Hydroxamsäure-Reaktion bei Lactonen, Lactamen und Anhydriden
Welche Acylderivate neben den Estern mit Hydroxylamin eine Hydroxamsäure bilden, welche Stoffklassen negativ bleiben und wie man das an Benzylpenicillin und Aspartam abliest.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Hydroxamsäure-Reaktion erfasst alle Acylderivate, deren Carbonyl-C eine Abgangsgruppe trägt: Ester, Lactone, β-Lactame, Anhydride und Säurechloride.
- Diese Klassen bilden ebenfalls Hydroxamsäuren und stören den Esternachweis mit Eisen(III)-chlorid.
- Freie Carbonsäuren wie Furosemid bleiben negativ, weil sie im Alkalischen als Carboxylat vorliegen. Ketone wie Aceton oder Carvon bilden nur ein Oxim.
- Bei Benzylpenicillin öffnet Hydroxylamin nucleophil den β-Lactamring am Carbonyl-C-7; Carboxygruppe und Seitenketten-Amid reagieren nicht.
- Aspartam gibt ohne Hydrolyse eine positive Ninhydrin-Reaktion (freies primäres Amin) und über seinen Methylester die Hydroxamsäure-Reaktion.
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Worum es geht
Die Hydroxamsäure-Reaktion gilt als Esternachweis, erfasst aber mehr als Ester. Wer an einer Strukturformel entscheiden soll, ob ein Arzneistoff wie Benzylpenicillin die rote Eisen(III)-Färbung gibt, braucht eine einfache Regel. Diese Einheit liefert sie und wendet sie auf zwei Arzneistoffe an.
Erfasste und nicht erfasste Klassen
Hydroxylamin ist ein starkes Nucleophil. Im alkalischen Milieu (KOH) greift es ein Carbonyl-C-Atom an. Bleibt dort eine Abgangsgruppe zurück, wird sie verdrängt, und es entsteht die Hydroxamsäure \(\ce{R-CO-NHOH}\). Mit Eisen(III)-chlorid bildet sie im Sauren den farbigen Hydroxamat-Komplex.
Dieses Muster erfüllen nicht nur Ester. Säurechloride verlieren Chlorid, Anhydride ein Carboxylat. Lactone sind cyclische Ester: Der Ring öffnet sich, und die Alkoholgruppe bleibt am Molekül hängen. β-Lactame reagieren ebenso unter Ringöffnung.
\[\ce{CH3COCl + NH2OH -> CH3CONHOH + HCl}\]
\[\ce{(CH3CO)2O + NH2OH -> CH3CONHOH + CH3COOH}\]
\[\ce{\gamma-Butyrolacton + NH2OH -> HO-(CH2)3-CO-NHOH}\]
Alle diese Klassen geben deshalb ein positives Ergebnis und stören den Esternachweis. Ein Säurechlorid entsteht bei der Reaktion übrigens nie, es ist nur eines der möglichen Edukte.
Negativ bleibt, was keine Abgangsgruppe am Carbonyl-C hat. Eine freie Carbonsäure liegt im alkalischen Milieu als Carboxylat vor. Die negative Ladung stößt das Nucleophil ab, und ein Oxid-Ion ist keine Abgangsgruppe. Deshalb reagiert Furosemid nicht. Ketone addieren Hydroxylamin zwar, spalten dann aber Wasser ab und bilden ein Oxim:
\[\ce{(CH3)2CO + NH2OH -> (CH3)2C=NOH + H2O}\]
Ein Oxim gibt mit Eisen(III) keine Rotfärbung. Alkohole, Ether, Acetale, Hydrazone und Amine tragen gar kein reaktives Acyl-C und bleiben unverändert.
| Klasse | Beispiel | Ergebnis | Grund |
|---|---|---|---|
| Säurechlorid | Acetylchlorid | positiv | Chlorid als Abgangsgruppe |
| Anhydrid | Essigsäureanhydrid | positiv | Carboxylat als Abgangsgruppe |
| Lacton | γ-Butyrolacton | positiv | Ringöffnung, Alkoholat geht ab |
| β-Lactam | Benzylpenicillin | positiv | gespannter Ring öffnet sich |
| freie Carbonsäure | Furosemid | negativ | Carboxylat ohne Abgangsgruppe |
| Keton | Aceton, Carvon | negativ | bildet Oxim |
| Alkohol (primär, sekundär, tertiär) | Menthol, Propranolol | negativ | keine Carbonylgruppe |
| Ether, Acetal, Ketal | Diethylether | negativ | kein Acyl-C, alkalistabil |
| Hydrazon, primäres Amin | Butylamin | negativ | keine Abgangsgruppe am C |
An einer Strukturformel prüfst du jede C=O-Gruppe auf ihren zweiten Nachbarn:
- Cl am Carbonyl-C: Säurechlorid
- O–C=O: Anhydrid
- O–C offenkettig: Ester, im Ring: Lacton
- N im Vierring: β-Lactam
- C auf beiden Seiten: Keton, OH: Carbonsäure
Welche Klassen die Eisen(III)-Hydroxamat-Färbung geben, wird im Examen gerne gefragt. Neben Estern sind Lactone, β-Lactame, Anhydride und Säurechloride positiv. Achte darauf, dass freie Carbonsäuren negativ bleiben und Ketone nur ein Oxim bilden.
Benzylpenicillin
Benzylpenicillin enthält drei Carbonylgruppen. Nur eine davon reagiert: das Carbonyl-C-Atom C-7 im β-Lactamring. Der Vierring ist stark gespannt. Außerdem kann der Stickstoff im bicyclischen Gerüst sein freies Elektronenpaar kaum mit der C=O-Gruppe teilen. Das β-Lactam verhält sich daher wie ein aktiviertes Acylderivat.
Hydroxylamin greift C-7 im alkalischen Milieu nucleophil an. Die C–N-Bindung im Ring bricht, der β-Lactamring öffnet sich. Es entsteht die Hydroxamsäure der Penicillosäure. Sie gibt mit Eisen(III)-chlorid die typische Färbung.
Die beiden anderen Carbonylgruppen bleiben unverändert. Die Carboxygruppe an C-2 liegt als Carboxylat vor und reagiert wie jede freie Säure nicht. Das Seitenketten-Amid an C-6 ist ein normales, mesomeriestabilisiertes Amid. Die Phenylacetyl-Seitenkette bleibt also intakt. Die Färbung beruht auf dem Hydroxamat und nicht auf einem Spaltprodukt wie Benzylamin.
Ein offenkettiges Amid wird unter diesen Bedingungen nicht erfasst. Positiv reagiert das Lactam im gespannten Vierring, weil ihm die Amidstabilisierung weitgehend fehlt.
Aspartam
Aspartam ist der Süßstoff L-Aspartyl-L-phenylalanin-methylester. An seiner Strukturformel lassen sich vier funktionelle Gruppen unterscheiden. Jede verhält sich nach den Regeln dieser Einheit und der Ninhydrin-Reaktion.
| Gruppe | Lage | Verhalten |
|---|---|---|
| primäre Aminogruppe | α-C der Asparaginsäure | Ninhydrin positiv, basisch |
| Carbonsäure | Seitenkette der Asparaginsäure | sauer, Hydroxamsäure negativ |
| Amid (Peptidbindung) | zwischen beiden Aminosäuren | unreaktiv |
| Methylester | am Phenylalanin | Hydroxamsäure positiv |
Die Aminogruppe liegt frei vor. Aspartam gibt deshalb ohne vorherige Hydrolyse eine positive Ninhydrin-Reaktion. Der Methylester liefert mit alkalischer Hydroxylamin-Lösung eine Hydroxamsäure. Mit Eisen(III)-chlorid entsteht der farbige Chelatkomplex.
Saure Carboxygruppe und basische Aminogruppe im selben Molekül machen Aspartam amphoter. In Lösung liegt es nahe dem Neutralpunkt überwiegend als Zwitterion vor. Wie man daraus Löslichkeit und Titrierbarkeit ableitet, zeigt die Einheit zum Säure-Base-Verhalten.
Quiz
Aussage 1
Bei Benzylpenicillin greift Hydroxylamin bevorzugt das Amid der Phenylacetyl-Seitenkette an.
Das Seitenketten-Amid ist ein normales, stabilisiertes Amid und reagiert nicht. Angegriffen wird das Carbonyl-C-7 des gespannten β-Lactamrings.
Aussage 2
Essigsäureanhydrid liefert mit Hydroxylamin eine Hydroxamsäure und kann so einen Esternachweis mit \(\ce{FeCl3}\) verfälschen.
Anhydride tragen mit dem Carboxylat eine Abgangsgruppe am Carbonyl-C und reagieren wie Ester.
Aussage 3
Aspartam gibt bereits ohne vorherige Hydrolyse eine positive Ninhydrin-Reaktion.
Die α-Aminogruppe der Asparaginsäure liegt in Aspartam frei als primäres Amin vor.
Aussage 4
Aceton färbt sich nach Umsetzung mit Hydroxylamin und Zugabe von Eisen(III)-chlorid rot, weil eine Hydroxamsäure entsteht.
Ketone haben keine Abgangsgruppe am Carbonyl-C. Aceton bildet mit Hydroxylamin ein Oxim, das keine Eisen(III)-Färbung gibt.
Aussage 5
Furosemid gibt wegen seiner freien Carboxygruppe eine positive Hydroxamsäure-Reaktion.
Freie Carbonsäuren liegen im alkalischen Milieu als Carboxylat vor und bilden keine Hydroxamsäure. Furosemid bleibt negativ.
Aussage 6
γ-Butyrolacton reagiert mit Hydroxylamin unter Ringöffnung zu einer Hydroxamsäure.
Lactone sind cyclische Ester. Der Ring öffnet sich, es entsteht 4-Hydroxybutanhydroxamsäure, die mit Eisen(III) nachweisbar ist.
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