Bildung von Carbonsäureanhydriden

Achtung: Auf dieser Seite wird nur die Bildung von Carbonsäureanhydriden aus Carbonsäuren besprochen, da es sich hier um eine Vertiefungsseite zum Thema Carbonsäuren handelt. Andere Verfahren zur Synthese von Carbonsäureanhydriden werden hier nicht berücksichtigt.

Rein formal sind Carbonsäureanhydride Verbindungen, die aus zwei Molekülen einer Carbonsäure bestehen, deren OH-Gruppen sich unter Abspaltung von Wasser vereinigt haben (Kondensation).

Industrielle Herstellung von Essigsäureanhydrid
Autor: Ulrich Helmich 06/2024, Lizenz: Public domain

Hier sehen wir ein Verfahren zur industriellen Herstellung von Essigsäureanhydrid, einer wichtigen Grundchemikalie der chemischen Industrie.

Vor allem Dicarbonsäuren mit vier oder fünf C-Atomen können auf diese Weise leicht in Anhydride umgewandelt werden. Butandisäure (Bernsteinsäure) kann beispielsweise durch einfaches Erhitzen auf 300 ºC in Butandisäureanhydrid umgewandelt werden. Das Interessante dabei ist dann die Bildung eines fünfgliedrigen heterocyclischen Ringes:

Bildung von Butandisäureanhydrid aus Butandisäure
Autor: Ulrich Helmich 06/2024, Lizenz: Public domain

Die meisten Carbonsäureanhydride können jedoch nicht so leicht hergestellt werden. Man muss die Carbonsäure hier zunächst aktivieren, indem man sie in ein Carbonsäurechlorid umwandelt. Aus Butansäurechlorid und Butansäure beispielsweise bildet sich recht leicht das Butansäureanhydrid ^[1]:

Bildung von Butansäureanhydrid aus Butansäure und Butansäurechlorid
Autor: Ulrich Helmich 06/2024, Lizenz: Public domain

Auch gemischte Anhydride, die sich aus zwei verschiedenen Carbonsäure-Resten zusammensetzen, lassen sich noch solchen Verfahren herstellen. Lässt man Butansäurechlorid beispielsweise mit Essigsäure reagieren, erhält man ein solches gemischtes Anhydrid.

Mechanismus

Wenn eine Carbonsäure als Brönsted-Säure reagiert, gibt sie das H-Atom der OH-Gruppe als Proton an eine Base ab. Zurück bleibt ein Carbonsäure-Rest mit einer Carboxylat-Gruppe COO^-. Dieser Carbonsäure-Rest kann nun als Nucleophil mit einem weiteren Carbonsäure-Molekül reagieren, und zwar nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus.

Bildung von Essigsäure-Anhydrid, schematisch
Autor: Ulrich Helmich 06/2024, Lizenz: Public domain

Hier eine Beschreibung des obigen Reaktionsschemas:

1. Eine Base :B^- reagiert mit der Carbonsäure (hier Essigsäure) und übernimmt das Proton, wird dadurch zu HB. Zurück bleibt in diesem Beispiel das Acetat-Ion.
2. Dieses reagiert als Nucleophil mit einem zweiten Essigsäure-Molekül, und zwar nach dem A/E-Mechanismus, der hier nicht näher erläutert wird.
3. Es entstehen Essigsäureanhydrid und OH^- als Reaktionsprodukte.
4. Das abgespaltene OH^- reagiert mit dem HB aus 1. zu Wasser und :B^-.
5. Die in 1. eingesetzte Base :B^- wird dadurch regeneriert.

Bei der in der Abbildung gezeigten Reaktion handelt es sich also um eine basenkatalysierte nucleophile Substitution.