Monoalkansäuren
Monoalkansäuren sind Alkanderivate, die eine (Carbon)säure- oder Carboxygruppe besitzen.
grundsätzliche Struktur von Carbonsäuren
Rational wird die Carboxygruppe oft schlicht „-COOH“ geschrieben, somit lässt sich die Summenformel der Carbonsäuren als
CnH2n+1–COOH
schreiben.Sie können beispielsweise durch die Oxidation von Aldehyden oder durch die Oxidation von primären Alkoholen in zwei Stufen hergestellt werden.
Sie sind Protonendonatoren und damit Säuren im Sinne Brönseds:
Protolysegleichgewicht von Carbonsäuren
In wässriger Lösung läuft die Reaktion
ab.
Die Alkansäuren bilden eine homologe Reihe:
Systematischer Name | Trivialname: -säure | Vorkommen | Name des Salzes | n - Kohlenstoffatome | Schmelz-temperatur [°C] | Siedetemperatur [°C] |
Methansäure | Ameisen- | Ameisengift | Formiat | 1 | +8,4 | 101 |
Ethansäure | Essig- | Speiseessig | Acetat | 2 | +16,6 | 118 |
Propansäure | Propion- | Schweiß | Propionat | 3 | -21 | 141 |
Butansäure | Butter- | Gährungsprodukt, in Milchfett | Butyrat | 4 | -5,5 | 164 |
Pentansäure | Valerian- | Baldrian, Hefe, ätherische Öle | Valeriat | 5 | -34 | 186 |
Octansäure | Capryl- | Butter, Kokosöl, Ziegenmilch | Caprylat | 8 | 17 | 239 |
Hexadecansäure | Palmitin- | Palmöl, tier. Fette | Palmitat | 12 | 63 | Zersetzung: C-Kette reißt |
Octadecansäure | Stearin- | Palmöl, tier. Fette, Kerzen | Stearat | 18 | 71 |
Die dazugehörigen (Halb-)Strukturformeln (polare COOH-Gruppe rot, unpolarer Alkylrest schwarz):
Einige Alkansäuren
Da Carbonsäuren besonders in Fetten (gebunden) vorkommen, werden diese (manchmal erst ab der Octansäure) auch Fettsäuren genannt. Einige von diesen besitzen aber einen ungesättigten Kohlenwasserstoffrest, sind also formal Derivate der Alkene. Näheres dazu bei den Fetten.
Eigenschaften:
- Wasserlöslichkeit: Wie bei den Alkoholen nimmt der Einfluss der polaren Carboxygruppe auf das Molekül ab: Je großer und länger die Kohlenstoffkette wird, desto hydrophober und lipophiler wird dann auch das Molekül.
- Geruch:
a) Niedere Carbonsäuren mit 1–3 C-Atomen: Ameisensäure, Essigsäure und Propionsäure sind stechend riechende, farblose Flüssigkeiten.
b) Mittlere Carbonsäure mit 4–8 C-Atomen: dickflüssiger und riechen unangenehm schweißartig bis ranzig, z.B Buttersäure.
c) Höhere Carbonsäuren über 10 C-Atome: weiche , paraffinartige, fast geruchslose, in lipophilen Lösungsmitteln leichtlösliche Substanzen
- Siede- und Schmelztemperaturen: Die Siedepunkte steigen innerhalb der homologen Reihe regelmäßig an, liegen jedoch noch höher als bei Alkoholen von entsprechender Molekülmasse. Die Schmelztemperaturen verlaufen hingegen, besonders im Bereich der kurzkettigen Fettsäuren, recht unregelmäßig, da hier viele Effekte zusammenspielen.
Siede- und Schmelztemperaturen gegen n Kohlenstoffatome pro Molekül
- Acidität:
Die Säurestärke (KS) beschreibt den relativen Drang, Protonen abzugeben; dieser hängt bei Alkansäuren wesentlich vom Alkylrest ab. Je kürzer dieser Rest, desto größer KS und damit umso stärker die Säure.Da pKS = -log(KS), bedeutet ein kleinerer pKS eine größere Säurestärke. Näheres zu den Grundlagen wird in der allgemeinen Säure-Base-Theorie behandelt.
Das Proton der Carboxygruppe nun wird umso leichter abgespalten, je stärker diese Bindung polarisiert ist, entscheidend sind hier also induktive Effekte.
a) Diese Polarisierung erfolgt durch den induktiven Effekt der Alkylgruppe, einen positiven I-Effekt. Hier werden Elektronen zur Carboxygruppe geschoben, die Polarisierung sinkt, pKS steigt.
b) Bei einem negativen I-Effekt würden Elektronen aus der O-H-Bindung gezogen, was zu einer stärkeren Polarisierung und damit größeren Säurestärke führt.
$\Rightarrow$ Je kleiner der Alkylrest, desto größer der –I-Effekt, elektronenziehend und desto acider.
$\Rightarrow$ Je größer der Alkylrest, desto größer der +I-Effekt, elektronenschiebend und desto weniger acid.
Schauen wir uns dazu vier Beispiele an:
Säurestärke und induktive Effekte
Als „Gegenbeweis“ wurde noch die Trichloressigsäure mit in die Darstellung aufgenommen: In dieser künstlich halogenierten Essigsäure addiert sich zum –I-Effekt der Carboxygruppe noch jener der drei Chloratome, welche eine hohe Elektronegativität besitzen, was die Säure mehr als 10³ = 1.000-mal stärker macht als Ameisensäure.
Wie bereits erwähnt, ist es üblich, Säurestärke mittels des pKS-Wertes zu quantifizieren, also dem negativen dekadischen Logarithmus der Säurekonstante.
Die Säurekonstante gibt Auskunft über die Stärke einer Säure, das relative Verhältnis der Stärke zweier Säuren lässt sich mittels der folgenden Formel abschätzen:
$\frac{Säure_{1}}{Säure_{2}} = 10^{ pK_{s}2 - pK_{s}1}$
Beispiel:
$\frac{Trichloressigsäure}{Essigsäure} = 10^{ 4,75 - 0,65 } = \sim 10^4 = 10000$
Trichloressigsäure ist rund 10.000-mal „stärker“ als unchlorierte Essigsäure.
Geringer pH-Wert eines Apfels aufgrund von Fruchtsäuren
- Salzbildung: Mit der Deprotonierung geht die Bildung von Anionen einher (negativ geladene Ionen), die mit Kationen organische Salze bilden, z.B. die Acetate der Essigsäure.
Reaktionen der Carbonsäuren
Die wichtigste Reaktion der Carbonsäuren ist die säurekatalysierte Esterbildung bzw. ihre Umkehrung, die saure Esterspaltung, sowie die alkalische Esterspaltung (Verseifung). Auf sie wird ausführlich im Abschnitt „Ester“ eingegangen.
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