Organische Säuren

Organische Säuren sind organische chemische Verbindungen, die über eine funktionelle Gruppe verfügen, die mit Wasser oder anderen protonierbaren Lösungsmitteln eine Gleichgewichtsreaktion eingeht. Dabei entsteht im Fall von Wasser das Oxoniumion H₃O⁺, das die Lösung sauer werden lässt, während die Säure ein Proton an das Lösungsmittel Wasser abgibt:

\mathrm {RXH\ +\ H_{2}O\ \rightleftharpoons \ RX^{-}\ +\ H_{3}O^{+}} (1)

Meist wird der Begriff Organische Säure mit Carbonsäure gleichgesetzt, es gibt jedoch auch organische Säuren, die keine Carboxygruppe tragen. Als Maß für die Säurestärke gilt die Säurekonstante (bzw. der pK_s-Wert) eines Stoffes. Diese Werte geben an, inwieweit eine Säure bei der Gleichgewichtsreaktion mit Wasser protolysiert, d. h. wie weit die Gleichung (1) auf die rechte Seite verschoben ist. Dabei gilt: je kleiner der pK_s-Wert ist, desto größer ist die Säurestärke des Stoffes.

Gruppen organischer Säuren

Mitglieder der Gruppe der Carbonsäuren besitzen eine oder mehrere Carboxygruppen (–COOH), die sauer reagieren. Es können aber auch andere Gruppen wie die Hydroxygruppe (–OH), Sulfanylgruppe –SH (Thiole) oder –SO₃H (Sulfonsäuren) vorhanden sein, die Protonen abspalten können. Eine saure Reaktion einer Verbindung wird erleichtert, wenn das resultierende Anion durch Mesomerie stabilisiert wird. So hat Ascorbinsäure (Vitamin C) keine Carboxygruppe, wirkt aber durch seine Enolgruppen sauer. Auch die Acidität von Phenol und Acetessigester sind auf die Stabilisierung der Anionen zurückzuführen.

Allgemeine Struktur der Carbonsäuren

Carbonsäuren

→ Hauptartikel: Carbonsäuren

Carbonsäuren haben in der Regel einen deutlich saureren Charakter als beispielsweise Alkohole. Die Säurestärke steigt, wenn in der Nähe der Carboxygruppe (in α-, β- oder γ-Position) weitere elektronenziehende Gruppen vorhanden sind. Trifluoressigsäure oder Trichloressigsäure wirken stärker sauer als Milchsäure, die wiederum eine stärkere Säure als Essigsäure ist. Carbonsäuren mit 1–3 C-Atomen riechen stechend, sind ätzend für die menschliche Haut und sehr gut wasserlöslich. Carbonsäuren mit 4–9 C-Atomen riechen stark ranzig, wie das bekannteste Beispiel Buttersäure zeigt. Carbonsäuren mit 10 und mehr C-Atomen sind geruchlos und wachsartig fest (Fettsäuren).

Strukturformel von Ascorbinsäure, einem Enol

Alkohole, Phenole, Enole

→ Hauptartikel: Alkohole, Phenole und Enole

Unsubstituierte Alkohole besitzen eine sehr geringe Acidität, während Phenole und Naphthole durch die Mesomeriestabilisierung des entstehenden Phenolats leichter deprotonierbar sind: Phenol ist mit dem pK_s-Wert von 9,9 um einen Faktor 100 stärker sauer als Alkanole wie etwa Ethanol (mit einem pK_s von 16). Substituenten an den Verbindungen, welche einen -I- oder -M-Effekt ausüben, erhöhen ebenfalls die Säurestärke, indem sie die negative Ladung des entstehenden Anions stabilisieren.^[1] Dies führt zu stark sauren Verbindungen wie Pikrinsäure (-M-Effekt) oder Pentachlorphenol (-I-Effekt). Bei einigen Substituenten wie Halogenatomen oder Nitrogruppen treten beide Effekte – teils sogar in unterschiedlicher Richtung – auf. Das Endiol Ascorbinsäure besitzt einen pK_s von 4,2 und ist damit stärker sauer als Essigsäure (pK_s 4,8).

Struktur von Toluolsulfonsäure

Thiole

→ Hauptartikel: Alkanthiole

Thiole besitzen eine höhere Acidität als die entsprechenden Alkohole; die entstehenden Thiolate sind stabiler als die Alkololate. Dies zeigt der Vergleich der analogen Verbindungen Ethanol (pK_s 16) und Ethanthiol (auch Ethylmercaptan, pK_s 12).

Die CH-acide Verbindung Acetessigester; acide sind die Wasserstoffe zwischen den beiden Carbonylgruppen

Schwefelsäureester und Sulfonsäuren

Die Monoester der Schwefelsäure und die Sulfonsäuren besitzen eine der Schwefelsäure vergleichbare Säurestärke. Der +I-Effekt langer Alkylketten stabilisiert dabei die entstehenden Anionen. Die p-Toluolsulfonsäure etwa besitzt einen pK_s von 0,7, der Ester des Laurylalkohols mit der Schwefelsäure, Laurylsulfat den Wert -0,09.

Phosphorsäureester und Phosphonsäuren

Auch die Mono- und Diester der Phosphorsäure (Phosphorsäureester), sowie die organischen Derivate der Phosphonsäure (allgemein Phosphonsäuren genannt) reagieren als starke Säuren.

CH- und NH-acide Verbindungen

→ Hauptartikel: CH-Acidität und NH-Acidität

Auch Kohlenwasserstoffe ohne Carboxy-, Hydroxy- oder Sulfanylgruppe können aufgrund ihrer CH- oder NH-Acidität als Säuren agieren. Hierbei ist das Vorkommen von Mehrfachbindungen und benachbarten funktionellen Gruppen oder Heteroatomen die Ursache der Acidität. Die bekannteste CH-acide Verbindung ist das Ethin (Acetylen), das aufgrund der Dreifachbindung einen pK_s-Wert von 25 aufweist (Ethan: 50). Weitere Beispiele sind das Nitroethan (pK_s 8,6) und das Nitrocyclopentadien, das stärker sauer ist (pK_s 3,3) als Ameisensäure (3,75). Bei der Deprotonierung entsteht aus dem Nitrocyclopentadien ein Derivat des aromatischen Cyclopentadienyl-Anions. Auch hier bestimmen mesomere Effekte zusammen mit induktiven Effekten die Acidität der Verbindungen. Acetonitril ist ein weiteres Beispiel für eine einfache CH-acide Verbindung. Bekannte NH-acide Verbindungen sind Phthalimid (pK_s = 8,3^[2]) und Sulfonylharnstoffe (Tolbutamid hat einen pKs von 5,16^[3]).

Übersicht

Stoffklasse	acide funktionelle Gruppe	Beispiel	pK_s-Wert bei 25 °C
Carbonsäuren	Carboxygruppe: R–COOH	Essigsäure	4,8
Substitutierte Carbonsäuren	Carboxygruppe: R–CH_xX_y–COOH	Trifluoressigsäure	0,23 ^[4]
aromatische Carbonsäuren	Carboxygruppe: Ar–COOH	Benzoesäure	4,2 ^[4]
Alkohole	Hydroxygruppe: R–OH	Ethanol	16
Phenole	Hydroxygruppe : Ar–OH (Ar=Aryl)	Phenol	9,9 ^[5]
Naphthole	Hydroxygruppe : Ar–OH (Ar=Aryl)	α-Naphthol	3,7 ^[5]
Substituierte Phenole (Substituenten mit -I-Effekt wie Halogene, Nitrogruppe)	Hydroxygruppe : O₂N–Ar–OH (Ar=Aryl)	Pikrinsäure	0,4 ^[5]
Enole	Hydroxygruppe (Enol) : C=C–OH	Ascorbinsäure	4,2
Thiole	R–SH	Ethanthiol (C₂H₅–SH)	12 ^[6]
Schwefelsäureester (Sulfate)	R–O–SO₃H	Schwefelsäuredodecylester	−0,09 Wert für die Säure^[7]
Sulfonsäuren (Alkylsulfonsäuren)	R–SO₃H	H₃C–SO₃H Methansulfonsäure	−0,6 ^[4]
Sulfonsäuren (Arensulfonsäuren)	R–Ar–SO₃H (Ar=Aryl)	H₃C–C₆H₄–SO₃H p-Toluolsulfonsäure	~ 0,7 ^[8]
Phosphate (= Phosphorsäureester)	R–O–PO(OH)₂	Adenosinmonophosphat	3,3 ^[4]
org. Phosphonsäuren (siehe Phosphonate)	R–PO(OH)₂	H₃C–PO(OH)₂ Methylphosphonsäure	2,35
CH-acide Verbindungen Alkine	H–C $\equiv$ C–R	Ethin	25
CH-acide Verbindungen Nitroalkane	O₂N–CRR'–H	Nitroethan	8,6 ^[9]
CH-acide Verbindungen β-Dicarbonyle	RC=OCH₂C=OR'	Acetylaceton	≈ 9 ^[10]
NH-acide Verbindungen Imide	R–(CO)₂N–H	Phthalimid	8,3^[2]
Anorganische Säuren zum Vergleich
Mineralsäuren	HO–SO₂–OH	Schwefelsäure	−3