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Was haben Essig, Acetylsalicylsäure (diese ist in Kopfschmerztabletten enthalten) und Zitronensäure gemeinsam? Sie sind alle Carbonsäuren. Die Stoffgruppe der Carbonsäuren ist sehr vielfältig. Ihre Eigenschaften können sich stark voneinander unterscheiden. Sie haben aber alle ein gemeinsames Merkmal: die Carboxy-Gruppe \(\ce{-COOH}\).
Die Carboxy-Gruppe ist eine Kombination aus der Hydroxy-Gruppe, die du vielleicht schon bei den Alkoholen kennen gelernt hast, und der Carbonyl-Gruppe, dem Merkmal der Aldehyde und Ketone. Die Hydroxy-Gruppe ist rot und die Carbonyl-Gruppe ist blau dargestellt (Abb. 1). Manche Carbonsäuren enthalten zwei oder drei dieser funktionellen Gruppen.
Carbonsäuren als Brönsted-Säuren
In der Hydroxy-Gruppe hat das Kohlenstoff-Atom mit einer Elektronegativität von $\pu{EN 2,4}$ eine positive Teilladung, das Sauerstoff-Atom mit einer Elektronegativität von $\pu{EN 3,4}$ eine negative Teilladung. Im Vergleich zu den Alkoholen ist die Bildung zwischen dem Sauerstoff-Atom und dem Wasserstoff-Atom wesentlich stärker polarisiert. Das ist auf den Einfluss der Carbonyl-Gruppe zurückzuführen. Das Sauerstoff-Atom dieser Gruppe zieht das bindenede Elektronenpaar zu sich herüber und verringert so die Elektronendichte am Kohlenstoff-Atom. Das bezeichnet man auch als negativen induktiven Effekt (-I-Effekt). Deswegen kann das Wasserstoff-Atom der Hydroxy-Gruppe leicht als Wasserstoff-Ion abgespalten werden und mit einem Wasser-Molekül zu einem Oxonium-Ion \(\ce{ H_3O^+}\) reagieren. Die Carbonsäuren sind Protonen-Donatoren und damit Säuren im Sinne der Definition von Bröndsted.
\(\ce{CH_3COOH + H_2O <--> CH_3COO^- + H_3O^+}\)
Mesomerie beim Carboxylat-Ion
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Für das bei der Säure-Base-Reaktion entstehende Carboxylat-Ion kannst du zwei verschiedene Formeln nach der Lewis-Schreibweise formulieren. Diese beiden Grenzstrukturen geben aber nicht die tatsächlich vorliegende Elektronenverteilung an. Die beiden Sauerstoff-Atome sind gleichwertig, die negative Ladung verteilt sich über die drei beteiligten Teilchen (Abb. 2). Dieses Phänomen nennt man Mesomerie. Die tatsächlich vorliegende Struktur ist energetisch wesentlich günstiger als bei einer der beiden Grenzstrukturen.
Dimere
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Moleküle der Carbonsäuren kommen in Kristallen und in Lösungen als Dimere vor: zwei Moleküle sind durch Wasserstoff-Brücken miteinander verbunden (Abb. 3).
Zusammenfasssung
Die Carboxy-Gruppe \(\ce{-COOH}\) ist die funktionelle Gruppe der Carbonsäuren. Durch die Carboxy-Gruppe sind die Carbonsäuren Protonenspender und damit Brönsted-Säuren. Das bei der Säure-Base-Reaktion gebildete Carboxylat-Ion ist energetisch besonders günstig.