Veresterung und Acylierung

Veresterung und Acylierung in der Chemie

Erinnerst du dich noch an den Aufbau von Aminosäuren? Aminosäuren haben zwei funktionelle Gruppen, welche sich aus ihrem Namen herleiten lassen: die Aminogruppe und die Säuregruppe. Die Säuregruppe ist genau genommen eine Carbonsäuregruppe, die auch als Carboxygruppe bezeichnet wird.
An diesen zwei funktionellen Gruppen können jeweils spezifische Reaktionen ablaufen. Zwei davon sind die Veresterung (die primäre Reaktion der Carboxygruppe einer Aminosäure) und die Acylierung (bei welcher es sich um eine der vielen möglichen Reaktionen an der Aminogruppe handelt).

Die Mechanismen der Veresterung und der Acylierung erklären wir genauer in den nächsten Abschnitten. Doch als Erstes möchten wir noch einmal die Grundstruktur einer Aminosäure genauer betrachten.

Grundstruktur einer Aminosäure

Die Grundstruktur einer Aminosäure besteht aus einem zentralen Kohlenstoffatom $\left( \ce{C} \right)$. Das Kohlenstoffatom ist immer vierbindig. Das ist das Kohlenstoffatom in der Mitte unserer Abbildung.

Im Falle einer Aminosäurengrundstruktur bestehen Bindungen mit einem Wasserstoffatom $\left( \ce{-H} \right)$, einer Carboxygruppe $\left( \ce{-COOH} \right)$ und einer Aminogruppe $\left( \ce{-NH2} \right)$, sowie eine Bindung zu einem Rest $\left( \ce{-R} \right)$, welcher spezifisch für jede Aminosäure variiert.

Genau genommen ist das die sogenannte Neutralform der Aminosäure. Die Aminosäure ist aber ein Amphoter. Das bedeutet, dass sie sowohl als Säure als auch Base wirken kann. Je nach vorliegendem pH-Wert liegt die Aminosäure dann als Kation oder Anion vor. Bei einem pH-Wert von $7$ liegt die Aminosäure als sogenanntes Zwitterion vor. Ein saurer pH-Wert $\left( <7 \right)$ einer Lösung deutet an, dass viele Protonen, also $\ce{H^+}$-Ionen vorliegen. Die Aminosäure nimmt die Protonen auf und die Aminogruppe liegt dann protoniert als $\ce{-NH3^+}$-Bindung vor.
In einem alkalischen Milieu herrscht ein alkalischer pH-Wert $\left( >7 \right)$. Es herrscht sozusagen ein Protonenmangel, weswegen die Carboxygruppe ihr Proton abgibt und eine negative Ladung erhält $\left( \ce{-COO^-} \right)$.

Veresterung einer Aminosäure

Eine Veresterung ist in der organischen Chemie per Definition ein Prozess, bei dem aus einer Carbonsäure und einem Alkohol (oder Phenol) unter Wasserabspaltung ein Carbonsäureester entsteht.

Veresterung – Reaktionsmechanismus

Gehen wir zunächst davon aus, dass die Aminosäure als ihr Zwitterion $\left( \ce{R-(NH3^{+})-COO^{-}} \right)$ vorliegt. Das bedeutet, dass die Aminogruppe positiv $\left( \ce{-NH3^{+}} \right)$ und die Carboxygruppe negativ $\left( \ce{-COO^{-}} \right)$ geladen vorliegt. Die Veresterung findet grundsätzlich zwischen einem Alkohol bzw. dessen Hydroxygruppe $\left( \ce{-OH} \right)$ und einer Carbonsäure statt, was bedeutet, dass die Säuregruppe in der protonierten $\ce{COOH}$-Form an der Aminosäure vorliegen sollte. Um das zu erreichen, vermindern wir im ersten Schritt den pH-Wert durch die Zugabe von Säure bzw. von Protonen $\left( \ce{H+} \right)$, d. h. wir arbeiten im sauren Milieu:

$\begin{array}{ccccc} \text{Zwitterion} & & \text{Proton} & & \text{Kation} \\[4pt] \ce{R-(NH3^{+})-COO^{-}} & + & \ce{H+} & \longrightarrow & \ce{R-(NH3^{+})-COOH} \end{array}$

Im zweiten Schritt erfolgt die Zugabe des Alkohols. Wir wählen dafür beispielhaft einmal Methanol $\left( \ce{CH3-OH} \right)$ aus. Da die Reaktion nicht freiwillig abläuft, verwenden wir zusätzlich Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ als Katalysator. Ein Katalysator geht bekanntlich immer unverändert wieder aus der Reaktion hervor. Die Chlorid- und Wasserstoffionen sollten also im dritten Schritt wieder frei bzw. neu gebunden werden. Aus der Carboxygruppe der Aminosäure und dem Methanol bildet sich ein Ester, in unserem Fall in der Form eines Hydrochlorids, da die freien Chloridionen mit der protonierten Aminogruppe eine Ionenbindung eingehen:

$\begin{array}{cccccc} \text{Kation} & & \text{Methanol} & & \text{Salzsäure} & \\[4pt] \ce{R-(NH3^{+})-COOH} & + & \ce{CH3-OH} & + & \ce{HCl} & \longrightarrow \\[8pt] \text{Hydrochlorid} & & \text{Wasser} & & \text{Proton} & \\[4pt] \ce{R-(NH3^{+}Cl^{-})-(C=O)-O-CH3} & + & \ce{H2O} & + & \ce{H+} & \end{array}$

Durch die äquimolare Zugabe (sprich in gleichen Teilen zur Salzsäure) von Natronlauge, also Natriumhydroxid $\left( \ce{NaOH} \right)$, entsteht unter Abspaltung von Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$ und Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ unser Endprodukt, ein neutrales Amin, welches gleichzeitig der Ester der Aminosäure ist, also die Struktur $\ce{R1-(NH2)-(C=O)-O-R2}$ hat:

$\begin{array}{cccccc} \text{Hydrochlorid} & & \text{Natriumhydroxid} & & & \\[4pt] \ce{R-(NH3^{+}Cl^{-})-(C=O)-O-CH3} & + & \ce{NaOH} & \longrightarrow & & \\[8pt] \text{Amin} & & \text{Natriumchlorid} & & \text{Wasser} & \\[4pt] \ce{R-(NH2)-(C=O)-O-CH3} & + & \ce{NaCl} & + & \ce{H2O} & \end{array}$

Insgesamt sind, wie vorhergesagt, die Chloridionen $\left( \ce{Cl-} \right)$ des zweiten Schritts in Form von $\ce{NaCl}$ im dritten Schritt wieder frei bzw. neu gebunden geworden. Die Protonen des ersten Schritts sind schon im zweiten Schritt wieder frei geworden und sind gebunden in Form von $\ce{H2O}$ (bzw. der wässrigen Salzsäure) ein Teil des Katalysators.

Veresterung – Beispiele

Es gibt viele verschiedene Arten von Veresterungen, wobei die Veresterung einer Aminosäure nur ein Beispiel ist. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Fischer-Veresterung. Weitere spezielle Formen der Veresterung sind zum Beispiel:

• Steglich-Veresterung: Sekundäre und tertiäre Alkohole werden mit einer Carbonsäure verestert.
• Yamaguchi-Veresterung: Aus Hydroxycarbonsäuren werden sogenannte Makrolactone (auch Makroliden genannt) gebildet, die vielfältigen Einsatz finden, zum Beispiel als Antibiotika.

Acylierung einer Aminosäure

Eine Acylierung ist in der organischen Chemie per Definition ein Prozess, bei dem eine Acylgruppe $\left( \ce{-(C=O)-R} \right)$ in eine chemische Verbindung eingeführt wird.

Acylierung – Reaktionsmechanismus

Auch für die Erklärung dieses Reaktionsmechanismus gehen wir zunächst davon aus, dass die Aminosäure in Form ihres Zwitterions $\left( \ce{R1-(NH3^{+})-COO^{-}} \right)$ vorliegt. Da die Reaktion aber an der freien Aminogruppe stattfinden soll, arbeiten wir in diesem Fall im alkalischen Milieu, d. h. wir geben eine äquimolare Menge Hydroxidionen $\left( \ce{OH^-} \right)$ hinzu, wodurch unter Wasserabspaltung das Anion der Aminosäure $\left( \ce{R1-(NH2)-COO^{-}} \right)$ entsteht. Diese ist gleichzeitig ein Amin $\left( \ce{R-NH2} \right)$:

$\begin{array}{ccccccc} \text{Zwitterion} & & \text{Hydroxidion} & & \text{Anion (Amin)} & & \text{Wasser} \\[4pt] \ce{R1-(NH3^{+})-COO^{-}} & + & \ce{OH-} & \longrightarrow & \ce{R1-(NH2)-COO^{-}} & + & \ce{H2O} \end{array}$

Im zweiten Schritt geben wir ein Säurechlorid mit einer Acylgruppe mit der allgemeinen Struktur $\ce{R2-(C=O)-Cl}$ hinzu, mit welchem das Amin unter Abspaltung von Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ zu einem anionischen Amid $\left( \ce{R1-(NH-(C=O)-R2)-COO^{-}} \right)$ reagiert:

$\begin{array}{cccc} \text{Anion (Amin)} & & \text{Säurechlorid} & \\[4pt] \ce{R1-(NH2)-COO^{-}} & + & \ce{R2-(C=O)-Cl} & \longrightarrow \\[8pt] \text{anionisches Amid} & & \text{Salzsäure} & \\[4pt] \ce{R1-(NH-(C=O)-R2)-COO^{-}} & + & \ce{HCl} & \end{array}$

Im letzten Schritt geben wir eine äquimolare Menge Protonen $\left( \ce{H^+} \right)$ zu unserem Reaktionsansatz hinzu, sodass eine neutrale Verbindung, eine Carbonsäure mit einer Acylgruppe, entsteht:

$\begin{array}{cccc} \text{anionisches Amid} & & \text{Proton} & \\[4pt] \ce{R1-(NH-(C=O)-R2)-COO^{-}} & + & \ce{H+} & \longrightarrow \\[8pt] \text{Carbonsäure mit Acylgruppe} & & & \\[4pt] \ce{R1-(NH-(C=O)-R2)-COOH} & & & \end{array}$

Die Acylgruppe $\ce{-(C=O)-R2}$ ist über eine sekundäre Aminogruppe $\left( \ce{-NH-} \right)$ mit der Carbonsäure der ursprünglichen Aminosäure $\left( \ce{R1-COOH} \right)$ verknüpft.
Die im ersten Schritt hinzugefügten Hydroxidionen $\left( \ce{OH-} \right)$ und die hier im dritten Schritt hinzugefügten Protonen $\left( \ce{H+} \right)$ gleichen sich zu einem neutralen Wassermolekül $\left( \ce{H2O} \right)$ aus, sodass die Reaktion auch insgesamt gesehen neutral und ausgeglichen ist.

Wichtig ist noch die Anmerkung, dass die entstandene Salzsäure aus dem zweiten Reaktionsschritt unbedingt entfernt werden muss. Dafür bedient man sich eines Protonenfängers (einer sogenannten Hilfsbase), zum Beispiel in Form eines Amins.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Veresterung und Acylierung