Substanzklassen

Carbonsäurechloride: Herstellung aus Carbonsäuren

Wie man Carbonsäuren mit Thionylchlorid, Phosphorchloriden oder Oxalylchlorid in Säurechloride überführt und warum dabei ein Chlorsulfinylester durchlaufen wird.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Ein Carbonsäurechlorid \(\ce{R-COCl}\) ist das reaktivste Carbonsäurederivat und steht an der Spitze der Reaktivitätsreihe Säurechlorid > Anhydrid > Ester > Amid > Carboxylat.
  • Carbonsäuren werden mit \(\ce{SOCl2}\), \(\ce{PCl3}\), \(\ce{PCl5}\) oder Oxalylchlorid (katalytisch DMF) in Säurechloride überführt.
  • Elementares \(\ce{Cl2}\) ersetzt die OH-Gruppe nicht und ist zur Säurechloridherstellung ungeeignet.
  • Mit Thionylchlorid entsteht intermediär der Chlorsulfinylester \(\ce{R-CO-O-S(O)Cl}\), als Nebenprodukte entweichen \(\ce{SO2}\) und \(\ce{HCl}\).
  • Benzoesäure liefert so Benzoylchlorid \(\ce{C6H5COCl}\).

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Worum es geht

Säurechloride sind die reaktivsten Carbonsäurederivate und deshalb wichtige Bausteine für Ester und Amide, etwa in Arzneistoffsynthesen. Man gewinnt sie direkt aus Carbonsäuren, braucht dafür aber das richtige Chlorierungsreagenz.

Reaktivität der Carbonsäurederivate

Carbonsäurederivate bilden eine Familie. Alle tragen eine Acylgruppe \(\ce{R-CO-}\), an der statt der OH-Gruppe ein anderer Rest X hängt. Beim Carbonsäurechlorid (Acylchlorid, \(\ce{R-COCl}\)) ist X ein Chloratom. Nucleophile greifen das Carbonyl-C an und verdrängen X nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus.

Wie leicht das gelingt, hängt von X ab. Je weniger X das Carbonyl-C durch Mesomerie stabilisiert und je besser es abgeht, desto reaktiver ist das Derivat. So entsteht die Reaktivitätsreihe der Carbonsäurederivate: Säurechlorid > Anhydrid > Ester > Amid > Carboxylat. Chlorid ist eine sehr gute Abgangsgruppe und spendet kaum Elektronen. Säurechloride stehen deshalb ganz oben.

Strukturformeln von Säurechlorid, Anhydrid, Ester, Amid und Carboxylat in einer Reihe mit Pfeil

Reaktivitätsreihe der Carbonsäurederivate
💡 Merke

Bergab geht es leicht: Aus einem Säurechlorid lässt sich jedes weiter rechts stehende Derivat herstellen, umgekehrt nicht direkt.

Chlorierungsreagenzien

Die OH-Gruppe einer Carbonsäure ist eine schlechte Abgangsgruppe. Ein Chlorierungsreagenz wandelt sie erst in eine gute um und liefert dann das Chlorid. Vier Reagenzien sind gebräuchlich:

Reagenz Nebenprodukte Besonderheit
Thionylchlorid \(\ce{SOCl2}\) \(\ce{SO2}\), \(\ce{HCl}\) gasförmige Nebenprodukte treiben die Reaktion
\(\ce{PCl3}\) \(\ce{H3PO3}\) 1 mol setzt 3 mol Säure um
\(\ce{PCl5}\) \(\ce{POCl3}\), \(\ce{HCl}\) sehr reaktiv
Oxalylchlorid \(\ce{(COCl)2}\) \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\), \(\ce{HCl}\) mit katalytischen Mengen DMF, mild

Elementares \(\ce{Cl2}\) ist ungeeignet. Es reagiert als Elektrophil oder radikalisch und greift allenfalls C–H-Bindungen an. Die OH-Gruppe ersetzt es nicht.

Der Weg über den Chlorsulfinylester

Am Beispiel Benzoesäure lautet die Bilanz:

\[\ce{C6H5COOH + SOCl2 -> C6H5COCl + SO2 ^ + HCl ^}\]

  1. Angriff am Schwefel: Ein Sauerstoff der Carboxygruppe greift das S-Atom an, Chlorid und ein Proton gehen ab.
  2. Intermediat: Es entsteht der Chlorsulfinylester (Acylchlorosulfit) \(\ce{C6H5-CO-O-S(O)Cl}\). Die OH-Gruppe ist jetzt eine gute Abgangsgruppe.
  3. Addition: \(\ce{Cl-}\) greift das Carbonyl-C an, ein tetraedrisches Zwischenprodukt bildet sich.
  4. Zerfall: Die C=O-Bindung bildet sich zurück, die Abgangsgruppe zerfällt in \(\ce{SO2}\) und \(\ce{Cl-}\).

Reaktionsmechanismus mit Pfeilen von Benzoesäure über C6H5-CO-O-S(O)Cl und ein tetraedrisches Zwischenprodukt zu Benzoylchlorid, SO2 und HCl

Benzoylchlorid aus Benzoesäure und Thionylchlorid über den Chlorsulfinylester

Das Intermediat erkennt man an der Abfolge Acyl–O–S(O)Cl: Ein Sauerstoff verbrückt Carbonyl-C und Schwefel. Beim Benzolsulfonylchlorid \(\ce{C6H5SO2Cl}\) sitzt der Schwefel dagegen direkt am Ring. Das Alkylchlorosulfit \(\ce{R-O-S(O)Cl}\) trägt keine Carbonylgruppe und tritt bei Alkoholen mit Thionylchlorid auf.

Drei Strukturformeln von Schwefel-Chlor-Verbindungen mit hervorgehobener Verknüpfung am Schwefel

Ähnliche Schwefelverbindungen: Nur das Acylchlorosulfit ist das Intermediat der Säurechloridbildung
🎯 Examensrelevant: Säurechloridbildung

Wird im Examen gerne gefragt: \(\ce{SOCl2}\), \(\ce{PCl3}\), \(\ce{PCl5}\) und Oxalylchlorid mit DMF liefern Säurechloride, \(\ce{Cl2}\) nicht. Beim Thionylchlorid musst du den Chlorsulfinylester \(\ce{R-CO-O-S(O)Cl}\) als Zwischenprodukt sicher von ähnlichen Schwefelverbindungen unterscheiden.

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Aussage 1

Benzoesäure lässt sich durch Einleiten von elementarem \(\ce{Cl2}\) in Benzoylchlorid überführen.

\(\ce{Cl2}\) ersetzt die OH-Gruppe nicht. Geeignet sind \(\ce{SOCl2}\), \(\ce{PCl3}\), \(\ce{PCl5}\) oder Oxalylchlorid.

Aussage 2

Bei der Umsetzung von Benzoesäure mit Thionylchlorid tritt \(\ce{C6H5-CO-O-S(O)Cl}\) als Zwischenprodukt auf.

Das ist der Chlorsulfinylester (Acylchlorosulfit). Chlorid greift danach das Carbonyl-C an, und die Abgangsgruppe zerfällt in \(\ce{SO2}\) und \(\ce{Cl-}\).

Aussage 3

Oxalylchlorid wird zur Herstellung von Säurechloriden zusammen mit katalytischen Mengen DMF eingesetzt.

Oxalylchlorid mit katalytischem DMF überführt Carbonsäuren mild in Säurechloride, als Nebenprodukte entstehen \(\ce{CO2}\), \(\ce{CO}\) und \(\ce{HCl}\).

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