Carbonsäureanhydride

Carbonsäureanhydride Übung

• Benenne die Stoffgruppen der folgenden Beispiele.

  Tipps

  Überlege zunächst, welche funktionellen Gruppen die jeweiligen Stoffgruppen aufweisen.

  Amide und Amine enthalten immer Stickstoff im Molekül.

  Säurechloride enthalten immer Chlor im Molekül.

  Lösung

  Carbonsäuren, Alkohole, Ester, Säurechloride, Amine und Amide sollten dir bereits bekannt sein. Sie stellen eine wichtige Grundlage zur Herstellung von Carbonsäureanhydriden dar.

  • Carbonsäuren haben die funktionelle Gruppe $COOH$,
  • Alkohole besitzen die funktionelle Gruppe $OH$,
  • Ester weisen die Gruppe $COO$ auf,
  • Säurechloride haben die funktionelle Gruppe $OCl$,
  • Amine weisen die funktionelle Gruppe $R-NH_2$ auf,
  • und Amide besitzen die funktionelle Gruppe $O=C-NH_2$.

• Beschreibe die Herstellung von Carbonsäureanhydriden.

  Tipps

  Reagieren zwei Moleküle dieses abgebildeten Stoffes miteinander, entsteht ein Säureanhydrid.

  Überlege, was aus einem Chlorid-Ion und einem Natrium-Ion entsteht.

  Lösung

  Carbonsäureanhydride können auf zwei unterschiedliche Arten hergestellt werden. Die erste Möglichkeit ist die Herstellung mit zwei Carbonsäuren unter Abspaltung von Wasser.

  Die zweite Möglichkeit ist die Darstellung aus einem Säurechlorid und einem Carbonsäuresalz. Dabei entsteht ein Salz auf den beiden Ionen, die abgespaltet werden, und das entsprechende Säureanhydrid.

• Bestimme die Namen der Carbonsäureanhydride.

  Tipps

  Butansäure kann auch als Buttersäure bezeichnet werden.

  Zähle die jeweils enthaltenen Kohlenstoffatome.

  Lösung

  Das Buttersäureanhydrid kann beispielsweise durch die Reaktion von Buttersäure mit dem Essigsäureanhydrid hergestellt werden. Es ist eine farblose Flüssigkeit, die sehr übelriechend ist.
  Das Essigsäureanhydrid wird großtechnisch durch eine Dehydratisierung (Wasserabspaltung) aus Essigsäure bei 800°C gewonnen. Essigsäureanhydrid ist das kommerziell wichtigste Anhydrid. Vor allem wird es für die Umsetzung mit Alkoholen und Acetaten verwendet.
  Das Propionsäureanhydrid kann durch eine Dehydratisierung mit Keten hergestellt werden. Propionsäureanhydrid wird als Zwischenprodukt zur Herstellung anderer chemischer Stoffe eingesetzt.
  Trifluoressigsäureanhydrid ist eine stechend riechende Flüssigkeit. Es wird auch als TFAA bezeichnet.

• Ermittle die korrekte Reaktivitätsreihenfolge der Carbonsäurederivate bei nucleophilen Angriffen.

  Tipps

  +M-Effekt heißt, dass der Substituent ein freies Elektronenpaar besitzt.

  Die $-HN_2$-Gruppe hat einen starken +M-Effekt.

  -I-Effekt bedeutet, dass der Substituent eine hohe Elektronegativität hat, wie z.B. die Halogene.

  Lösung

  Die Reaktivität von Carbonsäurederivaten gegenüber Nucleophilen ist abhängig von dem Substituenten an dem Carbonyl-Kohlenstoffatom. Nucleophile können z.B. Wasser, Alkohole oder das Hydroxid-Ion sein. Die Substituenten können verschiedene Effekte aufweisen. Allgemein unterscheidet man in der Chemie zwischen dem Mesomerieeffekt und dem induktiven Effekt, wobei beide Effekte noch einmal in den positiven und in den negativen Effekt unterteilt werden können.
  Substituenten mit einem +M-Effekt haben ein freies Elektronenpaar, wie z.B. $NH_2$, $OC=(O)R$ oder $O^-$. Substituenten mit einem -M-Effekt besitzen eine Doppel- oder Dreifachbindung, sie entziehen dem System Elektronendichte. Beispiele sind $NO_2$ oder $SO_3H$.
  Beim induktiven Effekt handelt es sich um einen ladungsverändernden Effekt. Den +I-Effekt kann man bei Substituenten finden, die elektronenschiebend wirken, weil sie z.B. negativ geladen sind oder eine niedrigere Elektronegativität besitzen. Beim -I-Effekt handelt es sich um Teilchen, die elektronenziehend wirken, wenn sie also positiv geladen sind oder eine hohe Elektronegativität haben.
  Demzufolge ist das Säurechlorid am reaktivsten, da es einen -I-Effekt aufweist. Danach folgt das Anhydrid, welches einen schwachen +M-Effekt hat. Darauf kommt der Ester und am wenigsten reaktiv ist das Amid, denn es hat einen sehr starken +M-Effekt.

• Nenne die chemische Bezeichnung für Aspirin.

  Tipps

  Ein Ausgangsstoff ist das Essigsäureanhydrid.

  Der zweite Ausgangsstoff ist eine Säure.

  Lösung

  Bei Aspirin handelt es sich chemisch um die Acetylsalicylsäure. Sie wird aus dem Essigsäureanhydrid und der Salicylsäure hergestellt. Die phenolische OH-Gruppe der Salicylsäure wirkt als Nucleophil. Es bildet sich dann aus den beiden Stoffen ein Ester. Die Reaktion läuft deshalb so gut ab, weil das Carboxylat-Ion eine sehr gute Abgangsgruppe ist. Als Produkt entsteht Acetylsalicylsäure, das als Markenname Aspirin trägt. Der Wirkungsträger dieses Stoffes ist die Salicylsäure, die an sich sehr magenunfreundlich ist. Erst durch die Umwandlung zu Acetylsalicylsäure wird sie magenfreundlich.

• Erkläre die Herstellung von Estern.

  Tipps

  Das Kohlenstoff der Carboxylatgruppe besitzt wenig Elektronendichte.

  Das Sauerstoffatom des Alkohols besitzt hohe Elektronendichte.

  Die Zwischenstufen können auch wieder umgekehrt werden.

  Lösung

  Ester gehören neben den Carbonsäureanhydriden, Carbonsäurechloriden und Carbonsäureamiden zu den Carbonsäurederivaten.
  Ester werden aus einer Carbonsäure und einem Alkohol hergestellt. Diese Reaktion läuft unter Säurekatalyse ab. Auf dem Weg zum Ester erfolgen viele kleine Zwischenschritte, die alle Gleichgewichtsreaktionen sind, also wieder umgekehrt werden können. Als Nebenprodukt entsteht Wasser, weshalb die Esterdarstellung auch als Hydrolyse bezeichnet wird. Allgemein kann aus einem Ester durch eine Kondensationsreaktion wieder eine Carbonsäure und ein Ester hergestellt werden.