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Carbonsäurechloride 09:32 min

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Transkript Carbonsäurechloride

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Carbonsäurechloride. Um dieses Video gut verstehen zu können, solltet ihr euch das Video über Carbonsäurederivate angeschaut haben. Dort habt ihr bereits über Säurechloride, mit ausführlichem Namen Carbonsäurechloride, kurz gesprochen. Ihr solltet bereits wissen, was Ester und Amide sind. Auch der Begriff elektrophiler Angriff sollte euch bekannt sein. Das Video ist folgendermaßen gegliedert: 1. Struktur und Reaktivität 2. Herstellung 3. Wichtige Vertreter 4. Reaktionen 5. Acylierungen 6. Zusammenfassung   1. Struktur und Reaktivität In den Molekülen der Carbonsäurechloride ist die Hydroxygruppe gegen ein Chloratom ausgetauscht. Der organische Rest R kann aliphatisch sein (Alkyl: Methyl, Ethyl, Isopropyl) oder auch aromatisch, ein Aryl. Dahinter kann sich ein Benzolring oder ein Naphtalinring verbergen. Im Benzolring kann man im Kreis zeichnen aber selbstverständlich auch mit den 3 Elektronenpaaren. Bei den Carbonsäurechloriden handelt es sich um sehr starke Elektrophile. Daher können Carbonsäurechloridmoleküle gut mit nukleophilen Teilchen reagieren. Von Interesse ist die unterschiedliche Reaktivität von aromatischen und aliphatischen Carbonsäurechloriden. Aliphatische Vertreter sind grundsätzlich reaktiver als aromatische. Wichtig für die Reaktivität für die Carbonsäurechloride ist auch die Tatsache, dass das Chloridion eine gute Abgangsgruppe ist.  2. Herstellung Als reaktive Spezies sind die Herstellungsmethoden für Carbonsäurechloride von Interesse. Carbonsäurechloride werden prinzipiell aus Carbonsäuren hergestellt. Eine Methode besteht erstens in der Reaktion mit Thionylchlorid. Es bildet sich das Carbonsäurechlorid. Schwefeldioxid und Chlorwasserstoff entweichen aus dem Reaktionsgemisch. Bei einer zweiten Methode wird die Carbonsäure mit Phosphorpentachlorid umgesetzt. Neben dem Carbonsäurechlorid bildet sich Phosphoroxidtrichlorid und Salzsäuregas wird frei. Ein etwas anderes Verfahren ist B. Ich habe es als "Durch Umchlorierung mit Säurechloriden" bezeichnet. Reagiert eine aliphatische Carbonsäure, wie Propionsäure, mit einem aromatischen Säurechlorid, wie Benzoechlorid, so kommt es zu einer Übertragung des Chloratoms vom aromatischen Molekül auf das aliphatische. Es bilden sich das aliphatische Säurechlorid und die aromatische Carbonsäure. 3. Wichtige Vertreter Es gibt eine Vielzahl an aromatischen und aliphatischen Carbonsäurechloriden. Ich möchte nur einige wenige wichtige aufzählen. Acetylchlorid, ein aliphatisches Säurechlorid und Benzoechlorid, ein aromatisches Säurechlorid. Wenn ein Alkylrest an eine Carbonylgruppe geknüpft ist, so nennt man diesen Rest Alkanoyl. Bei Wahl eines beliebigen Restes R spricht man vom Acylrest der Acylgruppe. Reaktionen, bei denen die Acylgruppe eingeführt wird, bezeichnet man als Acylierung. Das Säurechlorid, das aus Propansäure entsteht, wird als Propionylchlorid bezeichnet. Man kann es auch Propansäurechlorid nennen oder Propionsäurechlorid. Ein interessantes Säurechlorid ist dieses. Man nennt es Oxalychlorid. Sicher habt ihr erkannt, dass es von der Oxalsäure abstammt. Daher wird es auch als Oxalsäuredichlorid bezeichnet. 4. Reaktionen Als sehr reaktive Verbindungen gehen Säurechloride unterschiedliche Reaktionen ein. Sie reagieren mit Ammoniak und Chlorwasserstoff wird frei. Die Reaktion nennt man auch Aminolyse. In ihrem Ergebnis bildet sich ein Amid. Bei der Reaktion mit Wasser wird ebenfalls Chlorwasserstoff abgespalten. Diese Reaktion heißt Hydrolyse. Als Produkt der Reaktion bildet sich eine Carbonsäure. Man kann ein Carbonsäurechlorid auch mit einem Salz einer anderen Carbonsäure umsetzen. In diesem Fall entsteht ein Säureanhydrid. Carbonsäurechloride reagieren mit Alkoholen zu Estern. Dabei wird Chlorwasserstoff frei. Diese Reaktion bezeichnet man als Alkoholyse. 5. Acylierungen Eine Acylierung ist die Einführung einer Acylgruppe in ein organisches Molekül. Dieses muss über aktive Gruppen verfügen. Geeignet dafür ist die Hydroxygruppe OH und die Aminogruppe H2N. Im ersten Fall bildet sich ein Ester. Bei der zweiten Reaktion entsteht ein Amid. Es wird jeweils Chlorwasserstoff freigesetzt. Die erste Reaktion kennen wir bereits aus dem Schema des Abschnittes 4. Es ist die Alkoholyse und genauso wissen wir, dass die zweite Reaktion die Aminolyse ist. Es gibt eine Vielzahl präparativer Anwendungen der Acylierungen. Ich möchte 3 Wichtige vorstellen. Erstens Acylierung nach Einhorn. Bei der Acylierung nach Einhorn reagiert das Carbonsäurechlorid zum Beispiel mit einem Alkohol, in Anwesenheit einer Base. In diesem Fall wird hier Pyridin verwendet. Bei der Reaktion entsteht ein Ester. Der gebildete Chlorwasserstoff reagiert mit dem Pyridin. Pyridin erfüllt hier die Rolle eines Säurefängers. Zweitens die Schotten-Baumann Reaktion. Bei der Reaktion nach Schotten-Baumann werden vorzugsweise  aromatische Säurechloride umgesetzt. Der Säurefänger ist hier Natriumhydroxid, der hier in wässriger Lösung im Reaktionsgemisch vorliegt. In einer zweiten organischen Phase befindet sich in einem geeigneten Lösungsmittel, wie zum Beispiel Chloroform, das umzusetzende Amin. Das Reaktionsprodukt hier ist ein Amid. Drittens die Friedel-Crafts Reaktion. Die Friedel-Crafts Reaktion ist eine wichtige Reaktion der Einführung einer Acylgruppe in den aromatischen Ring. In diesem Fall hier habe ich Benzol gewählt, welches mit Acetychlorid reagiert. Der Friedel-Crafts Katalysator, eine Lewis-Säure, ist hier Aluminiumchlorid. Im Ergebnis der Reaktion wird Chlorwasserstoff frei. Es bildet sich ein Keton. Somit kann man im Ergebnis der Variation einer Reaktion, nämlich der Acylierung verschiedene Stoffe herstellen, Ester, Amide und Acetophenone.  6. Zusammenfassung Die Moleküle der Carbonsäurechloride sind sehr starke Elektrophile. Carbonsäurechloride kann man aus Carbonsäuren durch Reaktion mit Theonylchlorid oder Phosphorpentachlorid herstellen. Eine zweite Möglichkeit besteht in der Übertragung des Chloratoms von einem aromatischen Säurechlorid auf eine aliphatische Carbonsäure. Wichtige Säurechloride sind Acetylchlorid, Propionylchlorid, Benzoylchlorid und Oxalylchlorid. Carbonsäurechloride sind sehr reaktiv und gehen verschiedene Reaktionen ein. Zum Beispiel die Reaktion mit Ammoniak, die Aminolyse. In deren Ergebnis sich ein Amid bildet. Carbonsäurechloride reagieren mit Salze anderer Carbonsäuren zu entsprechenden Carbonsäureanhydriden. Die Reaktion mit Wasser wird als Hydrolyse bezeichnet. Das Reaktionsprodukt ist eine Carbonsäure. Bei der Reaktion mit Alkoholen entstehen Ester. Die Reaktion bezeichnet man als Alkoholyse. Carbonsäurechloride reagieren mit Alkoholen, mit Aminen oder mit aromatischen Verbindungen. Drei wichtige Varianten der Acylierungsreaktion sind die Reaktionen nach Einhorn, die Schotten-Baumann und die Friedel-Crafts Reaktion. Das war es auch schon wieder. Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Alles Gute und auf Wiedersehen.        

Carbonsäurechloride Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Carbonsäurechloride kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne wichtige Fakten zu Säurechloriden.

    Tipps

    Vergleiche die allgemeine Strukturformel der Säurechloride mit den aufgeführten Eigenschaften.

    Ein Elektrophil fühlt sich zu negativen Ladungen und Teilladungen hingezogen.

    Carbonsäurechloride sind reaktiver als Carbonsäuren und reagieren in ähnlicher Weise.

    Lösung

    Carbonsäurechloride sind die wichtigsten Vertreter der Carbonsäurehalogenide. Diese besitzen unter den Carbonylverbindungen die höchste Reaktivität. Mir ihrer Hilfe können Reaktionen (Bildung von Carbonsäureestern oder Friedel-Crafts-Acylierung) einfacher durchgeführt werden als mit Carbonsäuren.

    Carbonsäurechloride reagieren mit Nucleophilen (-) , da sie starke Elektrophile (+) sind. Unterscheiden kann man zwischen aromatischen und aliphatischen Säurechloriden. Letztere sind reaktiver als die aromatischen Carbonsäurechloride.

    Wichtig für die Reaktivität der Säurechloride ist, dass das Chloridion eine gute Abgangsgruppe ist. Sie löst sich also gut vom Molekül, so dass andere Gruppen dort andocken können.

  • Benenne die wichtigen Vertreter der Alkanoyle.

    Tipps

    Acetaldehyd

    Propionsäure besitzt drei Kohlenstoffatome.

    Lösung

    Um den vier Verbindungen die Strukturformeln zuzuordnen, siehst du dir zuerst die ersten Silben der Namen an.

    Von der Silbe prop lässt sich ableiten, dass drei Kohlenstoffatome vorliegen. Propionylchlorid hat daher die Formel $CH_3CH_2COCl$.

    Benzoylchlorid muss einen Benzolring als Rest (R) aufweisen.

    Die Silbe Acet- leitet sich von acetum ab, was "Essig" bedeutet. Essigsäure besitzt zwei Kohlenstoffatome. Daher ergibt sich für Acetylchlorid die Formel $CH_3COCl$.

    Oxalylchlorid hat die Strukturformel $(COCl)_2$ und leitet sich, wie der Name schon sagt, von der Oxalsäure ab.

  • Vervollständige die Reaktionsgleichungen zur Bildung von Ethansäure- und Propionsäurechlorid.

    Tipps

    Auf beiden Seiten des Reaktionspfeils müssen gleich viele Atome der selben Sorte vorhanden sein.

    Die Vorsilbe Thio- bedeutet, dass das Molekül Schwefel enthält.

    Zähle die Kohlenstoffatome. Dadurch kannst du entscheiden, welche Vorsilbe der Name trägt.

    Lösung

    Ethansäurechlorid ($CH_3COCl$) entsteht durch die Reaktion von Ethansäure ($CH_3COOH$) mit Thionylchlorid ($SOCL_2$). Als Nebenprodukte entstehen Schwefeldioxid ($SO_2$) und Salzsäure ($HCl$). Ersteres ergibt sich daraus, dass bei den Edukten ein Schwefelatom zu zählen ist. Ein Mol $HCl$ ergibt sich daher, dass auf Seiten der Edukte zwei Chloratome zu zählen sind und rechts vom Reaktionspfeil enthält Propionsäurechlorid bereits ein Chloratom.

    Bei der zweiten Reaktion entsteht Propionsäurechlorid ($C_2H_5COCl$). Daraus ergibt sich, dass das erste Edukt Propionsäure ($C_2H_5COOH$) ist. Sie reagiert mit Phosphorpentachlorid ($PCl_5$). Neben einem Mol Salzsäure entsteht weiterhin ein Mol Phosphoroxychlorid ($POCl_3$). Das eine Mol Salzsäure ergibt sich daher, dass im zweiten Edukt fünf Chloratome vorhanden sind, bei den Produkten enthält das Hauptprodukt bereits ein Chloratom und Phosphoroxychlorid drei. Somit bleibt noch eins übrig, welches in Salzsäure vorhanden sind.

  • Gib die Art der Acylierung an und begründe deine Entscheidung.

    Tipps

    Notiere die drei Verfahren auf einem Zettel und betrachte dann die vorgegebenen Produkte.

    Lösung

    Bei Acylierungen werden Acylgruppen in organische Moleküle eingeführt. Möglich ist dies nach drei Vorgehensweisen: Nach Einhorn, Schotten-Baumann und Friedel-Crafts.

    Bei der ersten Variante reagiert ein Carbonsäurechlorid mit einem Alkohol. Als Säurefänger dient Pyridin (Benzolring mit einem Stickstoffatom anstelle eines Kohlenstoffatoms). Als Nebenprodukt entsteht Salzsäure.

    Weiterhin gibt es die Friedel-Crafts-Acylierung, bei der als Produkt ein Keton (Acetophenon) entsteht. Damit sich dieses bilden kann, reagiert Benzol mit einem Acetylchlorid. Hinzugegeben wird ebenfalls Aluminiumchlorid, welches eine Lewis-Säure ist. Bei dieser Acylierung kommt es somit zur Einführung der Acyl-Gruppe in einen aromatischen Ring.

    Als Letztes ist eine Reaktion nach Schotten-Baumann möglich. Im Produkt liegt ein Stickstoffatom vor, womit es als Amid bezeichnet wird. Die entsprechenden Edukte dafür sind ein aromatisches Carbonsäurechlorid und ein Amin. Bei dieser Reaktion liegt Natriumhydroxid als Säurefänger vor.

    Das vorgegebene Produkt ist ein Acetophenon. Wie aus dem Namen und der Strukturformel zu entnehmen ist, handelt es sich um ein Keton. Aus diesem Grund muss eine Reaktion nach Friedel-Crafts vorliegen.

  • Bestimme die Reaktivität der folgenden Säurechloride.

    Tipps

    Die Elektronegativität gibt an, wie stark ein Atom das bindende Elektronenpaar anziehen kann.

    Innerhalb einer Hauptgruppe fällt die Elektronegativität von oben nach unten.

    Lösung

    Induktive Effekte werden durch unterschiedliche Elektronegativitäten von Atomen und funktionellen Gruppen zu anderen Atomen hervorgerufen. Stark elektronegative Atome/Gruppen ziehen das bindende Elektronenpaar stärker an und erhalten daher negative Teilladungen, was dazu führt, dass sie gute Abgangsgruppen sind ($Cl^-$).

    Durch die Elektronegativitäten können die Halogene folgendermaßen geordnet werden:

    $I$ (2,5) < $Br$ (2,8) < $Cl$ (3,0) < $F$ (4,0).

    Das weniger elektronegative Atom erhält eine positive Teilladung, wodurch eine Polarisierung vorliegt.

    Befindet sich im nun ein aromatischer Rest in Konjugation zur Doppelbindung der Carbonylgruppe, kommt es zu Ladungsverschiebungen. Dies bewirkt das Zustandekommen von sogenannten mesomeren Grenzstrukturen. Durch diese Mesomerie wird das Molekül stabilisiert. Dadurch ist das Molekül weniger reaktiv.

  • Vervollständige die Reaktionsgleichungen der Acylierungen.

    Tipps

    Aus den ersten Silben der Edukt- und Produktnamen lässt sich die jeweilige Anzahl der Kohlenstoffatome ableiten.

    Hier siehst du die allgemeine Formel eines Esters.

    Lösung

    Als Erstes soll Ethansäurechlorid ($CH_3COCl$) mit Wasser reagieren. Die Silbe Ethan weist dabei auf zwei Kohlenstoffatome hin. Eines ist bereits vorhanden, weshalb $CH_3$ ergänzt werden muss. Bei der Reaktion entsteht die Carbonsäure Ethansäure ($CH_3COOH$) sowie Salzsäure ($HCl$).

    Reaktion zwei nennt man auch Aminolyse. Hier soll Butansäureamid ($C3H_7CONH_2$) entstehen. Dafür muss $C3H_7COCl$ (Butansäurechlorid) mit Ammoniak ($NH_3$) reagieren. Die Silbe But weist auf vier Kohlenstoffatome hin. Als Nebenprodukt entsteht auch hier wieder Salzsäure.

    Bei der letzten Reaktion liegt eine Alkoholyse vor. Es soll in diesem Fall aus $CH_3CH_2COCl$ Propansäuremethylester gebildet werden. Da die allgemeine Strukturformel von Estern $R_1-COO-R_2$ lautet, muss beim Hauptprodukt eine Methoxy-Gruppe $(O-CH_3)$ ergänzt werden. Das erste Edukt soll ein Säurechlorid sein. Zur genauen Bestimmung werden die Kohlenstoffatome bestimmt (3). Der einzutragende Name lautet somit Propionsäurechlorid. Das zweite Edukt muss ein Alkohol sein. Da ein Ester mit einem Methyl-Rest entsteht, muss in die zweite Lücke der Gleichung $CH_3OH$ (Methanol) eingetragen werden.