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B978-3-437-29695-6.50022-4

10.1016/B978-3-437-29695-6.50022-4

978-3-437-29695-6

Schematische Darstellung des Verhaltens von Natriumstearat in Wasser.

Abnahme der Reaktivität der Carbonylgruppe (blau markiert) verschiedener Carbonsäurederivate gegenüber Nucleophilen. Die Reste R, R’ können gleich oder verschieden sein.

Aliphatische Monocarbonsäuren (Alkansäuren).

Tab. 16/1
Trivialname Formel Kettenlänge Siedepunkt (°C)
Ameisensäure H-COOH C1 101 3,8
Essigsäure H3C-COOH C2 118 4,8
Propionsäure H3C-CH2-COOH C3 141 4,9
Buttersäure H3C-(CH2)2-COOH C4 164 4,8
Schmelzpunkt (°C)
Palmitinsäure H3C-(CH2)14-COOH C16 63
Stearinsäure H3C-(CH2)16-COOH C18 70
CnH2n+1-COOH Cn

Aliphatische Dicarbonsäuren (Alkandisäuren).

Tab. 16/2
Name Systemat. Name Formel Kettenlänge pks1 pks2
Oxalsäure Ethandisäure HOOC-COOH C2 1,3 4,3
Malonsäure Propandisäure HOOC-CH2-COOH C3 2,8 5,7
Bernsteinsäure Butandisäure HOOC-CH2-CH2-COOH C4 4,2 5,6
Glutarsäure Pentandisäure HOOC-(CH2)3-COOH C5 4,3 5,3

Abhängigkeit der Acidität ausgewählter Carbonsäuren von Substituenten in der Nachbarschaft.

Tab. 16/3
Essigsäure pKs = 4,8 Propion-säure pKs = 4,9
Chlor­essigsäure pKs = 2,9 α-Chlor-propion-säure pKs = 2,8
Trichlor-essigsäure pKs = 0,7 β-Chlor-propion-säure pKs = 4,1

Ausgewählte Carbonsäuren mit den Namen der zugehörigen Anionen.

Tab. 16/4
Säure Anion
Ameisensäure Formiat
Essigsäure Acetat
Propionsäure Propionat
Buttersäure Butyrat
Palmitinsäure Palmitat
Stearinsäure Stearat
Oxalsäure Oxalat
Malonsäure Malonat
Bernsteinsäure Succinat
Brenztraubensäure Pyruvat
Benzoesäure Benzoat
Citronensäure Citrat

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Orientierung

Um einem Herzinfarkt vorzubeugen, nehmen manche Patienten ASS 100 ein. Das Präparat enthält 100 mg Acetylsalicylsäure. Dabei handelt es sich um eine Carbonsäure, die zugleich ein Carbonsäureester ist. Wie lässt sich das verstehen?

Carbonsäuren und von ihnen abgeleitete Verbindungen (Derivate) findet man als Strukturelemente nicht nur in Arzneimitteln, sie sind auch in der Natur weit verbreitet und umgeben uns im Alltag. Beispiele sind die Essigsäure im Haushaltsessig, die Milchsäure in der Sauermilch, die Citronensäure der Zitronen oder Konservierungsstoffe wie Benzoesäure und Sorbinsäure. Ferner lässt sich das Aroma vieler Früchte auf Carbonsäureester zurückführen, ebenso wie Fette und manche Textilfasern (Polyester). Noch bunter wird das Bild, wenn Sie wichtige Stoffwechselwege betrachten, z. B. den Citratzyklus, oder Schlüsselverbindungen wie den Neurotransmitter Acetylcholin oder Acetyl-Coenzym A.

In diesem Kapitel wird hinsichtlich der Bedeutung und der Funktion der besprochenen Verbindungen ein großes Fenster aufgemacht, durch das Sie wahlweise in Richtung Alltag, Umwelt, Biochemie oder Wirkstoffe hinausschauen können. Dabei soll Ihr Blick auf die chemischen Zusammenhänge gelenkt werden, damit Sie in der Biochemie und Pharmakologie davon profitieren können.

Antwort erhalten Sie u. a. auf folgende Fragen:

  • Was sind Carbonsäuren und wie verhalten sie sich gegenüber Basen?

  • Wieso bezeichnet man die Salze bestimmter Carbonsäuren als Seifen?

  • Wie unterscheiden sich Carbonsäurederivate in ihrem Reaktionsverhalten?

  • Wie laufen die Esterbildung und Esterverseifung ab?

  • Was haben Prostaglandine, Mykotoxine und Penicillin in diesem Kapitel zu suchen?

Carbonsäuren

Struktur und Nomenklatur

Durch Bindung einer Hydroxygruppe an das Kohlenstoffatom einer Carbonylgruppe entsteht eine neue funktionelle Gruppe, die Carboxylgruppe (–COOH oder –CO2H). Sie enthält ein sp2-hybridisiertes C-Atom, ist eben gebaut und stark polarisiert. An der freien Bindung können ein Alkylrest, ein Arylrest oder ein H-Atom stehen. Beide Sauerstoffatome sind negativ polarisiert (δ) und tragen zwei freie Elektronenpaare, sie sind nucleophil. Das Carboxyl-C-Atom ist positiv polarisiert (δ+) und damit elektrophil. Auch die O–H-Bindung ist polarisiert, dadurch wird das Wasserstoffatom der Carboxylgruppe acide. Verbindungen mit einer Carboxylgruppe bezeichnet man deshalb als Carbonsäuren.

Carboxylgruppe

Carbonsäuren

Herstellen kann man Carbonsäuren durch Oxidation von Aldehyden (R–CHO). Formal liegt der Umwandlung eine Dehydrierung (= Oxidation) des Aldehydhydrats zugrunde. Im Vergleich zum Aldehyd-C-Atom ist das Carboxyl-C-Atom sauerstoffreicher. Die Nachbarschaft der unterschiedlich gebundenen Sauerstoffatome sorgt dafür, dass diese funktionelle Gruppe ihre eigene Chemie hat und es insbesondere im Vergleich mit den Aldehyden und Ketonen große Unterschiede im Reaktionsverhalten gibt.
Monocarbonsäuren.
Die einfachste Carbonsäure mit einer Carboxylgruppe im Molekül (Monocarbonsäure) ist die Ameisensäure, die im Sekret einiger Ameisenarten und in der Brennnessel vorkommt. Es folgt Essigsäure, die von Essigsäurebakterien aus Ethanol gebildet wird und in reiner Form Eisessig heißt. Propionsäure und Buttersäure (Tab. 16/1) sind ebenfalls mikrobielle Gärungsprodukte. Bedeutung haben ferner Palmitinsäure (C16) und Stearinsäure (C18) als Bestandteile der Triacylglycerine und Phospholipide. Für die homologe Reihe der unverzweigten, aliphatischen Monocarbonsäuren gilt die allgemeine Formel CnH2n +1COOH. Die höheren Homologen ab C10 (n = 9) nennt man auch Fettsäuren, da sie in Fetten vorkommen ( Kap. 16.2.4).

Monocarbonsäuren

Der systematische Name der Carbonsäuren nach den IUPAC-Regeln ergibt sich aus dem Namen des zugrunde liegenden Alkans durch Anhängen des Wortes „-säure” (Beispiele: Methansäure, Ethansäure, Propansäure usw.). Diese Namen werden in der Biochemie noch wenig verwendet.
Die Bezifferung der C-Atome beginnt beim Carboxyl-C-Atom (C-1) und schreitet in der Kette fort. Alternativ bezeichnet man die C-Atome auch mit kleinen griechischen Buchstaben, beginnend mit dem C-Atom, das der Carboxylgruppe benachbart ist (α-C-Atom). Das letzte C-Atom in der Kette trägt die Bezeichnung „Omega” (ω-C-Atom).
Di- und Tricarbonsäuren.
Enthält ein Molekül zwei Carboxylgruppen spricht man von Dicarbonsäuren, bei drei Carboxylgruppen von Tricarbonsäuren usw.
Die einfachste Dicarbonsäure (Tab. 16/2) ist die Oxalsäure, die beiden Carboxylgruppen sind direkt miteinander verbunden. In der homologen Reihe folgen (mit jeweils einer CH2-Gruppe mehr zwischen den Carboxylgruppen) Malonsäure, Bernsteinsäure und Glutarsäure. Wird Bernsteinsäure an den beiden CH2-Gruppen dehydriert, entstehen ungesättigte Dicarbonsäuren, die sich als cis/trans-Isomere unterscheiden.

Dicarbonsäuren

Von der einfachsten aromatischen Carbonsäure (Benzoesäure) kommt man zur aromatischen Dicarbonsäure Phthalsäure mit den beiden Carboxylgruppen in ortho-Stellung. Zu den Tricarbonsäuren gehört Citronensäure, die bis zu 5 % im Saft von Zitrusfrüchten enthalten ist. Die C-Atom-Kette weist in der Mitte eine Verzweigung auf.

Tricarbonsäure

Retinsäure für das Gehirn

Aus Retinol (Vitamin A) entsteht durch Oxidation Retinal, das für den Sehprozess im Auge benötigt wird ( Kap. 14.6). Eine genauso wichtige Rolle spielt die durch Oxidation von Retinol oder Retinal entstehende Retinsäure. Sie greift nicht nur in die Embryonalentwicklung ein, sondern beeinflusst beim Erwachsenen zahlreiche Funktionen des Gehirns und des Nervensystems. Neuroprotektion und regenerationsfördernde Wirkungen wurden ebenso beobachtet wie der Einfluss auf nicht-pathologische Signalübertragungen zwischen Nervenzellen, z. B. bei Lernvorgängen im Hippocampus. Diese rezeptorgesteuerten Vorgänge benötigen vergleichsweise geringe Konzentrationen der Retinsäure, was bei einer Vitamin-A-Hypervitaminose unerwünschte Folgen haben kann.

Eigenschaften

Löslichkeit.
Die niederen Monocarbonsäuren (bis C4) sind bei Raumtemperatur Flüssigkeiten und in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Die Carboxylgruppe ist hydrophil und bestimmt die Löslichkeit. Mit zunehmender Länge der aliphatischen Kohlenwasserstoffkette sinkt die Wasserlöslichkeit rapide, so löst sich Stearinsäure (C18) z. B. kaum noch in Wasser, dafür aber in lipophilen Lösungsmitteln wie Methylenchlorid.
Siedepunkt.
Der Siedepunkt z. B. für Ameisensäure und Essigsäure ist relativ hoch ( Tab. 16/1), weil Carbonsäuren untereinander Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, bevorzugt ist eine Dimerisierung.

Dimerisierung

Geruch.
Ameisensäure und Essigsäure riechen stechend und wirken hautreizend. Buttersäure und höhere Homologe (C4–C6) riechen äußerst widerwärtig (ranzige Butter, Schweiß).
Acidität.
Carbonsäuren reagieren in wässriger Lösung merklich sauer. Das H-Atom der Carboxylgruppe ist acide. Die Alkansäuren ( Tab. 16/1) sind schwache Säuren, ihr pKs-Wert liegt zwischen 3,8 und 4,9. Es stellt sich folgendes Dissoziationsgleichgewicht ein:
Aus der Carbonsäure (rot) wird das Carboxylat-Ion (blau), das basisch reagiert. Umgekehrt ist das Wasser in diesem Gleichgewicht die Base (blau), das Hydronium-Ion die Säure (rot).

Acidität

Die Acidität einer organischen Verbindung hängt von zwei Faktoren ab:

  • a)

    von der Elektronegativität des Atoms, an dem der acide Wasserstoff gebunden ist, und

  • b)

    von Einflüssen, die das entstehende Anion stabilisieren.

Wir erkennen den Einfluss der Elektronegativität z. B. im Vergleich von Methanol H3CO–H (pKs 16) und Methan H3C–H (pKs 43). Der Grund für die relativ große Acidität der Carbonsäuren (pKs < 5) ist darin zu suchen, dass die negative Ladung im entstehenden Carboxylat-Ion durch Mesomerie stabilisiert wird. Beim Phenolat-Ion hatten wir Ähnliches kennen gelernt ( Kap. 13.1.2).

Carboxylat

Elektronenziehende Substituenten (z. B. Chloratome) in Nachbarschaft zur Carboxylgruppe steigern deren Acidität. Die größte Wirkung geht von α-ständigen Substituenten aus, außerdem spielt die Zahl der Substituenten eine Rolle. Bei den Chlorderivaten der Essigsäure und Propionsäure lassen sich die Gesetzmäßigkeiten am besten erkennen (Tab. 16/3). Trichloressigsäure ist eine starke Säure. Die Halogene F, Cl, Br und I unterscheiden sich in ihrem Einfluss nur wenig, wie ein Vergleich von Fluoressigsäure (pKs = 2,6) und Iodessigsäure (pKs = 3,1) zeigt.
Einflüsse, die über Einfachbindungen hinweg die Elektronendichte an einzelnen Atomen und damit die Polarisierung einzelner Bindungen beeinflussen, bezeichnet man als induktiven Effekt. Elektronen ziehende Substituenten (z. B. Cl, OH, COOH; pinkfarben) bewirken einen – I-Effekt, Elektronen abstoßende einen + I-Effekt (z. B. Alkyl). Die Pfeile in der folgenden Formel geben die Richtung des Elektronenzugs an.

Induktiver Effekt

Ähnlich einem Halogenatom wirkt sich eine α-ständige Hydroxygruppe oder eine zweite Carboxylgruppe aus. In der Oxalsäure sorgt der – I-Effekt der zweiten Carboxylgruppe, dass das Proton aus der ersten leicht abgespalten (pKs1 = 1,3) wird. Das zweite Proton einer Dicarbonsäure wird dann deutlich schwerer abgegeben als das erste, d. h., es gilt pKs1 < pKs2. Hier behindert der negativ geladene Substituent die Abgabe des zweiten Protons. Je größer der Abstand zwischen den Carboxylgruppen ist, desto kleiner wird der Unterschied in der Acidität ( Tab.16/2).

Carbonsäuren als Konservierungsmittel

Fischerzeugnisse, Mayonnaisen, Gemüsekonserven und Marmeladen dürfen durch Konservierungsmittel vor einem Verderb durch Mikroorganismen geschützt werden. Solche Zusatzstoffe müssen in niedriger Konzentration (< 0,5 %) wirken, gesundheitlich unbedenklich sein und dürfen den Geschmack eines Lebensmittels nicht verfälschen. Zugelassen sind u. a. Sorbinsäure, Benzoesäure und Ameisensäure. Da nur undissoziierte Säuremoleküle die Zellmembran von Bakterien, Hefen und Pilzen passieren können, ist die Anwendung dieser Konservierungsstoffe auf stärker saure Lebensmittel beschränkt.

Salzbildung

Carbonsäuren reagieren mit Basen zu Salz und Wasser (Neutralisation). Die Salze sind in wässriger Lösung vollständig dissoziiert, die Ionen sind hydratisiert. Beim Verdampfen des Wassers kristallisieren die Salze und bilden Ionengitter wie das Kochsalz ( Kap. 3.3.5).
Das Carboxylat-Ion ist extrem hydrophil, deshalb lösen sich Salze von Carbonsäuren gut in Wasser, und es gelingt durch Salzbildung, auch schlecht wasserlösliche Carbonsäuren in die wässrige Phase zu überführen. Umgekehrt kann man aus den Salzen die Carbonsäure durch Zugabe einer starken Säure (z. B. Schwefelsäure) wieder freisetzen, weil die stärkere Säure die schwächere aus ihren Salzen verdrängt.
Der physiologische pH-Wert liegt im Bereich pH = 6 – 8. Die pKs-Werte der meisten Carbonsäuren sind kleiner als 5. Dies bedeutet, dass die Carbonsäuren in den Zellen und Körperflüssigkeiten (z. B. Blut) als Anionen bzw. Salze vorliegen. Die Biochemiker verwenden deshalb nicht die Namen der freien Säuren, sondern schreiben und benennen deren Anionen. Unglücklicherweise gibt es auch hier Trivialnamen, die z. T. in keinem erkennbaren Zusammenhang zu den Namen der Säuren stehen (Tab. 16/4). Allen Anionen gemeinsam ist die Endsilbe „-at”.
Seifen.
Eine besondere Eigenschaft zeigen die Salze langkettiger Monocarbonsäuren wie z. B. Natriumstearat. Man spricht hier von Seifen. Die Salze lösen sich dem Augenschein nach gut in Wasser. Die wässrigen Lösungen verhalten sich jedoch ganz anders als übliche Salzlösungen, die Lösungen schäumen und sind in der Lage, lipophile Substanzen aufzunehmen (zu emulgieren), d. h. als Waschmittel zu wirken. Was spielt sich hier ab?

Seifen

Das Stearat enthält ein hydrophiles Ende und einen langkettigen, lipophilen Kohlenwasserstoffrest in der Zickzack-Konformation. Man bezeichnet solche Moleküle als amphipathisch (amphiphil).

amphipathisch

Mizellen.
Wasser hydratisiert nur das hydrophile Ende, das lipophile Ende wird wie Öl aus dem Wasser herausgedrängt. An der Oberfläche bildet sich zunächst eine monomolekulare Schicht des Stearats, was die Oberflächenspannung stark erniedrigt. Weitere Stearat-Ionen lagern sich so zusammen, dass die lipophilen Enden miteinander in Kontakt stehen (hydrophobe Wechselwirkung) und das Wasser aus ihrer Mitte verdrängen, während die negativ geladenen Enden eine hydrophile Hülle um den lipophilen Kern bilden. Solche Aggregate heißen Mizellen (Abb. 16/1). Durch die negative Ladung an ihrer Oberfläche wird einerseits ein guter Kontakt zum Wasser hergestellt (Hydratisierung), andererseits stoßen die Mizellen sich untereinander ab, so dass immer Zwischenräume für das Wasser und die hydratisierten Natrium-Ionen (zum Ladungsausgleich) bleiben.

hydrophil

Mizelle

Man sagt, dass die Mizellen aufgrund von hydrophoben Wechselwirkungen der lipophilen Ketten untereinander stabil sind. Die zwischen den Ketten wirksamen Van-der-Waals-Kräfte sind jedoch vergleichsweise schwach, so dass die Mizellen ihre Form verlieren, wenn man statt Wasser beispielsweise Ethanol als Lösungsmittel nimmt. Das Wasser hat für die hydrophobe Wechselwirkung (2 – 4 kJ/mol pro Kettenkontakt) eine besondere Bedeutung: Durch den Kontakt der lipophilen Ketten untereinander wird die Hydratisierung, die zu einer größeren, geordneten Hydrathülle um jedes einzelne Seifenmolekül herum führen würde, vermieden. Somit besitzt die Hydrathülle einer mizellaren Lösung einen geringeren Ordnungsgrad als eine Lösung, in der jedes einzelne Seifenmolekül vollständig hydratisiert wäre. Die Bildung von Mizellen in Wasser bringt einen Entropiegewinn (ΔS > 0), der Gesamtvorgang wird gemäß der Gleichung ΔG = ΔHT · ΔS exergon (ΔG < 0). Bildlich gesprochen legt das Wasser eine Klammer um die ausgerichteten Seifenmoleküle, das System ist thermodynamisch begünstigt.

hydrophobe Wechselwirkung

Tensidwirkung.
Kommen Seifenlösungen mit Fett oder Schmutz in Berührung (z. B. auf Stoffgewebe oder auf der Haut), dann benetzen sie wegen der geringen Oberflächenspannung zunächst die Unterlage (Stoff, Haut). Am dort anhaftenden Fett ordnen sich einzelne Mizellen so um, dass die lipophilen Enden der Seifen in die Fettschicht hineinragen, einzelne Partikel ablösen und durch die hydrophile Oberfläche, die die Seife ausbildet, in Lösung halten. Die Fette werden emulgiert und mit der Seifenlösung fortgespült. Als waschaktive Substanzen (Tenside) finden heutzutage nicht nur Fettsäuresalze Verwendung, sondern auch eine Vielzahl anderer organischer Verbindungen mit einem entsprechenden amphiphilen Aufbau.

Carbonsäuren mit zusätzlichen funktionellen Gruppen

Die Hydroxygruppe (–OH) sowie die Aminogruppe (–NH2) sind die funktionellen Gruppen der Alkohole bzw. Amine ( Kap. 13). Kommt eine der Gruppen neben einer Carboxylgruppe vor, erhält man bifunktionelle Moleküle.
Hydroxycarbonsäuren.
Während die Aminosäuren Kapitel 19 vorbehalten bleiben, besprechen wir hier die Hydroxy- und Ketocarbonsäuren. Wichtige Hydroxycarbonsäuren können Sie dem Formelschema entnehmen, dort ist neben dem Namen der Säure auch der des Anions (blau) in Klammern vermerkt. Sie erkennen dort α-Hydroxy- und β-Hydroxycarbonsäuren sowie die Glycerinsäure mit OH-Gruppen in beiden Positionen. Neben Dicarbonsäuren taucht als Tricarbonsäure die Citronensäure auf, die im Citratzyklus eine wichtige Rolle spielt. Isocitronensäure ist ein Konstitutionsisomer der Citronensäure.

Hydroxycarbonsäuren

Ursodeoxycholsäure, eine bärenstarke Gallensäure

Gallensäuren sind physiologisch wichtige C24-Steroid-Carbonsäuren, die, mit Taurin (H2N–CH2–CH2–SO3H) oder Glycin (H2N–CH2–COOH) konjugiert, in Form von Salzen die verdauungsfördernden Bestandteile der Galle darstellen. Im Steroid-Gerüst sind die Ringe A/B cis-, alle anderen Ringe trans-verknüpft.
Die Ursodeoxycholsäure (UDCA) kommt in der Galle des Menschen nur zu 1 – 5 % vor, in der Bärengalle jedoch bis zu 40 %. In der Traditionellen Chinesischen Medizin (TCM) wird getrocknete Bärengalle z. B. bei Leberschäden verordnet. Überprüfung der Befunde führte dazu, dass UDCA heute auch in der klinischen Medizin zum Auflösen von Cholesterin-Gallensteinen, bei Cholestase, bei primär biliärer Zirrhose oder bei chronischer Virushepatitis erfolgreich eingesetzt wird. UDCA wird dabei aus Cholsäure, dem Hauptbestandteil der Rindergalle, synthetisch hergestellt. Es gibt erste Hinweise, dass Tauroursodeoxycholsäure (TUDCA) als nicht toxische Verbindung bei der Behandlung neurologischer Erkrankungen (z. B. Parkinson oder Alzheimer) helfen könnte.

Cholsäure

Ketocarbonsäuren.
Die sekundäre Hydroxygruppe der Hydroxycarbonsäuren kann, wie bei den sekundären Alkoholen beschrieben, zu einer Ketogruppe oxidiert (= dehydriert) werden. Je nach Stellung der OH-Gruppe in der Kette erhält man α- oder β-Ketocarbonsäuren. Die Oxidation ist natürlich umkehrbar. Hydroxy- und Ketocarbonsäuren sind Partner bei Redoxreaktionen in der Zelle.

Ketocarbonsäure

Zwei Eigenschaften der Ketocarbonsäuren sind für die Biochemie wichtig:
  • 1.

    Wenn zur Carbonylgruppe des Ketons α-ständige H-Atome vorhanden sind, kann sich ein Keto-Enol-Gleichgewicht einstellen ( Kap. 14.4). Das energiereichere Enol-Tautomer kann als Phosphorsäureester (Phosphoenolpyruvat) stabilisiert werden. Bei dessen Hydrolyse wird mehr Energie frei als bei der Hydrolyse gewöhnlicher Phosphorsäureester ( Kap. 14.4, 17.4).

  • 2.

    Die Carboxylgruppe kann unter Abgabe von CO2 aus einer Ketocarbonsäure entfernt werden. Die Decarboxylierung ist die Schlüsselreaktion, um beim Abbau von Nahrungsstoffen CO2 freizusetzen. Formal läuft die Reaktion so, dass die C–C-Bindung zwischen der Carboxylgruppe und dem α-C-Atom gespalten wird und das Proton der Carboxylgruppe den Platz einnimmt, den die Carboxylgruppe innehatte. Aus α-Ketocarbonsäuren entstehen bei der Decarboxylierung Aldehyde, der dort gebundene Wasserstoff ist allerdings nicht mehr acide.

    Decarboxylierung

    Aus β-Ketocarbonsäuren, deren Decarboxylierung leichter erfolgt, bilden sich Ketone.

    Beim Oxalacetat stehen zwei Carboxylgruppen für die Decarboxylierung zur Auswahl. Nur die zum Pyruvat führende Reaktion ist biochemisch wichtig, sie ist energetisch begünstigt.

Prostaglandine sind Gewebshormone

Prostaglandine (z. B. Prostaglandin E2, PGE2) sind C20-Carbonsäuren, die sich u. a. in der Zahl und in der Position der Sauerstoffatome in den Ketten und am Ring unterscheiden. Sie entstehen im Körper aus Arachidonsäure (20:4), einer vierfach ungesättigten Fettsäure mit 20 C-Atomen. Substanzen, die sich von ihr ableiten, bezeichnet man als Eicosanoide (griech. eikosi = zwanzig).
Die Prostaglandine wurden ursprünglich im Sekret der Prostata gefunden, kommen jedoch in allen Organen und Geweben vor. Sie sind z. B. an Schmerz- und Entzündungsprozessen beteiligt, haben Effekte auf die Säure- und Schleimproduktion des Magens und können Uteruskontraktionen auslösen (Geburtseinleitung, Schwangerschaftsabbruch). Arzneistoffe auf Prostaglandinbasis sind in der Anwendung.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Beispiele, Gleichungen oder Formeln angeben können:

Carboxylgruppe – Carboxylat – Carbonsäuren – induktiver Effekt – hydrophob, hydrophil – amphiphil (amphipathisch) – Dimerisierung – Acidität – Seifen – Mizellen – Hydroxycarbonsäure – Ketocarbonsäure – Decarboxylierung.

Aufgaben

  • 1.

    Geben Sie Formeln und Namen der Monocarbonsäuren bis C4 und der Dicarbonsäuren C2 bis C5 an!

  • 2.

    Welche Struktur haben 2,4-Dihydroxy-3,3-dimethylbuttersäure und 3,5-Dihydroxy-3-methyl-pentansäure (= Mevalonsäure)?

  • 3.

    Warum siedet Essigsäure höher als Ethanol?

  • 4.

    Löst sich Bernsteinsäure besser oder schlechter in Wasser als Buttersäure? Begründen Sie Ihre Antwort!

  • 5.

    Warum ist Trifluoressigsäure acider als Essigsäure?

  • 6.

    Welchen Namen haben folgende Verbindungen?

  • 7.

    Warum ist der pKs1-Wert der Oxalsäure kleiner als der der Bernsteinsäure?

  • 8.

    Was passiert, wenn Sie Benzoesäure mit wässriger Ammoniaklösung versetzen? Reaktionsgleichung angeben!

  • 9.

    Wie ist der Anteil von Acetat zu Essigsäure (pKs = 4,8) einer wässrigen Lösung bei pH = 4,8 und pH = 7?

  • 10.

    Ölsäure, C17H33COOH, ist eine einfach ungesättigte Fettsäure (18:1). Sie unterscheidet sich von der Stearinsäure (18 : 0) durch eine cis-Doppelbindung zwischen C-9 und C-10 der Kette. Geben Sie die Struktur an!

  • 11.

    Arachidonsäure (20:4) ist im menschlichen Körper Vorläufer für viele wichtige Signal- und Wirkstoffe (Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene).

    Wie viele C-Atome enthält die Verbindung? In welcher Position der Kette stehen die Doppelbindungen und wie sind sie konfiguriert? Sind die Doppelbindungen konjugiert?

  • 12.

    Was entsteht bei der Decarboxylierung von Brenztraubensäure?

  • 13.

    Warum wird die Oberflächenspannung des Wassers durch Zugabe einer Seife erniedrigt?

  • 14.

    Bezeichnen Sie alle funktionellen Gruppen von Prostaglandin E2!

Carbonsäurederivate

Allgemeines

Die Carbonsäuren sind der Stamm einer großen Familie von Verbindungen, die entstehen, wenn die OH-Gruppe der Carboxylgruppe durch andere polare Reste ersetzt wird (Abb. 16/2). Dadurch ändern sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu den Carbonsäuren z. T. dramatisch. Man bezeichnet die im Schema abgebildeten Abkömmlinge der Carbonsäuren als Carbonsäurederivate, weil sie sich bei der Reaktion mit Wasser (Hydrolyse) wieder in die zugehörige Carbonsäure rückverwandeln lassen. Der R–CO-Rest in einem Carbonsäurederivat wird als Acylrest bezeichnet, von der Essigsäure ausgehend, ist das der Acetylrest (CH3CO-Rest). Trotz der unterschiedlichen Substituenten reagieren alle Carbonsäurederivate in ähnlicher Weise.

Carbonsäurederivate

Acylrest

  • 1.

    Reaktivität gegenüber Nucleophilen.Ein Nucleophil greift das positiv polarisierte Carbonyl-C-Atom (jetzt rot markiert) unter Bildung eines tetraedrischen Zwischenproduktes an, das dann weiterreagieren kann. Die Reaktivität des Carbonyl-C-Atoms gegenüber Nucleophilen nimmt, ausgehend vom Chlorid, im Uhrzeigersinn des Schemas (Abb. 16/2) ab, also Chlorid > Anhydrid > Thioester > Ester > Amid. Das Carboxylat-Ion (R–COO) ist keinem derartigen Angriff mehr zugänglich. Mechanistisch erfolgt eine nucleophile Acylsubstitution. Alle Säurederivate reagieren nach dem gleichen Reaktionsmechanismus. Die tetraedrische Zwischenstufe stößt dabei die jeweils schwächere Base ab.

    nucleophile Acylsubstitution

  • 2.

    Säurekatalyse.Starke Säuren protonieren das Carbonyl-O-Atom, der Angriff eines ungeladenen Nucleophils auf das Carbonyl-C-Atom wird dadurch erleichtert. Auch hier entsteht ein tetraedrisches Zwischenprodukt, das weiterreagieren kann.

  • 3.

    Enolat-Bildung. Starke Basen entfernen ein α-ständiges H-Atom, es entsteht ein Enolat-System ( Kap. 14.8). Damit wird das Carbonsäurederivat selbst zum Nucleophil und reagiert mit elektrophilen Partnern z. B. am α-C-Atom.

Alle drei Schritte, die am Anfang einer Reaktion stehen können, haben wir schon bei den Aldehyden und Ketonen kennen gelernt. Die Reaktivität an der Carbonylgruppe gegenüber Nucleophilen ist beim Aldehyd größer als beim Keton. Beide stehen mit ihrer Carbonylreaktivität in Abbildung 16/2 zwischen Anhydrid und Thioester. Der Unterschied im Reaktionsverhalten liegt darin, dass die negativ polarisierten Reste X der Carbonsäurederivate gute Abgangsgruppen sind und den Acylrest verlassen können, während Wasserstoff (Aldehyd) bzw. Alkyl-/Arylreste (Keton) dies nicht tun.

Carbonsäurechloride

Herstellung.
Bei der Umsetzung einer Carbonsäure mit anorganischen Chlorierungsmitteln wie z. B. Thionylchlorid (SOCl2) entsteht ein Carbonsäurechlorid. Die Nebenprodukte bei dieser Reaktion sind Gase und entweichen aus der Reaktionslösung, so dass gemäß dem Prinzip des kleinsten Zwanges ( Kap. 6.5.3) eine vollständige Umsetzung erzielt werden kann.
Aus Essigsäure erhält man Acetylchlorid, aus Benzoesäure Benzoylchlorid, aus Oxalsäure Oxalylchlorid. Bei der systematischen Bezeichnung wird z. B. aus Hexansäure Hexanoylchlorid (allgemein: Alkanoylchlorid).
Reaktivität.

Carbonsäurechloride

Carbonsäurechloride riechen stechend und reizen zu Tränen. Sie reagieren sehr leicht z. T. in heftiger Reaktion mit unterschiedlichen Nucleophilen: Mit Wasser entsteht eine Carbonsäure (Hydrolyse), mit Alkoholen ein Carbonsäureester (Alkoholyse), mit Ammoniak oder Aminen ein Carbonsäureamid (Aminolyse) und mit Salzen von Carbonsäuren (Carboxylat-Ionen) ein Carbonsäureanhydrid. Die Reaktivität beruht auf der hohen Elektronegativität des Chloratoms, wodurch das Carbonyl-C-Atom extrem elektrophil wird. Außerdem ist das Chloratom eine gute Abgangsgruppe (Abspaltung als Cl). Da Säurechloride mit vielen Nucleophilen reagieren, sind sie unentbehrliche Zwischenprodukte bei der Synthese organischer Verbindungen.
Säurechloride können auch mit Aromaten reagieren, und zwar im Zuge einer elektrophilen Substitution ( Kap. 11.7.2). Das Carbonyl-C-Atom wird durch den Katalysator AlCl3, eine Lewis-Säure, so stark positiv polarisiert, dass Benzol mit einem π-Elektronenpaar nucleophil angreifen kann. Das Intermediat verliert ein Proton, so dass am Ende ein Arylketon und HCl entstehen.

Carbonsäureanhydride

Herstellung.
Aus Carbonsäuren entstehen formal unter Wasserabspaltung Carbonsäureanhydride.
Bei der Synthese aus Säurechlorid und Natriumsalz einer Carbonsäure können symmetrische und gemischte Anhydride gewonnen werden ( Kap. 16.2.2). Ausgehend von Dicarbonsäuren, kann die O-Brücke zwischen zwei Acylgruppen auch intramolekular gebildet werden, wobei bevorzugt 5- oder 6-gliedrige Ringe entstehen.
Reaktivität.
Carbonsäureanhydride sind ebenfalls sehr reaktiv. Sie reagieren mit Wasser zurück zu den Carbonsäuren, mit Aminen und Alkoholen zu den entsprechenden Amiden bzw. Estern, wobei immer nur die eine Hälfte des Moleküls an das Reagenz bindet, während die andere Hälfte als Carbonsäure frei wird. Spuren von Schwefelsäure katalysieren die Reaktion. Mit Acetanhydrid kann man einen Acetylrest (CH3CO) auf OH- oder NH2-Gruppen übertragen. Hier ist Acetat (CH3COO) die Abgangsgruppe, mit einem Proton aus dem Amin bzw. Alkohol entsteht Essigsäure.

Acetanhydrid

Acetylsalicylsäure

Acetylsalicylsäure (ASS) wird aus der aromatischen Hydroxycarbonsäure Salicylsäure und Acetanhydrid hergestellt. Hierbei reagiert das Phenol-OH als Nucleophil und übernimmt den Acetylrest. ASS ist somit Carbonsäure und Carbonsäureester zugleich.

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Schon Hippokrates wusste, dass Präparate der Weidenrinde fiebersenkend (antipyretisch) und schmerzlindernd (analgetisch) wirken. Aus dem Salicin der Weidenrinde lässt sich Salicylsäure gewinnen, die entsprechend wirkt, aber die Magen- und Darmschleimhaut stark schädigen kann. Mit der 1899 vollsynthetisch gewonnenen Acetylsalicylsäure (ASS) wurden die Wirkung und die lokale Verträglichkeit verbessert. Heute werden etwa 40 000 t ASS jährlich benötigt.
Aspirin® hilft in Tagesdosen von 1 – 3 g bei Schmerzen, Entzündungen und Fieber aller Art. Später entdeckte man, dass an den genannten Körperreaktionen die Prostaglandine ( Kap. 16.1.4) beteiligt sind und ASS deren Biosynthese hemmt. Der Wirkort ist das Enzym Cyclooxygenase (COX), das zugleich auch die Bildung des Botenstoffs Thromboxan ermöglicht. Thromboxan fördert die Thrombozytenaggregation im Blut, d. h., ASS hemmt diese Aggregation und dient in Tagesdosen von 30 – 100 mg der Herzinfarktprophylaxe.

Carbonsäureester

Herstellung.
Durch Alkoholyse der reaktiven Säurechloride oder Säureanhydride kann man, wie bereits erwähnt, Carbonsäureester gewinnen. Sie bilden sich jedoch auch direkt aus Carbonsäure und Alkohol gemäß folgender Gleichung:
Diese Reaktion läuft nur sehr langsam ab und führt zu einem Gleichgewicht. Zur Beschleunigung der Gleichgewichtseinstellung verwendet man eine starke Säure (HCl, H2SO4) als Katalysator und erhitzt das Reaktionsgemisch. Die Gleichgewichtslage, ausgedrückt durch die Gleichgewichtskonstante K, ändert sich dabei nicht ( Kap. 12.3). Die Ausbeute an Ester lässt sich erhöhen, wenn das bei der Reaktion gebildete Wasser gebunden oder abdestilliert wird. Umgekehrt nutzt man diese säurekatalysierte Reaktion nicht nur für die Esterbildung (Hinreaktion), sondern auch zur Esterhydrolyse (Rückreaktion). Mit einem Überschuss an Wasser hydrolysiert ein Ester säurekatalysiert zur Säure und zum Alkohol.

Esterbildung

Esterhydrolyse

Anwendung des Massenwirkungsgesetzes ( MWG ) auf die Esterbildung [ Ester ] [ Wasser ] [ Saure ] [ Alkohal ] = K

Mechanismus der Reaktion.
Der Mechanismus der säurekatalysierten Veresterung führt über mehrere Zwischenstufen, die z. T. nur sehr kurzlebig sind. Alle Reaktionsschritte sind reversibel. Wir betrachten im Folgenden nur die Hinreaktion:
  • (1)

    Das Carbonyl-O-Atom der Carbonsäure ist am stärksten basisch, es wird von der Katalysatorsäure protoniert.

  • (2)

    Der Alkohol greift das nunmehr stark positiv polarisierte Carbonyl-C-Atom nucleophil an. Die π-Elektronen verschieben sich zum Carbonyl-O-Atom, es entsteht ein tetraedrisches Zwischenprodukt.

  • (3)

    Ein Proton wird vom Alkohol-O-Atom auf das O-Atom der Carboxyl-OH-Gruppe verlagert.

  • (4)

    Ein Wassermolekül wird vom C-Atom unter Mitnahme des bindenden Elektronenpaares abgespalten, die Carbonyl-Doppelbindung bildet sich wieder aus.

  • (5)

    Der protonierte Ester verliert sein Proton.

Aus der genauen Beschreibung der Hinreaktion lässt sich dreierlei erkennen:
  • a)

    Der Katalysator H wird nicht verbraucht und nicht verändert, was für einen Katalysator typisch ist.

  • b)

    Das O-Atom des gebildeten Wassers stammt aus der Carboxylgruppe der Carbonsäure.

  • c)

    Der Gesamtreaktion liegt eine nucleophile Acylsubstitution zugrunde, die über ein tetraedrisches Zwischenprodukt läuft. Letztendlich ist die OH-Gruppe der Carbonsäure durch die OR-Gruppe des Alkohols substituiert worden.

Beispiele.
Der einfachste Ester, gebildet aus Ameisensäure und Methanol, heißt Ameisensäuremethylester (= Methylformiat, Methylmethanoat). Aus Essigsäure und Ethanol entsteht Essigsäureethylester (= Ethylacetat, Ethylethanoat). Estergruppen fehlt die Möglichkeit, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden. Daher sind Ethylester niederer Carbonsäuren flüchtiger als die freien Säuren. Die Ethylester riechen angenehm fruchtig, Buttersäureethylester z. B. nach Ananas. Auch bilden sie sich z. B. beim Lagern des Weins aus den enthaltenen Säuren und tragen zur Aromaverbesserung bei.

Carbonsäureester

Esterhydrolyse.
Irreversibel und damit quantitativ werden Carbonsäureester von wässrigem Natriumhydroxid gespalten (alkalische Esterhydrolyse, Esterverseifung). Das OH -Ion ist ein starkes Nucleophil. Es greift das Ester-Carbonyl-C-Atom an und bildet ein tetraedrisches Zwischenprodukt, aus dem das Alkoholat-Ion verdrängt wird (nucleophile Acylsubstitution). Bis hierhin ist die Reaktion reversibel. Das Alkoholat-Ion deprotoniert jedoch als starke Base sofort die gebildete Carboxylgruppe. Als Reaktionsprodukte entstehen das Natriumsalz der Carbonsäure und der Alkohol. Diese können nicht miteinander reagieren, weil das Carboxylat-Ion kein Elektrophil ist und dem nucleophilen Alkohol keinen Angriffspunkt mehr bietet. Deshalb lässt sich diese Reaktion nicht umkehren. Bei der alkalischen Esterhydrolyse ist das OH -Ion kein Katalysator, es vermittelt die Reaktion und wird dabei verbraucht. Auch Enzyme können Ester hydrolysieren, man bezeichnet sie als Esterasen.

Esterverseifung

Eine schon alte Anwendung hat die alkalische Esterhydrolyse bei der Gewinnung von Seife aus Fetten gefunden. Es gab einmal den Beruf des „Seifensieders”. Noch heute wird der Ausdruck Verseifung für die Esterhydrolyse verwendet.
Triacylglycerine.
Die Depot- oder Speicherfette pflanzlicher und tierischer Zellen enthalten als Hauptkomponenten Triacylglycerine (früher als Triglyceride bezeichnet). Sie sind aus Glycerin aufgebaut, dessen drei Hydroxygruppen mit langkettigen Monocarbonsäuren (= höhere Fettsäuren) verestert sind.

Triacylglycerin

Mit einem Überschuss an Natriumhydroxid gekocht, entstehen aus Triacylglycerinen Glycerin (engl. = glycerol) und die Natriumsalze der Fettsäuren, die sog. Seifen ( Kap. 16.1.3). Die wichtigsten Fettsäuren, die am selben Glycerin-Molekül häufig nebeneinander vorkommen, sind gesättigt wie Palmitinsäure (16 : 0) und Stearinsäure (18 : 0) oder ungesättigt wie Ölsäure (18 : 1), Linolsäure (18 : 2) und Linolensäure (18 : 3). Die Zahlen in Klammern geben die Gesamtzahl der C-Atome und die Zahl der Doppelbindungen an.

ungesättigte Fettsäuren

Im Tristearoylglycerin (= Tristearin) sind die drei Fettsäurereste gleich und leiten sich von der Stearinsäure ab. Bei den ungesättigten Fettsäuren wird im Unterschied zu den gesättigten die Zickzack-Kette des Kohlenwasserstoffrests ( Kap. 16.1.3) an der Z(cis)-Doppelbindung abgeknickt, was eine dramatische Konformationsänderung bedeutet. Je nach Anteil ungesättigter Fettsäuren in den Triacylglycerinen sind diese bei Raumtemperatur fest oder flüssig.

Essenzielle Fettsäuren

Im menschlichen Organismus fehlen die Enzyme, um Ölsäure (18 : 1) in Linolsäure (18 : 2, ω6-Fettsäure) und diese in die α-Linolensäure (18 : 3, ω3-Fettsäure) umzuwandeln. ω3 (Omega-3) bedeutet, dass eine Doppelbindung am dritten C-Atom, vom Methylende der Kette her gezählt, steht. Diese Fettsäuren mit zwei bzw. drei cis-konfigurierten Doppelbindungen sind für den Menschen essenziell, d. h., sie müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Die Quelle für diese Fettsäuren sind pflanzliche Keimöle.
Die Bedeutung der mehrfach ungesättigten Fettsäuren liegt darin, dass sie
  • 1)

    am Aufbau von Phospholipiden beteiligt sind und die Eigenschaften der daraus entstehenden biologischen Membranen beeinflussen,

  • 2)

    für den Aufbau der Arachidonsäure (20:4) benötigt werden, die Ausgangspunkt für die Biosynthese verschiedener Gewebshormone (Prostaglandine, Thromboxane) ist, und

  • 3)

    im Fall von ω3-Fettsäuren das Herzinfarktrisiko senken.

Ester von Hydroxycarbonsäuren.
Bei der Esterbildung können Hydroxycarbonsäuren als Säuren und Alkohol zugleich auftreten. Ausgehend von der Salicylsäure, entsteht durch Veresterung der phenolischen OH-Gruppe Acetylsalicylsäure (ASS, Kap. 16.2.3). Diese kann zusätzlich an der Carboxylgruppe z. B. mit Methanol verestert werden. Es entsteht dann Acetylsalicylsäure-methylester mit zwei Estergruppen im Molekül.
Ein besonderer Fall liegt vor, wenn Carboxyl- und Hydroxygruppe desselben Moleküls einen Ester bilden. Dabei entsteht ein Ring, der als Lacton (= cyclischer Ester) bezeichnet wird. Bevorzugt bilden sich spannungsfreie 5- oder 6-gliedrige Ringe. Aus einer γ-Hydroxycarbonsäure entsteht ein γ-Lacton, auch δ-Lactone und Lactone mit größeren Ringen sind existent.

Lacton

Lactone in komplexen Molekülen zu erkennen erfordert etwas Übung, vor allem darf man sie nicht mit cyclischen Carbonsäureanhydriden ( Kap. 16.2.3), cyclischen Halbacetalen oder cyclischen Ethern verwechseln.

Mykotoxine sind weit verbreitet und gefährlich

Nahrungs- und Futtermittel können mit Schimmelpilzen kontaminiert sein, die für Mensch und Tier giftige niedermolekulare Substanzen bilden. Diese sog. Mykotoxine gelangen z. B. über das Tierfutter in Eier, Fleisch oder Milch, oder der Mensch nimmt belastete Nahrungsmittel direkt auf, wie z. B. Getreide, Nüsse oder Fruchtsäfte. In beiden Fällen ist die Mykotoxin-Belastung oftmals über den Geschmack nicht ohne weiteres feststellbar.
Über 400 Mykotoxine sind weltweit bekannt und lassen sich analytisch nachweisen. Sie stammen von Schimmelpilzen, die schon auf der Pflanze wachsen (Gattung: Fusarium oder Alternaria) oder die z. B. Getreide erst während der Lagerung befallen (Gattung: Aspergillus oder Penicillium). Hohe Luftfeuchtigkeit und Temperaturen über 20 °C begünstigen das Pilzwachstum. Als Beispiele sind Aflatoxin B1, Zearalenon und Patulin abgebildet. Die drei genannten Verbindungen enthalten Lactonringe unterschiedlicher Größe.
Mykotoxine rufen je nach Konzentration akute oder chronische Vergiftungserscheinungen hervor. Zu nennen sind kanzerogene, mutagene, teratogene, allergene und lebertoxische Wirkungen. Aflatoxin B1 z. B. ist eines der stärksten chemischen Kanzerogene überhaupt. Es gibt für die Mykotoxin-Belastung in Nahrungsmitteln Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen.
Esterkondensation.
Essigsäureethylester (= Ethylacetat) besitzt α-ständige H-Atome, von denen eines durch starke Basen abgelöst werden kann, da die Carbonylgruppe des Esters die Acidität dieser H-Atome erhöht, vergleichbar der Carbonylgruppe in Aldehyden und Ketonen ( Kap. 14.4 und 14.8).
Die Reaktion, die jetzt eintreten kann, hat Ähnlichkeit mit der Aldol-Addition ( Kap. 14.8). Das Enolat greift mit dem α-C-Atom nucleophil das Carbonyl-C-Atom eines zweiten Ester-Moleküls an und verdrängt im Zuge einer nucleophilen Acylsubstitution die Abgangsgruppe C2H5O, es entsteht ein β-Ketoester. Diesen Typ von Reaktion bezeichnet man als Esterkondensation (auch Claisen-Kondensation), wobei hier kein Wasser, sondern ein Alkohol abgespalten wird.

Esterkondensation

Voraussetzungen für eine Esterkondensation sind α-ständige H-Atome im Ester sowie ein alkalisches, nichtwässriges Milieu. In wässrigem Milieu läuft die Verseifung der Estergruppe rascher ab als die Kondensation der Moleküle. Die Esterkondensation ermöglicht den Aufbau längerer C-Atom-Ketten. Auch die Natur bedient sich dieses Prinzips bei der Fettsäurebiosynthese mit Acetyl-Coenzym A und Malonyl-Coenzym A als Bausteinen. Malonsäurederivate besitzen eine erhöhte CH-Acidität.

Thioester

Thiole (= Mercaptane, Kap. 13.3) können wie Alkohole mit Carbonsäuren Ester bilden, die Thioester heißen. Bei der chemischen Synthese kann man vom reaktiven Säurechlorid ausgehen.
Thioester sind dem nucleophilen Angriff des Wassers (Hydrolyse) oder anderer Nucleophile am Carbonyl-C-Atom leichter zugänglich als normale Ester, sie sind „energiereicher”. Alle Lebewesen nutzen dies in ihrem Stoffwechsel, um Säurereste (Acylgruppen) aus einem Thioester auf Hydroxy- oder Aminogruppen in anderen Verbindungen zu übertragen, was vom normalen Ester ausgehend energetisch ungünstig ist. Die reaktiven Carbonsäurechloride und -anhydride kommen unter physiologischen Bedingungen nicht vor, da sie mit Wasser schnell zu den Carbonsäuren hydrolysiert werden. Trägersubstanz für Acylgruppen ist das Coenzym A, das an seiner endständigen Thiolgruppe unter Energieverbrauch (ATP-Hydrolyse) acyliert wird. Im Beispiel ist die Bildung von Acetyl-Coenzym A gezeigt.

Coenzm A

Acetylcholin – ein wichtiger Neurotransmitter

Acetyl-Coenzym A (= Acetyl-CoA) ist eine Schlüsselsubstanz im Stoffwechsel und kann Alkohole (z. B. Cholin) enzymatisch acetylieren, ähnlich wie es mit Acetanhydrid im Reagenzglas geht. Acetylcholin wird im präsynaptischen Teil von Nervenfasern mit Hilfe des Enzyms Cholin-Acetyltransferase (1) synthetisiert und in Vesikeln (intrazelluläre, von einer Biomembran umgebene Kügelchen) aufgenommen, aus denen es bei einer Erregung der Nervenfasern in den synaptischen Spalt freigesetzt wird. Es stimuliert durch Anlagerung an Rezeptoren die Folgereaktionen der Nervenreizleistung, z. B. Gedächtnis- und Lernvorgänge im Gehirn, Kontraktionen der glatten Muskulatur, Sekretion exokriner Drüsen oder Erniedrigung der Herzfrequenz. Acetylcholin wird an prä- und postsynaptischen Membranen durch das Enzym Acetyl- cholin-Esterase rasch zu Cholin und Essigsäure hydrolysiert, was für die Regulation der Acetylcholin-Wirkung von großer Bedeutung ist.

Carbonsäureamide

Herstellung.
Ausgehend von den reaktiven Carbonsäurechloriden oder -anhydriden lassen sich mit Ammoniak oder Aminen Carbonsäureamide herstellen. Im gewählten Beispiel wird Ammoniak im Überschuss benötigt, weil der entstehende Chlorwasserstoff Ammoniak verbraucht (Bildung von NH4Cl).
Verwendet man in gleicher Weise primäre oder sekundäre Amine, entstehen ebenfalls Carbonsäureamide, die jedoch am N-Atom substituiert sind. Als Beispiele dienen Derivate der Ameisensäure.

Carbonsäureamide

Was macht Chili scharf?

Einzigartiges Merkmal der Capsicum-Früchte ist ihre Schärfe. Verantwortlich für diesen Schärfereiz in der Rachenschleimhaut sind das Capsaicin und verwandte Inhaltsstoffe. Es handelt sich hier chemisch um vergleichsweise einfache Säureamide aus einer Fettsäure mittlerer Kettenlänge mit einem Amin, das sich von Vanillin ( Kap. 14.2) ableitet (Vanillylamid). Die Amide sind als Bestandteile vieler Gewürze thermisch stabil, sie werden ordnungspolitisch eingesetzt (Pfefferspray) und medizinisch genutzt, z. B. als Wärmepflaster oder Cremes bei Hexenschuss bzw. Muskelverspannungen.
Reaktivität.
Die NH2-Gruppe hat durch die Nachbarschaft der elektronenziehenden CO-Gruppe andere Eigenschaften als Ammoniak. Die Amidgruppe ist mesomeriestabilisiert, die C–N-Bindung hat partiellen Doppelbindungscharakter. Daran ist das freie Elektronenpaar des N-Atoms beteiligt, was dessen Basizität senkt. Amide sind neutrale Verbindungen.

Carbonsäureamide reagieren in wässriger Lösung neutral.

Versetzt man Carbonsäuren einfach nur mit Ammoniak oder Aminen, dann bildet sich das jeweilige Ammoniumsalz, jedoch kein Carbonsäureamid. Da helfen auch keine Katalysatoren, wie z. B. Säuren oder Basen, denn um den Stickstoff an das Carboxyl-C-Atom heranzubringen, dürfen weder Ammonium-Ionen (NH4 ist kein Nucleophil) noch Carboxylat-Ionen (reagieren nicht mit Nucleophilen) vorliegen. Man benötigt für die Amidsynthese, wie oben gezeigt, aktivierte Carbonsäurederivate, damit eine nucleophile Acylsubstitution stattfinden kann.
Lactame.
Aus Aminocarbonsäuren können sich cyclische Amide (Lactame) bilden. Je nach Ringgröße unterscheidet man β-Lactame, γ-Lactame oder δ-Lactame. Ist eine NH-Gruppe von zwei CO-Gruppen flankiert, spricht man von Imiden. Lactame und Imide spielen bei vielen heterocyclischen Naturstoffen eine Rolle.

Lactame

Hydrolyse

Hydrolyse.
In Gegenwart starker Säuren oder Basen oder durch Enzyme (Amidasen) gelingt die Hydrolyse von Amiden. Da Amide weniger reaktiv sind als Ester, müssen die Bedingungen drastischer sein. Beide Reaktionen sind irreversibel. Für die Rückreaktion wird in Gegenwart von Säure die Aminkomponente durch die Bildung des Ammonium-Ions desaktiviert. In Gegenwart von Basen entsteht das Carboxylat-Ion. Die weitere Besprechung von Amiden erfolgt in Kapitel 19.

Penicillin, ein β-Lactam-Antibiotikum

Penicillin G, ein Stoffwechselprodukt von Schimmelpilzen, wurde 1929 von A. Fleming entdeckt und während des Zweiten Weltkrieges zur Behandlung bakterieller Infektionskrankheiten entwickelt. Es enthält einen gespannten β-Lactam-Ring sowie eine Carbonsäureamid-Seitenkette. Der Acylrest in der Seitenkette leitet sich von der Phenylessigsäure ab.
Penicillin hemmt das Wachstum grampositiver Bakterien, indem es den Aufbau der Bakterienzellwand verhindert. Bakterien, die gegen Penicillin G resistent sind, scheiden das Enzym β-Lactamase aus, das den β-Lactam-Ring hydrolysiert und dadurch das Molekül unwirksam macht. Durch Variation des Acylrestes in der Seitenkette versucht man, die Resistenz zu überwinden und die Säureempfindlichkeit herabzusetzen. Ampicillin z. B. kann im Gegensatz zu Penicillin G oral verabreicht werden. Da die Körperzellen des Menschen keine Zellwand haben, sind die Penicilline praktisch nicht toxisch. Allerdings entwickelt etwa ⅕ der Bevölkerung nach der Einnahme von Penicillin eine Penicillin-Allergie.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Beispiele, Gleichungen oder Formeln angeben können:

Carbonsäurederivat – Carbonsäurechlorid – Carbonsäureanhydrid – Carbonsäureester – Carbonsäurethioester – Carbonsäureamid – Hydrolyse von Carbonsäurederivaten – Acylrest – Alkoholyse – Aminolyse – Acetylsalicylsäure – Esterbildung – Esterverseifung – Esterkondensation – Triacylglycerin – ungesättigte Fettsäuren – Lacton – Lactam.

Aufgaben

  • 1.

    Warum ist die basische Veresterung einer Carbonsäure nicht möglich?

  • 2.

    Woher stammt das Sauerstoffatom des Wassers, das bei der säurekatalysierten Veresterung entsteht?

  • 3.

    Formulieren Sie die Reaktion von Acetylchlorid mit Ethanol. Wie heißt das Reaktionsprodukt?

  • 4.

    Was entsteht aus Benzoylchlorid und Anilin?

  • 5.

    Bernsteinsäure (= Butandisäure) wird mit einem großen Überschuss an Methanol in Gegenwart von etwas konzentrierter Schwefelsäure gekocht. Was entsteht?

  • 6.

    Formulieren Sie Bernsteinsäureanhydrid! Welches Produkt entsteht bei der Umsetzung mit Ammoniak?

  • 7.

    Paracetamol wirkt fiebersenkend und schmerzlindernd. Chemisch wird es als N-Acetyl-p-aminophenol (oder p-Acetaminophenol) bezeichnet. Geben Sie die Strukturformel an und benennen Sie die funktionellen Gruppen!

  • 8.

    Formulieren Sie den Mechanismus der säurekatalysierten Hydrolyse eines Carbonsäureamids! Welches ist das tetraedrische Zwischenprodukt?

  • 9.

    Sie lesen folgende Versuchsvorschrift: 5 mL Essigsäure werden mit 20 mL 33 %iger Ammoniaklösung und etwas konzentrierter Schwefelsäure versetzt. Was würden Sie hier erwarten und warum?

  • 10.

    Warum sind Carbonsäureamide neutral und nicht basisch wie die Amine?

  • 11.

    Die Carbonsäurederivate lassen sich hinsichtlich der Reaktivität des Carbonyl-C-Atoms gegenüber Nucleophilen ordnen. Wo stehen Carbonsäurethioester, wo Aldehyde und Ketone in dieser Reihe?

  • 12.

    Geben Sie die vollständige Formel für Tristearin an und formulieren Sie seine alkalische Verseifung!

  • 13.

    Elaidinsäure ist das trans-Isomer der Ölsäure. Geben Sie die Summenformel und die Strukturformel an!

  • 14.

    Klassifizieren Sie nachfolgende Verbindung und geben Sie Formel und Name der Hydrolyseprodukte an!

  • 15.

    Geben Sie alle funktionellen Gruppen an, die im Mykotoxin Aflatoxin B1 enthalten sind!

  • 16.

    Welche funktionellen Gruppen enthält Acetylcholin? Was bewirkt eine Esterase bei diesem Molekül? Benennen Sie die Reaktionsprodukte.

  • 17.

    Formulieren Sie die Strukturformel der Verbindung, die bei der Reaktion von Penicillin G mit einer β-Lactamase entsteht!

  • 18.

    Welche funktionellen Gruppen enthält Ampicillin?

  • 19.

    Was versteht man unter „Antibiotikaresistenz”?

  • 20.

    Aus welchen Bausteinen wurde nachfolgende Verbindung durch Esterkondensation gebildet? Geben Sie die Reaktionsgleichung an und benennen Sie die Edukte!

Bedeutung für den Menschen

Carbonsäuren und ihre Derivate

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