- Eigenschaften von Anhydriden
- Chemische Reaktionen
- Hydrolyse
- Veresterung
- Amidation
- Wie entstehen Anhydride?
- Cyclische Anhydride
- Nomenklatur
- Anwendungen
- Organische Anhydride
- Beispiele
- Bernsteinsäureanhydrid
- Glutarsäureanhydrid
- Verweise
Die Anhydride sind chemische Verbindungen, die aus der Vereinigung zweier Moleküle durch Freisetzung von Wasser stammen. Somit könnte es als Dehydratisierung der Ausgangssubstanzen angesehen werden; obwohl es nicht genau wahr ist.
In der organischen und anorganischen Chemie werden sie erwähnt, und in beiden Zweigen unterscheidet sich ihr Verständnis in nennenswertem Maße. Beispielsweise werden in der anorganischen Chemie die basischen und sauren Oxide als Anhydride ihrer Hydroxide bzw. Säuren betrachtet, da die ersteren mit Wasser reagieren, um die letzteren zu bilden.
Allgemeine Struktur von Anhydriden. Quelle: DrEmmettBrownie, aus Wikimedia Commons
Hier kann es zu Verwechslungen zwischen den Begriffen "wasserfrei" und "Anhydrid" kommen. Im Allgemeinen bezieht sich wasserfrei auf eine Verbindung, zu der es ohne Änderung seiner chemischen Natur dehydratisiert wurde (es findet keine Reaktion statt); Bei einem Anhydrid kommt es zu einer chemischen Veränderung, die sich in der Molekülstruktur widerspiegelt.
Wenn die Hydroxide und Säuren mit ihren entsprechenden Oxiden (oder Anhydriden) verglichen werden, ist ersichtlich, dass eine Reaktion stattgefunden hat. Im Gegensatz dazu können einige Oxide oder Salze hydratisiert werden, Wasser verlieren und die gleichen Verbindungen bleiben; aber ohne Wasser, das heißt wasserfrei.
In der organischen Chemie ist unter Anhydrid die ursprüngliche Definition zu verstehen. Eines der bekanntesten Anhydride sind beispielsweise solche, die von Carbonsäuren abgeleitet sind (oberes Bild). Diese bestehen aus der Vereinigung zweier Acylgruppen (-RCO) durch ein Sauerstoffatom.
In seiner allgemeinen Struktur ist R 1 für eine Acylgruppe und R 2 für die zweite Acylgruppe angegeben. Da R 1 und R 2 unterschiedlich sind, stammen sie aus unterschiedlichen Carbonsäuren und sind daher ein asymmetrisches Säureanhydrid. Wenn beide R-Substituenten (unabhängig davon, ob sie aromatisch sind oder nicht) gleich sind, sprechen wir in diesem Fall von einem symmetrischen Säureanhydrid.
Wenn zwei Carbonsäuren unter Bildung des Anhydrids binden, kann sich Wasser sowie andere Verbindungen bilden oder nicht. Alles hängt von der Struktur dieser Säuren ab.
Eigenschaften von Anhydriden
Die Eigenschaften von Anhydriden hängen davon ab, auf welche Sie sich beziehen. Den meisten gemeinsam ist, dass sie mit Wasser reagieren. Für die sogenannten basischen Anhydride in anorganischen Stoffen sind tatsächlich einige von ihnen sogar in Wasser (MgO) unlöslich, so dass sich diese Aussage auf die Anhydride von Carbonsäuren konzentrieren wird.
Die Schmelz- und Siedepunkte liegen in der Molekülstruktur und in den intermolekularen Wechselwirkungen für (RCO) 2 O, wobei dies die allgemeine chemische Formel dieser organischen Verbindungen ist.
Wenn die Molmasse von (RCO) 2 O niedrig ist, ist es wahrscheinlich eine farblose Flüssigkeit bei Raumtemperatur und Druck. Beispielsweise ist Essigsäureanhydrid (oder Ethansäureanhydrid) (CH 3 CO) 2 O eine Flüssigkeit und die von größter industrieller Bedeutung, da ihre Produktion sehr groß ist.
Die Reaktion zwischen Essigsäureanhydrid und Wasser wird durch die folgende chemische Gleichung dargestellt:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Beachten Sie, dass bei Zugabe des Wassermoleküls zwei Essigsäuremoleküle freigesetzt werden. Die Umkehrreaktion kann jedoch bei Essigsäure nicht auftreten:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (tritt nicht auf)
Es ist notwendig, auf einen anderen Syntheseweg zurückzugreifen. Dicarbonsäuren können dies dagegen durch Erhitzen tun; Dies wird jedoch im nächsten Abschnitt erläutert.
Chemische Reaktionen
Hydrolyse
Eine der einfachsten Reaktionen von Anhydriden ist ihre Hydrolyse, die gerade für Essigsäureanhydrid gezeigt wurde. Zusätzlich zu diesem Beispiel gibt es das von Schwefelsäureanhydrid:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O 2H 2 SO 4
Hier haben Sie ein anorganisches Säureanhydrid. Es ist zu beachten, dass für H 2 S 2 O 7 (auch als Schwefelsäure bezeichnet) die Reaktion reversibel ist, so dass das Erhitzen von konzentriertem H 2 SO 4 zur Bildung seines Anhydrids führt. Wenn es sich andererseits um eine verdünnte Lösung von H 2 SO 4 handelt , wird SO 3 , Schwefelsäureanhydrid , freigesetzt .
Veresterung
Säureanhydride reagieren mit Alkoholen, dazwischen Pyridin, zu einem Ester und einer Carbonsäure. Betrachten Sie zum Beispiel die Reaktion zwischen Essigsäureanhydrid und Ethanol:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
So bilden sich der Ethylethanoatester, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 und Ethansäure (Essigsäure).
In der Praxis geschieht die Substitution des Wasserstoffs der Hydroxylgruppe durch eine Acylgruppe:
R 1 -OH => R 1 -OCOR 2
Im Fall von (CH 3 CO) 2 O ist seine Acylgruppe -COCH 3 . Daher soll die OH-Gruppe eine Acylierung erfahren. Acylierung und Veresterung sind jedoch keine austauschbaren Konzepte; Die Acylierung kann direkt an einem aromatischen Ring erfolgen, der als Friedel-Crafts-Acylierung bekannt ist.
So werden Alkohole in Gegenwart von Säureanhydriden durch Acylierung verestert.
Andererseits reagiert nur eine der beiden Acylgruppen mit dem Alkohol, die andere bleibt beim Wasserstoff und bildet eine Carbonsäure; dass es sich bei (CH 3 CO) 2 O um Ethansäure handelt.
Amidation
Säureanhydride reagieren mit Ammoniak oder Aminen (primär und sekundär) unter Bildung von Amiden. Die Reaktion ist der gerade beschriebenen Veresterung sehr ähnlich, aber die ROH wird durch ein Amin ersetzt; zum Beispiel ein sekundäres Amin, R 2 NH.
Wiederum wird die Reaktion zwischen (CH 3 CO) 2 O und Diethylamin, Et 2 NH betrachtet:
(CH 3 CO) 2 O + 2Et 2 NH => CH 3 CONEt 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et 2
Und Diethylacetamid, CH 3 CONEt 2 , und ein carboxyliertes Ammoniumsalz, CH 3 COO - + NH 2 Et 2 werden gebildet .
Obwohl die Gleichung etwas schwer zu verstehen scheint, reicht es zu beobachten, wie die Gruppe -COCH 3 das H eines Et 2 NH ersetzt, um das Amid zu bilden:
Et 2 NH => Et 2 NCOCH 3
Anstelle einer Amidierung ist die Reaktion immer noch eine Acylierung. Alles ist in diesem Wort zusammengefasst; Dieses Mal unterliegt das Amin einer Acylierung und nicht dem Alkohol.
Wie entstehen Anhydride?
Anorganische Anhydride entstehen durch Umsetzung des Elements mit Sauerstoff. Wenn das Element metallisch ist, wird somit ein Metalloxid oder basisches Anhydrid gebildet; und wenn es nichtmetallisch ist, wird ein nichtmetallisches Oxid oder Säureanhydrid gebildet.
Bei organischen Anhydriden ist die Reaktion unterschiedlich. Zwei Carbonsäuren können sich nicht direkt verbinden, um Wasser freizusetzen und Säureanhydrid zu bilden. Die Beteiligung einer noch nicht erwähnten Verbindung ist notwendig: Acylchlorid, RCOCl.
Die Carbonsäure reagiert mit dem Acylchlorid unter Bildung des jeweiligen Anhydrids und Chlorwasserstoffs:
R 1 COCl + R 2 COOH => (R 1 CO) O (COR 2 ) + HCl
CH 3 COCl + CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + HCl
Ein CH 3 stammt aus der Acetylgruppe CH 3 CO– und das andere ist bereits in Essigsäure enthalten. Die Wahl eines bestimmten Acylchlorids sowie der Carbonsäure kann zur Synthese eines symmetrischen oder asymmetrischen Säureanhydrids führen.
Cyclische Anhydride
Im Gegensatz zu den anderen Carbonsäuren, die ein Acylchlorid benötigen, können Dicarbonsäuren zu ihrem entsprechenden Anhydrid kondensieren. Hierzu ist es notwendig, sie zu erhitzen, um die Freisetzung von H 2 O zu fördern. Beispielsweise wird die Bildung von Phthalsäureanhydrid aus Phthalsäure gezeigt.
Bildung von Phthalsäureanhydrid. Quelle: Jü, aus Wikimedia Commons
Beachten Sie, wie der fünfeckige Ring fertiggestellt ist und der Sauerstoff, der beide C = O-Gruppen verbindet, ein Teil davon ist. Dies ist ein cyclisches Anhydrid. Es ist auch ersichtlich, dass Phthalsäureanhydrid ein symmetrisches Anhydrid ist, da sowohl R 1 als auch R 2 identisch sind: ein aromatischer Ring.
Nicht alle Dicarbonsäuren sind in der Lage, ihr Anhydrid zu bilden, da sie gezwungen sind, immer größere Ringe zu vervollständigen, wenn ihre COOH-Gruppen weit voneinander entfernt sind. Der größte Ring, der gebildet werden kann, ist ein hexagonaler Ring, der größer ist als der, dass die Reaktion nicht stattfindet.
Nomenklatur
Wie heißen Anhydride? Abgesehen von den anorganischen, die für Oxidprobleme relevant sind, hängen die Namen der bisher erläuterten organischen Anhydride von der Identität von R 1 und R 2 ab ; das heißt, von seinen Acylgruppen.
Wenn die beiden Rs gleich sind, ersetzen Sie einfach das Wort "Säure" durch "Anhydrid" im jeweiligen Namen der Carbonsäure. Und wenn im Gegenteil die beiden Rs unterschiedlich sind, werden sie in alphabetischer Reihenfolge benannt. Um zu wissen, wie man es nennt, müssen Sie zuerst prüfen, ob es sich um ein symmetrisches oder asymmetrisches Säureanhydrid handelt.
(CH 3 CO) 2 O ist symmetrisch, da R 1 = R 2 = CH 3 . Es stammt von Essigsäure oder Ethansäure, daher lautet sein Name nach der vorherigen Erklärung: Essigsäure oder Ethansäureanhydrid. Gleiches gilt für das gerade erwähnte Phthalsäureanhydrid.
Angenommen, wir haben das folgende Anhydrid:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
Die Acetylgruppe links stammt von Essigsäure und die rechts von Heptansäure. Um dieses Anhydrid zu benennen, müssen Sie seine R-Gruppen in alphabetischer Reihenfolge benennen. Der Name lautet also: Heptansäureanhydrid.
Anwendungen
Anorganische Anhydride haben endlose Anwendungen, von der Synthese und Formulierung von Materialien, Keramiken, Katalysatoren, Zementen, Elektroden, Düngemitteln usw. bis hin zur Beschichtung der Erdkruste mit ihren Tausenden von Eisen- und Aluminiummineralien und Dioxid von Kohlenstoff, der von lebenden Organismen ausgeatmet wird.
Sie stellen die Ausgangsquelle dar, den Punkt, an dem viele in anorganischen Synthesen verwendete Verbindungen abgeleitet werden. Eines der wichtigsten Anhydride ist Kohlendioxid, CO 2 . Es ist zusammen mit Wasser für die Photosynthese essentiell. Und auf industrieller Ebene ist SO 3 essentiell, da die benötigte Schwefelsäure daraus gewonnen wird.
Vielleicht ist das Anhydrid mit den meisten Anwendungen und zu haben (solange es Leben gibt) eines aus Phosphorsäure: Adenosintriphosphat, besser bekannt als ATP, in der DNA und der "Energiewährung" des Stoffwechsels vorhanden.
Organische Anhydride
Saure Anhydride reagieren durch Acylierung entweder zu einem Alkohol und bilden einen Ester, ein Amin, wodurch ein Amid oder ein aromatischer Ring entsteht.
Es gibt Millionen von jeder dieser Verbindungen und Hunderttausende von Carbonsäureoptionen, um ein Anhydrid herzustellen; Daher wachsen die Synthesemöglichkeiten dramatisch.
Daher besteht eine der Hauptanwendungen darin, eine Acylgruppe in eine Verbindung einzubauen und eines der Atome oder Gruppen ihrer Struktur zu substituieren.
Jedes einzelne Anhydrid hat seine eigenen Anwendungen, aber im Allgemeinen reagieren alle auf ähnliche Weise. Aus diesem Grund werden diese Arten von Verbindungen verwendet, um Polymerstrukturen zu modifizieren und neue Polymere zu erzeugen; d.h. Copolymere, Harze, Beschichtungen usw.
Zum Beispiel wird Essigsäureanhydrid verwendet, um alle OH-Gruppen von Cellulose zu acetylieren (unteres Bild). Damit wird jedes H des OH durch eine Acetylgruppe, COCH 3, ersetzt .
Zellulose. Quelle: NEUROtiker, aus Wikimedia Commons
Auf diese Weise wird das Celluloseacetatpolymer erhalten. Die gleiche Reaktion kann mit anderen Polymerstrukturen mit NH 2 -Gruppen beschrieben werden , die ebenfalls anfällig für Acylierung sind.
Diese Acylierungsreaktionen eignen sich auch zur Synthese von Arzneimitteln wie Aspirin ( Acetylsalicylsäure ).
Beispiele
Es wird gezeigt, dass einige andere Beispiele für organische Anhydride fertig sind. Obwohl sie nicht erwähnt werden, können Sauerstoffatome durch Schwefel ersetzt werden, was Schwefel oder sogar Phosphoranhydride ergibt.
-C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5 : Benzoesäureanhydrid. Die Gruppe C 6 H 5 repräsentiert einen Benzolring. Bei seiner Hydrolyse entstehen zwei Benzoesäuren.
-HCO (O) COH: Ameisensäureanhydrid. Bei seiner Hydrolyse entstehen zwei Ameisensäuren.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3 : Benzoesäure-Propansäureanhydrid. Bei seiner Hydrolyse entstehen Benzoesäure und Propansäure.
-C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11 : Cyclohexancarbonsäureanhydrid. Im Gegensatz zu aromatischen Ringen sind diese ohne Doppelbindungen gesättigt.
-CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3 : Propansäurebutansäureanhydrid.
Bernsteinsäureanhydrid
Bernsteinsäureanhydrid. Quelle: Ninjatacoshell, aus Wikimedia Commons
Hier haben Sie einen anderen Cyclus, der von Bernsteinsäure abgeleitet ist, eine Dicarbonsäure. Beachten Sie, wie die drei Sauerstoffatome die chemische Natur dieser Art von Verbindung offenbaren.
Maleinsäureanhydrid ist Bernsteinsäureanhydrid sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass zwischen den Kohlenstoffen, die die Basis des Fünfecks bilden, eine Doppelbindung besteht.
Glutarsäureanhydrid
Glutarsäureanhydrid. Quelle: Choij, aus Wikimedia Commons
Und schließlich wird Glutarsäureanhydrid gezeigt. Diese unterscheidet sich strukturell von allen anderen dadurch, dass sie aus einem hexagonalen Ring besteht. Auch hier fallen die drei Sauerstoffatome in der Struktur auf.
Andere komplexere Anhydride können immer durch die drei sehr nahe beieinander liegenden Sauerstoffatome nachgewiesen werden.
Verweise
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