Alkansäuren

Alkansäuren (Alkancarbonsäuren) sind gesättigte aliphatische Carbonsäuren mit der allgemeinen Formel R–COOH, wobei R für ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe steht.^[1] Unsubstituierte Alkansäuren mit einer Carboxygruppe (Monocarbonsäuren) haben die allgemeine Summenformel C_nH_2n+1COOH (n = 0, 1, 2, 3, …).^[2]

Alkansäuren mit einer Carboxygruppe zählen zu den Monocarbonsäuren. Alkansäuren mit zwei Carboxygruppen bezeichnet man als Alkandisäuren und zählen zu den Dicarbonsäuren. Die einfachste Alkansäure ist die Methansäure (R = H), die unter dem Trivialnamen Ameisensäure bekannt ist. Längerkettige Alkansäuren mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen werden auch als gesättigte Fettsäuren bezeichnet.^[3]

Die Alkansäuren und ihre Derivate – insbesondere die Salze und Ester – sind von großem kommerziellen Wert, da sie in vielen verschiedenen industriellen Anwendungsbereichen als Lebensmittelzusatzstoffe, Emulgatoren, Aroma- und Duftstoffe bis hin zu Hochleistungsschmierstoffen eingesetzt werden.^[1]

Aufbau von Alkansäuren

Die Bezeichnung der Alkansäuren nach IUPAC ergibt sich aus der längstmöglichen Kohlenstoffkette einschließlich der Carboxygruppe. An die Bezeichnung des entsprechenden Alkans wird die Endung -säure hinzugefügt.^[4] Alternativ wird das Suffix -carbonsäure mit dem Namen des Kohlenwasserstoffs verknüpft, an den die Carboxygruppe gebunden ist. Grundsätzlich wird für lineare Strukturen mit weniger als drei Carboxylgruppen die erste Variante bevorzugt.^[5]

Für viele Alkansäuren sind Trivialbezeichnungen üblich, die sich von ihrer natürlichen Herkunft ableiten.

Einige lineare und verzweigte Alkansäuren
Strukturformel
IUPAC-Bezeichnung	Ethansäure	Hexansäure	2-Methylpropansäure	2,2-Dimethylpropansäure
Alternativbezeichnung	Methancarbonsäure	Pentancarbonsäure	1-Methylethancarbonsäure	1,1-Dimethylethancarbonsäure
Trivialname	Essigsäure	Capronsäure	Isobuttersäure	Pivalinsäure

Bei substituierten Alkansäuren sind ein oder mehrere H-Atome im Alkylrest durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt. Beispiele sind die Halogencarbonsäuren, Hydroxycarbonsäuren und die Aminosäuren.^[6] Als Lokanten der funktionellen Gruppen oder Seitenketten werden arabische Ziffern verwendet, wobei die Carboxygruppe Vorrang erhält. Bei der Verwendung von Trivialnamen wird die Position durch griechische Buchstaben gekennzeichnet. Das der Carboxygruppe benachbarte Kohlenstoffatom erhält dabei die α-Position.^[4]

Substituierte Alkansäuren (Beispiele)
Strukturformel
IUPAC-Bezeichnung	2-Chlorethansäure	2-Hydroxyethansäure	2-Aminoethansäure	2-Brom-3-methylhexandisäure
Trivialname	Chloressigsäure	Glycolsäure	Glycin	α-Brom-β-methyladipinsäure

Darstellung

Für die Darstellung von Alkansäuren gibt es verschiedene Methoden:^[2]

Oxidation primärer Alkohole und Aldehyde.
Hydrolyse von Nitrilen.
Carbonylierung von Alkenen.
Verseifung von Fetten und Ölen.
Oxidation von Paraffin mit Luftsauerstoff in Gegenwart von Kaliumpermanganat.

Eigenschaften

Die kürzerkettigen Alkansäuren, insbesondere Butansäure, sind stark übelriechende Flüssigkeiten und reagieren in Wasser sauer.

Längerkettige Alkansäuren sind bei Zimmertemperatur weiße Feststoffe. Aufgrund des polaren Charakters der Carboxygruppe sind die Alkansäuren in der Lage, Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, weswegen sie eine erhöhte Siedetemperatur aufweisen. Die Säurestärke sowie die Fähigkeit, Wasserstoffbrücken auszubilden, nehmen mit ansteigender Kettenlänge ab, da dann der Einfluss der Carboxygruppe auf das Gesamtmolekül abnimmt.

Reaktionen

Dissoziation

In Wasser dissoziieren kürzerkettige Alkansäuren (hier: Essigsäure):

\mathrm {H_{3}C{-}COOH+H_{2}O\ \rightleftharpoons \ H_{3}C{-}COO^{-}+H_{3}O^{+}}

.

Das entstehende Säurerest-Ion wird benannt nach dem am Aufbau der Säure beteiligten Alkan und -oat angehängt (teilweise findet sich auch die Endung -at), also beispielsweise:

Ethan + -oat → Ethanoat-Ion (auch: Acetat-Ion)

Allerdings dissoziieren Alkansäuren nicht vollständig, das heißt, nur ein Teil der Alkansäuremoleküle geben ein Wasserstoffion ab. In der Regel sind Alkansäuren also schwache Säuren, was sich in der Säurestärke ausdrückt.

Veresterung

Erwärmt man ein Gemisch aus einer Alkansäure und einem Alkohol in einem Wasserbad, so findet eine Veresterung statt. Dies geschieht in Anwesenheit einer anorganischen Säure als Katalysator, meist konzentrierte Schwefelsäure. Dabei reagiert die OH-Gruppe des Alkohols mit der COOH-Gruppe der Alkansäure und es wird unter Abspaltung von Wasser ein Ester gebildet:

\mathrm {H_{3}C{-}COOH+HO{-}H_{2}C{-}CH_{3}\longrightarrow H_{3}C{-}COO{-}H_{2}C{-}CH_{3}+H_{2}O}

.

Ethansäure (Essigsäure) und Ethanol reagieren zu Ethylethanoat (Essigsäureethylester).

Vollständige Oxidation

Alkansäuren werden bei der Verbrennung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert:

\mathrm {H_{3}C{-}COOH+2\,O_{2}\longrightarrow 2\,CO_{2}+2\,H_{2}O}

.

Ethansäure wird durch Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert.

Ist das Sauerstoff-Angebot in der Luft nicht ausreichend, entstehen statt Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoff (in Form von Ruß).

Homologe Reihe der linearen Alkansäuren

Trivialname	Chemische Bezeichnung	C-Atome	Summenformel	Schmelzpunkt in °C^[7]	Siedepunkt in °C^[7]	pK_s-Wert^[8]
Ameisensäure	Methansäure	1	CH₂O₂	−08,3	101	3,75 (25 °C)
Essigsäure	Ethansäure	2	C₂H₄O₂	−16,64	117,9	4,756 (25 °C)
Propionsäure	Propansäure	3	C₃H₆O₂	−20,5	141,15	4,87 (25 °C)
Buttersäure	Butansäure	4	C₄H₈O₂	0−5,1	163,75	4,83 (25 °C)
Valeriansäure	Pentansäure	5	C₅H₁₀O₂	−33,6	186,1	4,83 (20 °C)
Capronsäure	Hexansäure	6	C₆H₁₂O₂	0−4	205,2	4,85 (25 °C)
Önanthsäure	Heptansäure	7	C₇H₁₄O₂	0−7,2–7,5	222,2	4,89 (25 °C)
Caprylsäure	Octansäure	8	C₈H₁₆O₂	−16,5	239	4,89 (25 °C)
Pelargonsäure	Nonansäure	9	C₉H₁₈O₂	−12,4	254,5	4,96 (25 °C)
Caprinsäure	Decansäure	10	C₁₀H₂₀O₂	−31,4	268,7

Weitere Fettsäuren sind die Palmitinsäure (Hexadecansäure, C₁₅H₃₁COOH) und die Stearinsäure (Octadecansäure, C₁₇H₃₅COOH).

Quellen

Reiner Altmann: Chemisch-technische Stoffwerte. Verlag Harri Deutsch, Thun u. Frankfurt a. M. 1987 (Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1987).

Weblinks

Commons: Alkansäuren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

1 2 Jens Kubitschke, Horst Lange, Heinz Strutz: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd, 2014, ISBN 978-3-527-30673-2, Carboxylic Acids, Aliphatic, S. 1–18, doi:10.1002/14356007.a05_235.pub2.
1 2 Hans Beyer, Wolfgang Walter: Lehrbuch der organischen Chemie. 18. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1978, ISBN 3-7776-0342-2, S. 197 ff.
↑ David J. Anneken, Sabine Both, Ralf Christoph, Georg Fieg, Udo Steinberner, Alfred Westfechtel: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd, 2006, ISBN 978-3-527-30673-2, Fatty Acids, S. 73–116, doi:10.1002/14356007.a10_245.pub2.
1 2 Eberhard Breitmaier, Günther Jung: Organische Chemie. Grundlagen, Stoffklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-541505-8, S. 260 ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
↑ Dieter Hellwinkel: Die systematische Nomenklatur der Organischen Chemie: Eine Gebrauchsanweisung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1978, ISBN 978-3-540-08796-0, S. 113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
↑ Hans Beyer, Wolfgang Walter: Lehrbuch der organischen Chemie. 18. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1978, ISBN 3-7776-0342-2, S. 231 ff.
1 2 David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Physical Constants of Organic Compounds, S. 3-1 – 3-523.
↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Dissociation Constants of Organic Acids and Bases, S. 8-42 – 8-51.

[Ullmann1-1] 1 2 Jens Kubitschke, Horst Lange, Heinz Strutz: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd, 2014, ISBN 978-3-527-30673-2, Carboxylic Acids, Aliphatic, S. 1–18, doi:10.1002/14356007.a05_235.pub2.

[HBeyer-2] 1 2 Hans Beyer, Wolfgang Walter: Lehrbuch der organischen Chemie. 18. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1978, ISBN 3-7776-0342-2, S. 197 ff.

[Ullmann2-3] David J. Anneken, Sabine Both, Ralf Christoph, Georg Fieg, Udo Steinberner, Alfred Westfechtel: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd, 2006, ISBN 978-3-527-30673-2, Fatty Acids, S. 73–116, doi:10.1002/14356007.a10_245.pub2.

[EBreitmaier-4] 1 2 Eberhard Breitmaier, Günther Jung: Organische Chemie. Grundlagen, Stoffklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-13-541505-8, S. 260 ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[DHellwinkel-5] Dieter Hellwinkel: Die systematische Nomenklatur der Organischen Chemie: Eine Gebrauchsanweisung. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1978, ISBN 978-3-540-08796-0, S. 113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

[HBeyer2-6] Hans Beyer, Wolfgang Walter: Lehrbuch der organischen Chemie. 18. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1978, ISBN 3-7776-0342-2, S. 231 ff.

[CRC90_3_1_523-7] 1 2 David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Physical Constants of Organic Compounds, S. 3-1 – 3-523.

[CRC90_8_42_51-8] David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Dissociation Constants of Organic Acids and Bases, S. 8-42 – 8-51.

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