Carbonsäuren und ihre Derivate

Allgemeine Erkennungsmerkmale org. Verbindungen, die aus Kohlenwasserstoffketten und einer oder mehrerer funktionellen Gruppe bestehen Carboxy – Gruppe (früher Carboxyl-) -COOH

Gruppeneinteilung Großgruppen Anzahl der Carboxy – Gruppen aliphatisch aromatisch Anzahl der Carboxy – Gruppen Mono-, Di-, … Polycarbonsäuren Kohlenstoffreste gesättigte und ungesättigte Carbonsäuren

Weitere wichtige Gruppen Fettsäuren: Carbonsäuren mit mehr als 4 c-Atomen Bsp: gesättigt: Palmitinsäure ungesättigt: Ölsäure Hydroxycarbonsäuren: Carbonsäuren mit mindestens eine OH-Gruppe Bsp.: Milchsäure

Einblick in die Nomenklatur veraltet: Stammalkan mit Anhang „…-carbonsäure“ aktuell: Stammalkan + 1 mit Anhang „…-säure“ Trivialnamen sind möglich und weit verbreitet, sie leiten sich meist von der Erstentdeckung ab. Bsp.: CH3(CH2)4COOH Pentancarbonsäure Hexansäure Capronsäure

Liste der wichtigsten Säuren Anzahl der C-Atome IUPAC-Name Trivialname Name der Salze 1 Methansäure Ameisensäure Formiat 2 Ethansäure Essigsäure Acetat 3 Propansäure Propionsäure Propionat 4 Butansäure Buttersäure Butyrat 5 Pentansäure Valeriansäure Valerat 6 Hexansäure Capronsäure Hexanoat 16 Hexadecansäure Palmitinsäure Palmitat 18 Octadecansäure Stearinsäure Stearat

Physikalische Eigenschaften und Struktur Die Carboxy – Gruppe ist planar polare Gruppe; bildet Dimere kleinere Carbonsäuren sind hydrophil; größere lipophil intensive, charakteristische Gerüche

Demonstration 1 Wasser- bzw. Etherlöslichkeit verschiedener Carbonsäuren ♦ Ameisensäure ♦ Propionsäure ♦ Ölsäure ♦ Benzoesäure in Wasser und Diethylether

Auswertung ♦ Ameisensäure mischt sich gut mit Wasser, nicht mit Ether ♦ Propionsäure mischt sich mit Wasser, besser aber mit Ether ♦ Ölsäure mischt sich nur mit Ether ♦ Benzoesäure löst sich nicht in Wasser aber in Ether

Methan -182,5 °C -161,7 °C Methanol -97,9 °C -65,0 °C Methansäure 8,4 °C 100,6 °C Propan -187,7 °C -42,1 °C Propanol -126,5 °C 97,4°C Propansäure -20,8 °C 141,8 °C

Die Ameisensäure die einfachste und kleinste Carbonsäure nat. Vorkommen in Tieren und Pflanzen starke bakterizide Wirkung wirkt wie ein Aldehyd

Demonstration 2 Ameisensäure brennt John Ray isolierte als erster die Ameisensäure

„Gewinnung“ Die Ameisensäure erhält man durch Destillation aus den Ameisen (Formica rufa).[…] man sammelt Ameisen, preßt sie aus, ohne Wasser, und destilliert die Säure davon. (um 1795) Heute: aus NaOH und CO durch ansäuern mit H2SO4

Versuch 1 Säurecharakter der Ameisensäure

Auswertung Kalkstein: Magnesium: 2HCOOH(l) + CaCO3(s)  CO2(g) + H2O + Ca(HCOO)2(s) Magnesium:

Acidität Warum sind Carbonsäuren acider als Alkohole? Warum dissoziieren Carbonsäuren so leicht? induktiver Elek. ziehender Effekt des pos. polarisierten C-Atom Resonanzstabiliesierung durch zweites O-Atom  Mesomerie stabilisiertes Carboxylat – Ion

Aldehydcharakter Versuch 2

Durchführung jeweils Ameisen- und Essigsäure in einem RG auf Kaliumpermanganatlösung Silbernitratlösung Kaliumchromatlösung evt. erwärmen um Reaktion abzuschließen

Auswertung Essigsäure hat keinen Aldehydcharakter und wirkt nicht auf die Oxidationsmittel Ameisensäure: Kaliumpermanganat  Braunstein  Mg(II)-Ionen violett braun farblos Silbernitrat  Silber farblos grau Kaliumchromat  Kaliumdichromat  Cr(III)-Ionen gelb orange grün

Im Detail am Bsp. Chromat Allgemeine Reaktion mit Säure: gelb orange Redoxreaktion:

Carbonsäuren im Alltag Natürliche Vorkommen Lebensmittelindustrie E – (Zusatz-)Stoffe Gewürze Säuerungsmittel Reinigungsmittel Kosmetikindustrie

Alles Essig ?! Versuch 3 (a, b, c) Von Reinigungsmitteln, Zusatzstoffen und natürlichen Vorkommen

natürliche Vorkommen Zitronensaft, Rhabarbersaft Weinsäure in Wein Leicht alkalisch mit CaCl2 Weinsäure in Wein leicht alkalisch mit CuSO4

Zusatzstoffe Carbonsäure in Süßigkeiten Essig im Gurkensaft pH Messung bei Süßigkeiten Essig im Gurkensaft leicht alkalisch mit Fe(Cl)3 Herstellung von Brausepulver und Auflösen aus Weinsäure und NaHCO3

Reinigungsmittel Nachweise wie zuvor lösen von „Urinstein“ Eierschalen (Schutz durch Zahnpaste!) versch. Gesteinen CaCO3(s) + 2 CH3COOH(l)  —> Ca(CH3COO)2(l) + H2O + CO2(g) Die Zahnpaste tauscht das Hydroxidion im Apatit des Zahnschmelzes gegen ein Fluoridiuon was ihn säureresistenter macht.

Kurz zu den Zähnen Apatit im Zahnschmelz Ca5(PO4)3(OH) für den Hydroxylapatit Ca5(PO4)3F für den Fluorapatit [ Ca5(PO4)3Cl für den Chlorapatit ]

Weiter mit den Zähnen Komplexe mit dem Calcium bilden und legen das Säuren zerstören den Zahnschmelz indem sie Komplexe mit dem Calcium bilden und legen das weiche Dentin frei. Zucker wandeln sich in Zuckersäuren!

Aspirin und Paracetamol Weitere Anwendungen Versuch 4 Aspirin und Paracetamol

Durchführung je eine halbe Tablette aufschlemmen und filtrieren messen des pH-Wertes Eisen(III)-chlorid Nachweis den Rest sauer hydrolisieren und den Nachweis nochmals durchführen

Auswertung Asperin ist Acetylsalizylsäure pH ~ 3  keine Komplexbildung Paracetamol ist 4-Hydroxy-acetyl-anilid pH ~ 6,8  Ausbildung eines blauen Eisen(III)-Komplexes

Auswertung In beiden Lösungen lässt sich die Essigsäure nachweisen Hydrolyse:

Mechanismus

Herstellung von Kernseife Versuch 5 Herstellung von Kernseife

Durchführung 10g Kokosfett werden mit 5mL H2O erwärmt 10mL NaOH (w=0,25) dazu und 10min aufkochen H2O ergänzen wenn nötig Nach 10 min in Kochsalzlösung geben

Schulrelevanz 1 12.1 Kohlenstoffchemie Alkansäuren und ihre Derivate GK Homologe Reihe und ausgewählte Eigenschaften von Monocarbonsäuren Salze Ester und ihre Bedeutung (Fruchtessenzen und Lösungsmittel) Reaktionstyp und Mechanismus der Esterbildung und Verseifung Derivate der Monocarbonsäuren (Hydroxy- und Aminosäuren)

Schulrelevanz 2 zusätzlich LK Halogenalkansäuren Beispiele für Di- / Trisäuren Spiegelbildisomerie Milchsäure, Weinsäure, asymmetrisches Kohlenstoffatom, Fischer-Projektion

Schulrelevanz 3 fakultativ GK fakultativ LK Alkansäuren und Derivate im Alltag Milchsäuregärung; Konservierungsstoffe; Kalkreiniger; Alkensäuren; technische Herstellung von Essigsäur fakultativ LK Reaktionen von Alkansäuren und ihren Salzen Kolbe-Elektrolyse Deutung der Bindungsverhältnisse mit Hilfe des Orbitalmodells; Reaktivität und Eigenschaften von Nitroverbindungen und anorganischer Säuren Sprengstoffe Recycling von Explosivstoffen

Auswertung Versuch 5 basische Hydrolyse Ester trennt sich in Alkohol und Carbonsäure Fettsäuretriglycerid + Natronlauge  Glycerin + Natriumalz der Säure

Mechanismus