) Essigsäureamid: Acetamid Ameisensäureamid: Formamid Benzoesäureamid: Benzamid H3C 1 NH2 2 CH3-CONH2 Acetamid O H N O H3C C C CH2 H2 H2 CH3 NH2 N,N-Dimethylformamid Pentansäureamid O H3C O N N-Ethylbenzamid N H CH3 C2H5 CH3 CH3 N,N-Dimethylacetamid Wasserstoffbrückenbindung in Amiden H Wasserstoffbrückenbindung: • Das positivierte Proton am N bildet H-Brücken zum stark negativierten Carbonyl-O aus. • Bei N-disubstituierten Derivaten werden keine H-Brücken gebildet. O H δ− C N R O H3 C R H δ+ N C O δ− H δ+ δ− O C H δ+ R R δ− N C O H δ− H N H δ+ O Kp 222°C H Fp 81°C N H-Brücken H H3 C N CH3 CH3 Kp 165°C Fp -20°C keine H-Brücken Herstellung von Amiden Carbonsäureester werden durch Ammonolyse von Carbonsäurehalogeniden, -anhydriden oder -estern erhalten. O R C O + NH3 R + H-L C L NH2 L = OR (Ester), Cl (Halogenid), O-CO-R (Anhydrid) Beispiel: N,N-Dimethylacetamid O CH3 H3C C H3C + HN Cl CH3 O C + H-Cl N CH3 CH3 Reaktionen von Amiden: Hydrolyse Carbonsäureamide werden (analog zu den Estern) durch Wasser in Gegenwart von Säuren oder Basen wieder in Carbonsäure und Ammoniak (Amin) gespalten (Hydrolyse). O R C + H 2O H+ oder HO- O R + NH3 C NH2 OH Beispiel: Spaltung von Essigsäureamid O H3C C + H 2O NH2 H+ O H3C C + NH3 OH Carbonsäurenitrile (Nitrile) C N • Derivate aus Carbonsäure und Ammoniak • wenig reaktive Klasse von Carbonsäurederivaten • relativ polare Stoffe • keine Ausbildung von Wasserstoffbrücken möglich • sp-Hybridisierung am C, Dreifachbindung zwischen C und N • viele Nitrile sind giftig (durch Abspaltung von Cyanid (CN-)) Vorkommen und Verwendung von Nitrilen Nitrile kommen als Cyanhydrine in der Natur vor. Polyacrylnitril (PAN) ist ein polymerer Kunststoff. Acetonitril wird als Lösungsmittel verwendet. Wichtige Carbonsäurederivate O Acetylchlorid (Essigsäurechlorid) H3 C C • ätzend, stechender Geruch Cl • wasserempfindlich, setzt HCl frei • wichtiges Acetylierungsmittel in der Synthesechemie O H3C C Acetanhydrid (Essigsäureanhydrid) O • ätzend, stechender Geruch H3C C • wasserempfindlich, zersetzt sich zur Essigsäure • Mio t Jahresproduktion O • in größtem Umfang als Ausgangsstoff in der chemischen Industrie für Ester (Ethylacetat, Butylacetate, Amylacetate) als Lösungsmittel und für Celluloseacetat (Filme, Fasern, Lacke, etc.) H3C C N Acetonitril (Essigsäurenitril) • giftige Flüssigkeit • mit Wasser und vielen organischen Lösungsmitteln mischbar • wichtiges Lösungsmittel Wichtige Carbonsäurederivate O H3C C N,N-Dimethylacetamid • viskose Flüssigkeit, hygroskopisch • gutes Lösungsmittel • im Gemisch mit LiCl Lösungsmittel für Cellulose N Essigsäureethylester (Ethylacetat) • farblose Flüssigkeit • Mio t Jahresproduktion • wichtiges Lösungsmittel (Farben, Lacke) O CH3 CH3 H3C “Fruchtester” (Ester niedriger Säuren und Alkohole) Bestandteil von Aromen in Früchten und Gewürzen • Essigsäurepentylester: Banane • Essigsäurehexylester: Apfel • Essigsäureoctylester: Orange • Buttersäureethylester: Ananas • Buttersäurepentylester: Aprikose C O C2H5 Kohlensäure und Kohlensäurederivate O Kohlensäure: H2CO3 • in freiem Zustand nicht beständig (zerfällt in CO2 und H2O) HO OH • Salze: Carbonate (Soda, Kalkstein, Marmor) • CO2 ist das Anhydrid der Kohlensäure, wichtigstes Treibhausgas • CO2: in flüssiger Form zur Extraktion verwendet (z.B. Coffein) O Phosgen (Kohlensäuredichlorid): Cl-CO-Cl • extrem toxisches Gas, bei 8°C verflüssigbar Cl Cl • Mio t Jahresproduktion • wichtiger Ausgangsstoff für Isocyanate / Urethane und Farben Harnstoff (Kohlensäurediamid): H2N-CO-NH2 • Endprodukt des Eiweißabbaus im tierischen Organismus (Mensch: ~25-300g/d) O • farbloser, kristalliner Feststoff, gut wasserlöslich • wertvolles Düngemittel H2N NH2 • technisch hergestellt aus CO2 und NH3 unter Druck Reaktionen der Carbonsäurederivate O R C O > Cl Säurehalogenid R C O > R C O > R O-CO-R´ OR SäureEster anhydrid O C > R NH2 Amid C O + Nu-H R + H-L C Nu L Nu HORONH2- > OH Carbonsäure O R C O _ Reaktion Hydrolyse Alkoholyse Ammonolyse Produkt Säure Ester Amid R C O Carboxylat (Salz) ORGANISCHE CHEMIE Bifunktionelle Carbonsäuren O Dicarbonsäuren HO C C OH O • Verbindungen mit zwei Carboxylgruppen • Die erste Säuregruppe ist stärker sauer als Monocarbonsäuren (elektronenziehende Wirkung der zweiten COOH-Gruppe, +I -Effekt). • Die zweite Säuregruppe ist schwächer sauer als Monocarbonsäuren, die bereits vorhandene negative Ladung erschwert die Dissoziation). • bilden Monoanionen und Dianionen und die entsprechenden Salze O HO +I C δ+ OH C O HO O HO C C O O -I C O O _ _ O C O C O _ O C O _ Nomenklaturregeln für Dicarbonsäuren 1) Benennung des Kohlenwasserstoffs analog zu Alkanen etc., Endung -disäure 2) viele Trivialnamen, besonders für niedere Dicarbonsäuren IUPAC-Name Ethandisäure Propandisäure Butandisäure Pentandisäure Hexandisäure HO Trivialname Oxalsäure Malonsäure Bernsteinsäure Glutarsäure Adipinsäure O O C C Aliphatische Dicarbonsäure Salze Formel Oxalate HOOC-COOH Malonate HOOC-CH2-COOH Succinate HOOC-CH2- CH2- COOH Glutarate HOOC-CH2-CH2-CH2- COOH Adipate HOOC-(CH2)4-COOH O O C OH C OH HO Aromatische Dicarbonsäure Herstellung von Dicarbonsäuren Oxidation von primären Diolen Primäre Alkohole werden zu Carbonsäuren oxidiert (starke Oxidationsmittel, z.B. Kaliumdichromat oder Kaliumpermanganat). -1 CH2-OH HO-CH2 (CH2)x ox. +3 O (CH2)x C O C OH HO Sekundäre Alkohole ergeben Ketone, können daher zur Gewinnung von Carbonsäuren nicht verwendet werden. Verseifung von Dinitrilen N C (CH2)x C N 2 x 2H2O - 2 NH3 O O C (CH2)x C HO Dinitrile werden analog zu den Nitrilen über die Zwischenstufe eines Carbonsäureamids zur Dicarbonsäure verseift. OH Reaktionen der Dicarbonsäuren - Erhitzen Dicarbonsäuren geben prinzipiell dieselben Reaktionen wie Monocarbonsäuren: • Salzbildung mit Basen • Bildung von Carbonsäurederivaten (Amide, Ester etc.), unterscheiden sich aber durch ihr Verhalten beim Erhitzen. Oxalsäure ergibt CO und CO2: HOOC COOH CO2 + HCOOH CO2 + CO + OH2 Malonsäure decarboxyliert zu Essigsäure: HO HO O O O + CO2 O H H2C O H2C H "Enolform" O + CO2 H H3C "Ketoform" Alle 3-oxo-Carbonsäuren (β-Ketosäuren) decarboxylieren sehr leicht, wobei eine cyclische Zwischenstufe durchlaufen wird. Reaktionen der Dicarbonsäuren - Erhitzen Bernsteinsäure und Glutarsäure bilden cyclische Anhydride. O O OH O OH O BernsteinsäureO anhydrid O OH OH O O O GlutarsäureO anhydrid Wichtige Dicarbonsäuren O Oxalsäure • stärker sauer als Essigsäure HO • wird leicht zu CO2 weiteroxidiert • Vorkommen in vielen Pflanzen (Klee, Rhabarber, Spinat, Erdbeeren, Rübenblätter) • toxische Substanz, letale Dosis ca. 4g • bildet schwerlösliche Ca-Salze (CaC2O4, Nierensteine) O OH HO O Malonsäure O • decarboxyliert leicht zu Essigsäure • wichtige Rolle im Stoffwechsel (Fettsäurebiosynthese) HO • häufiger Ausgangsstoff in der org. Synthese • Ausgangsstoff für Barbitursäure (cyclisches Diamid mit Harnstoff) O O H N OH H2N R R + O O + 2 H2O R R N H2N OH H O O Wichtige Dicarbonsäuren Adipinsäure (HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH) • Umsetzung mit Diaminen liefert lineare Polyamide (Polykondensationsreaktion) • großtechnische Herstellung von Nylon ox. + 3 H2 ox. COOH COOH + H2N (CH2)6 N H C - x H2O O O N H (CH2)6 NH2 O (CH2)4 C O O N H (CH2)6 N H C (CH2)4 C Polyamid 6.6 (Nylon) Polyamide sind wichtige Kunststoffe und chemisch sehr widerstandsfähig. Ungesättigte Dicarbonsäuren Maleinsäure • cis-Butendisäure • Schmelzpunkt 130°C • bildet ein cyclisches Anhydrid • Salze heißen Maleate (Äpfelsäure: Malate, Malonsäure: Malonate) O O OH OH - H2O O O O Fumarsäure • trans-Butendisäure • Schmelzpunkt 287°C • bildet kein cyclisches Anhydrid • Salze heißen Fumarate O HO OH O Malein- und Fumarsäure sind ein klassisches Beispiel für Konfigurationsisomere (cis / trans-Isomere). O Hydroxycarbonsäuren C OH OH • enthalten Carboxylgruppen und alkoholische OH-Gruppen • extrem weitverbreitet in der Natur • geben typische Reaktionen der Carbonsäuren (Carboxylgruppe) und der Alkohole (Hydroxygruppe) Nomenklaturregeln 1) Benennung der Carbonsäure 2) Angabe der Position der Hydroxygruppe durch Ziffern oder griechische Buchstaben (2 = α, 3 = β, 4 = γ, 5 = δ) 3) viele Trivialnamen HO 4 γ 3 β 4-Hydroxybutansäure 2 COOH γ-Hydroxybutansäure γ-Hydroxybuttersäure α COOH H3 C OH 2-Hydroxypropansäure α-Hydroxypropansäure COOH HOOC 1 OH Hydroxybutandisäure Wichtige Hydroxycarbonsäuren COOH H C* OH Milchsäure (α-Hydroxypropansäure) CH3 • zwei optisch aktive Formen (Enantiomere), R/S (bzw. D/L) • wichtiges Stoffwechselprodukt D-Form (R) • L-Milchsäure entsteht unter anaeroben Bedingungen im COOH Muskel, es wird aus Brenztraubensäure, dem Endprodukt des Kohlenhydratstoffwechsels, gebildet HO C * H • bei der Milchsäuregärung entsteht ein Racemat CH3 (optisch inaktives Gemisch aus beiden Enantiomeren) L-Form (S) • Salze heißen Lactate Kohlenhydrate COOH HO C * H CH3 L-Milchsäure S COOH anaerob C O CoA C O aerob (Normalfall) CH 3 CH3 Brenztraubensäure Essigsäurederivat (AcetylCoenzym A) Biosynthese, Energiegewinn Wichtige Hydroxycarbonsäuren Weinsäure (Dihydroxybutandisäure) COOH H C OH H C OH • in Trauben enthalten, Monokaliumsalz: Weinstein COOH • in Brause- und Backpulvern enthalten • Salze heißen Tartrate • besitzt 2 assymmetrische Kohlenstoffe, bildet zwei optisch aktive Formen und eine optisch inaktive meso-Form COOH Äpfelsäure (α-Hydroxybutandisäure) • zwei optisch aktive Formen (Enantiomere), R/S bzw. D/L • L-Äpfelsäure ist ein wichtiges Stoffwechselprodukt • enthalten in (unreifen) Früchten • Salze heißen Malate. HO C* H CH2 COOH L- (-)-Form (S) Wichtige Hydroxycarbonsäuren Zitronensäure (2-Hydroxypropan-1,2,3-tricarbonsäure) • optisch inaktiv (Spiegelebene) • häufigste Säure in Pflanzenbereich • bis zu 8% in unreifen Zitrusfrüchten, ~0.25% in Frischmilch • lebenswichtiges Stoffwechselzwischenprodukt: Im Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) wird Acetyl-Coenzym A - ein Essigsäurederivat, das durch Abbau von Fetten / Kohlenhydraten / Proteinen entsteht - unter Energiegewinn zu CO2 und H2O umgesetzt. • Salze heißen Citrate. CH2COOH • Gewinnung: Vergärung von Stärke oder Melasse HO C COOH mittels Aspergillus niger oder Hefe • Verwendung: 60% Lebensmittelindustrie CH COOH 2