8 Carbonsäuren und Derivate

8 Carbonsäuren und Derivate
8.1 Allgemeine Darstellungsverfahren
Oxidation primärer Alkohole und Aldehyde (s. Kap. 6)
R–CH2OH
R–CO2H
Oxidation durch CrO3/H+, KMnO4/OH–, HNO3
Haloform-Reaktion (s. Kap. 9)
O
Br2
CH3
OH–
R C
O
+
R C
Oxidation von Alkenen (s. Kap. 2) und Alkylbenzolen (s. Kap. 5)
MnO4–/OH–
MnO4–/OH–
20 °C
HO
Rückfluss
H2O
OH
Hydrocarboxylierung von Alkenen
•
nach Reppe
C
•
C
CO, HCl
H2O, PdCl2
H C
C
CO2H
über Pd-Komplexe
Koch-Haaf-Synthese
H3C
C
CH2
CO, H2SO4
H2O
H3C
H+
CH3
H3C
C
CO2H
CH3
H+
H2O
+
:C O:
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Hydrolyse von Nitrilen
R
C N
H2O
H 2O
O
R C
OH
Nitril
Amid
Carbonsäure
Die Hydrolyse erfordert langzeitiges Erhitzen mit starker Säure oder Base. Die
Isolierung der intermediären Amide ist nicht erforderlich.
Nitrile sind aus Alkylhalogeniden leicht zugänglich.
Ph–CH2–Cl + :C N:
S N2
40%ige H2SO4
100 °C / 3 h
O
PhCH2 C
OH
verwandt: Strecker-Synthese von Aminosäuren (s. Kap. 7)
Carboxylierung metallorganischer Verbindungen
O δ–
R–MgX +
C δ+
H 3O +
O
R C
OH
O δ–
R–Li
+
CO2
H 3O +
O
R C
OH
R–Hal kann somit auf zwei verschiedene Weisen in R–CO2H überführt werden.
Meist ist der Weg über R–MgX einfacher.
Mechanistisch verwandt: Carboxylierung nach Kolbe (vgl. Kap. 5)
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8.2 Reaktionsmöglichkeiten der Carbonsäuren
··
O:
R C
··
H
·O
·
elektrophiles
Zentrum
··
O:
basische
Zentren
R C
saures Proton
E+
··
H
·O
·
X:
Die Acidität der Carbonsäuren ist durch die Resonanzstabilisierung der CarboxylatIonen bedingt. Elektronenziehende Substituenten erhöhen die Acidität.
O
R C
+
OH
H3O+ +
H2O
;
Ka =
pKa
O
H
OH
O
OH
O
OH
O
OH
3.75
4.76
4.87
4.82
pKa = –lg Ka
pKa
O
F
OH
OH
O
Br
OH
O
I
O
O
2.59
pKa
OH
4.82
Cl
OH 1.25
Cl
O
O
O
Cl
pKa
OH
2.86
OH 2.89
OH 0.65
Cl3C
Cl
2.90
3.18 Cl
Cl
O
O
OH
O
OH
4.06
4.52
F3C
OH
O
NC
OH
0.23
2.46
Ph–CO2H 4.22
Dicarbonsäuren sind acider als Monocarbonsäuren (induktive Effekte bzw.
Stabilisierung der Anionen durch intramolekulare H-Brücken).
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Carbonsäuren sind weniger basisch als Alkohole
··
O:
H 3C
C
··
H
·O
·
+ H+
H3C
··
+O
H
C
··
H
·O
·
pKa = –6.1
O
Die Protonierung unter Ausbildung von H3C
C
+
O H
ist weniger günstig.
H
8.3 Herstellung und Reaktionen von Carbonsäurederivaten mit
Nucleophilen
Allgemeines Reaktionsmuster
OH
+ NuH
– Nu–
··
O:
R C Nu für X = Alkyl,
Aryl, H
X
+ :Nu–
R C
X
Säure-Derivat
bzw. Aldehyd, Keton
– X–
··
O:
R C
Nu
für X = elektronegative
Gruppierungen
Bei Reaktionen mit der Carbonsäure (X = OH) konkurriert die Deprotonierung der
Carboxy-Gruppe mit dem Angriff des Nucleophils am Carboxy-Kohlenstoff.
·· –
:O :
R C ··
O H
Nu ··
a
Nu:–
reversible
nucleophile
Addition
(Weg a)
··
a O
: b
:Nu–
R C
R
··
H
·O
·
reversible
b
Säure-BaseReaktion
(Weg b)
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··
O:
C
+ H–Nu
·· –
·O
· ··
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Additions-Eliminierungs-Reaktionen können durch Säuren oder Basen katalysiert
werden.
:NuH
+ H+
··
O:
R C
– XH
X
:Nu–
··
O:
– X–
– H+
R C
Nu
NuH + B
Nu:– + HB+
Reaktivitätsreihung gegenüber Nucleophilen
O
R
C
Cl
>
O
R
C
O
O
C
>
R'
O
R
C
>
O
R
C
SR'
>
O
R
OAr
O
>
C
R
>
C
OR'
O
R
NR'2
Ketone
C
O
Wegen der hohen Reaktivität von Säurechloriden können aus diesen alle genannten
Carbonsäure-Derivate sowie Aldehyde und Ketone hergestellt werden.
O
R
O
O
C
C
O
R
+ HCl
C
SR'
R
R'
+ NaCl
R
O
H2O
C
OR'
O
R
O
R'NH2
C
R
Cl
+ HCl
C
N R'
H
LiAl(OR)3H
R'–MgX
H2/Pd,
BaSO4
O
C
R
H
+ LiAl(OR)3Cl
+ HCl
R'OH
OH
R
C
R'SH
R'–CO2– Na+
HCl +
O
O
R
O
C + MgXCl
R'
+ HCl
C
H
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Darstellung von Carbonsäure-halogeniden
O
SOCl2
+ SO2 + HCl
R C
O
C Cl
Cl
Cl
O
PCl5
+ POCl3 + HCl
R C
O
R
C
Cl
R C
+ CO2 + HCl
Cl
O
O
C C
Cl
Cl
O
+ CO2 + CO + HCl
R C
OH
O
1/3 PCl3
+ 1/3 H3PO3
R C
O
Cl
O
P(Ph)3
CCl4
Cl
+ Ph3P=O + HCCl3
R C
Cl
Mechanismus:
O
O
R
+
O:
O
S
O
R
Cl Cl
H
O
S
O
Cl
R
+ SO2
Cl + HCl
+ H+ + Cl –
Darstellung von Carbonsäure-bromiden:
O
3 R
C
O
3 R
+ PBr3
OH
C
+ H3PO3
Br
Carbonsäureanhydride
•
Herstellung im Labor aus RCOCl: s. oben
•
Cyclische Carbonsäureanhydride werden auch aus Dicarbonsäure + Anhydrid
oder durch Erhitzen der Dicarbonsäure hergestellt.
•
Technisch:
Wacker-Verfahren
O
H2C=C=O
+
H3C
C
OH
O
H3C
C
O
O
C
CH3
Hoechst-Knapsack-Verfahren: Oxidation von Acetaldehyd (CH3CHO) mit O2
(Luft)
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Oxidation von Benzol bzw. Naphthalin
O
O2
O
O2
O
[V2O5]
O
[V2O5]
O
Maleinsäureanhydrid
O
Phthalsäureanhydrid
•
Etwas weniger reaktive Acylierungsmittel als Carbonsäurechloride
•
Umsetzungen mit Alkoholen, Aminen und Wasser möglich.
Carbonsäureester
Veresterung von Carbonsäuren unter H+-Katalyse. Basen-Katalyse nicht
möglich, weil dabei RCO2– gebildet wird.
•
Mechanismus (bei primären und sekundären Alkoholen):
Schritt 1: Protonierung der Carboxylgruppe
H
O
R C
O
H
O
+ H+
R C
H
O
H
O
R C
H
O
O
R C
H
O
H
Dihydroxycarbenium-Ion
Schritt 2:
H
+
R C
O
+
O
H
O
R'
– H+
H
+ H+
Schritt 3:
H
O
H+
R C O
H
O
–H2O
R'
– H+
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185
Alles Gleichgewichtsreaktionen:
K=
[Ester][Wasser]
[Carbonsäure][Alkohol]
•
Umkehr: Säure-katalysierte Esterhydrolyse
•
Mechanismus im Einklang mit dem Befund, dass
markierten Ester ergibt.
•
Bei tertiären Alkoholen verläuft die Reaktion über tert.-Alkyl-Kationen.
R3C–OH
H+
O-markiertes Methanol
18
O-
+ H2O
··
O:
R'
18
+ R3
C
··O H
··
– H+
C+
O CR3
R'
C
O
•
Nach dem Prinzip der mikroskopischen Reversibilität verläuft die
H+-katalysierte Hydrolyse von tert.-Alkylestern ebenfalls über eine O-AlkylSpaltung (tBoc-Schutzgruppe).
•
Die Veresterung sterisch anspruchsvoller Carbonsäuren verläuft über AcyliumIonen, die in einem langsamen Schritt gebildet werden und anschließend rasch
mit Alkoholen weiter reagieren.
O
OH
HO
+ H+
OH
O
[H+]
OH2
O
– H2O
langsam
•
O
– H+
Basische Ester-Hydrolyse (Verseifung)
··
O:
R
OR
+ ROH
··
+ : O–H
C
··
··O R'
··
+ –OR'
R
··
O:
C + HOR'
··O··
··
Da equimolare Mengen an OH– verbraucht werden, handelt es sich hier um eine
„basische“, nicht „basen-katalysierte“ Ester-Hydrolyse.
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•
Herstellung von Estern aus Alkoholen und Carbonsäurechloriden bzw.
–anhydriden: s. oben
Arbeitsweise nach Schotten-Baumann
O
Ph
C
+ Ph-OH
Cl
H2O
K2CO3
O
Ph
C
OPh
Der Alkohol bzw. Phenol wird durch das in H2O unlösliche PhCOCl aus der
wässrigen Lösung extrahiert, sodass es zur Veresterung, nicht zur Hydrolyse
kommt. Die Hydrolyse findet nur an der Phasengrenze statt.
Arbeitsweise nach Einhorn: wasserfrei
O
Ph
C
+
+ R'-OH +
N
Cl
Pyridin fungiert oft nicht nur als Base (um HCl zu binden), sondern auch als
nucleophiler Katalysator. Als nucleophiler Katalysator besonders aktiv ist
4-Dimethylamino-pyridin (DMAP, Steglich-Base), sodass sich in gleicher Weise
auch Carbonsäure-anhydride für die Estersynthese nutzen lassen (Zusatz einer
kostengünstigen Hilfsbase).
N(CH3)2
O
R
kat.
C
O
+ R'–OH
N
O
R C
NEt3
R C
+
+
RCO2– HNEt3
O R'
O
:N
N(CH3)2
+ R'–OH
– DMAP
– H+
O
R C
O
R C
+ H+
– RCO2H
O
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