Butansäure (= Buttersäure)

1. Fette als natürlich vorkommende Ester Butansäure (= Buttersäure) Die Buttersäure (offizieller Name: Butansäure) ist die einfachste Fettsäure.

2. Fette als natürlich vorkommende Ester Hexansäure (= Capronsäure) Capronsäure (Hexansäure) mit sechs C-Atomen in der Kette ist die nächst höhere Fettsäure …

3. Fette als natürlich vorkommende Ester Octansäure (= Caprylsäure) … gefolgt von Caprylsäure (Octansäure), der gesättigten C 8 - Carbonsäure. „Gesättigt“ bedeutet: die C-Atome in der Kette sind maximal mit H-Atomen als Bindungspartner versehen, d.h. es liegt keine C=C-Doppelbindung im Molekül vor.

4. Fette als natürlich vorkommende Ester Octadecansäure (= Stearinsäure) Die gesättigte Fettsäure mit der in der Mehrzahl der Fette längsten Kohlenstoffkette ist die Stearinsäure (C 18).

5. Fette als natürlich vorkommende Ester Octadecansäure (= Stearinsäure) Die bei weitem überwiegende Mehrzahl der natürlich vorkommenden Fettsäuren ist aus C 2 – Bausteinen zusammengesetzt. Dies beruht auf ihrer Biosynthese aus einem biochemisch wichtigen Thioester der Essigsäure, dem Acetyl-Coenzym A. Der C 2 – Baustein stammt aus dem Essigsäurerest dieses Thioesters.

6. Fette als natürlich vorkommende Ester Butansäure (= Buttersäure) Kehren wir zurück zur Buttersäure. Sollte diese in einem Stück Butter nach zu langer Lagerung ( „Ranzigwerden“) in größeren Mengen als freie Säure vorhanden sein, ist es ratsam, die Butter wegzuwerfen.

7. Fette als natürlich vorkommende Ester R = Alkylrest (–CH3, –C2H5, –C3H7, …) Butansäureester (= Buttersäureester) Kein Problem, was die Geruchsentwicklung betrifft, sind hingegen die Ester der Buttersäure. Triacylglyceride (die den Hauptanteil eines Fetts ausmachen) gehören zur Verbindungsklasse der Ester !

8. Fette als natürlich vorkommende Ester An dieser Stelle empfiehlt sich ein kurzer Exkurs, der den Unterschied zwischen einem Ester und einem Ether näher beleuchtet. Diethylether Die Abbildung zeigt einen der in chemischen Laboratorien am meisten verwendeten Ether, nämlich den Diethylether. Wie man sieht, sind in einem Ether zwei Alkylreste über ein Sauerstoffatommiteinander verbunden. Wichtig ist, daß die beiden C-Atome, die direkt mit dem O-Atom verbunden sind, als weitere Bindungspartner nur die Elemente Kohlenstoff und/oder Wasserstoff haben (also kein Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, etc.; weder einfach noch doppelt oder im Fall des Stickstoffs gar dreifach gebunden).

9. Fette als natürlich vorkommende Ester Diethylether Für die Wiedergabe der Struktur eines in Laboratorien ebenfalls häufig verwendeten Esters (!) kann man die Struktur des Diethylethers (!) als Grundlage nehmen (siehe Abbildung rechts).

10. Fette als natürlich vorkommende Ester Diethylether Essigsäureethylester Verknüpft man eines (!) der beiden direkt mit dem Brücken-Sauerstoff verbundenen C-Atome in einer Doppelbindung mit einem weiteren O-Atom, dann liegt die Struktur von Essigsäureethylester vor. Dieser wird abgekürzt auch als „Essigester“ bezeichnet und in vielen Fällen als Lösungsmittel benutzt (er hat den typischen Geruch nach „UHU“-Klebstoff).

11. Zurück zu den Estern der Buttersäure und in einem weiteren Schritt zur allgemeinen Struktur der Triacylglyceride, die als Bestandteile des Milchfetts ebenfalls zu den natürlich vorkommenden Estern gehören: R = Alkylrest (–CH3, –C2H5, –C3H7, …) Butansäureester (= Buttersäureester) Die Carbonsäuren mit vier, sechs, acht, …., achtzehn C-Atomen (allgemein: einer geraden Anzahl an C-Atomen) haben wir als sogenannte Fettsäuren und als „Acyl“-Bestandteile der Triacylglyceride bereits kennengelernt. Bleibt die Frage: Welches ist die Alkoholkomponente in den Triacylglyceriden (= den „Fetten“)? R = ?

12. Betrachten wir zunächst einige einfach aufgebaute, natürlich vorkommende Ester der Buttersäure: Quellen: hubert-schwarz.com doznajemo.com marions-kochbuch.de de.freepik.com Buttersäuremethylester Buttersäuremethylester ist nur zu einem sehr geringen Anteil in der Butter enthalten. Er ist eine farblose Flüssigkeit (Schmelzpunkt: – 84°C) und gehört zu den sogenannten Fruchtestern, weil er von seinem Duft her an Apfel und Ananas erinnert. Buttersäuremethylester kommt zudem in sehr geringen Mengen in Bananen und Erdbeeren vor.

13. Fette als natürlich vorkommende Ester Quelle: doznajemo.com Buttersäureethylester Buttersäureethylester gehört ebenfalls zu den Fruchtestern (Schmelzpunkt: –93°C). Er hat einen ausgeprägten Geruch nach Ananas.

14. Fette als natürlich vorkommende Ester Quelle: de.freepik.com Buttersäure-n-propylester Ähnliche Eigenschaften hat auch der Buttersäure-n-propylester, der vom Geruch her an Erdbeeren erinnert (Schmelzpunkt: –95°C).

15. Fette als natürlich vorkommende Ester Wir nähern uns nun allmählich der Struktur eines Triacylglycerids. Auch die beiden weiteren C-Atome der n-Propylgruppe erhalten nunmehr jeweils ein O-Atom als Bindungspartner.

16. Fette als natürlich vorkommende Ester Glycerin (= 1,2,3-Propantriol) Mono-butanoyl-glycerid (= „Buttersäure-monoglycerid“) Somit haben wir eine Alkoholkomponente aus drei C-Atomen mit drei OH-Gruppen (einem sogenannten dreiwertigen Alkohol) mit einem Molekül Buttersäure verestert. Der zugrundeliegende dreiwertige Alkohol (Abbildung rechts) hat den Trivialnamen Glycerin (und den offiziellen Namen 1,2,3-Propantriol). Die Veresterung von Glycerin mit einer Fettsäure ergibt ein Monoacylglycerid (oft auch als Monoglycerid bezeichnet).

17. Fette als natürlich vorkommende Ester Tri-butanoyl-glycerid (= „Buttersäure-triglycerid“ = „Tributyrin“) Mono- und Diglyceride kommen durchaus, wenn auch nur zu geringen Anteilen, in Fetten wie dem Milchfett vor. Den Hauptbestandteil eines Fetts machen jedoch die Ester des Glycerins (Glycerols) aus, bei denen alle drei OH-Gruppen des Glycerins mit jeweils einer Fettsäure verestert sind. In der Regel enthalten diese Dreifach-Ester drei unterschiedliche Fettsäuren.

18. Fette als natürlich vorkommende Ester Die vereinfachende Bezeichnung „Triglycerid“ ist deswegen unglücklich gewählt, weil sie den irreführenden Anschein erwecken kann, daß das Molekül drei Glycerin-Bausteine enthalte. Eine solche Annahme wäre natürlich falsch. Die Ester, die den Hauptbestandteil eines Fetts ausmachen, haben lediglich einen einzigen Glycerin-Baustein im Molekül (siehe Kästchen in der obigen Abbildung). Die u.a. für Fragen der Nomenklatur zuständige IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) empfiehlt daher die allgemeine Bezeichnung „Triacylglycerol“ (bzw. „Triacylglycerid“ im Deutschen).

19. Fette als natürlich vorkommende Ester 1 2 3 Wir halten als Ergebnis fest: a) Der Hauptbestandteil eines Fetts sind die Triester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (Glycerol).

20. Fette als natürlich vorkommende Ester Wir halten als Ergebnis fest: a) Der Hauptbestandteil eines Fetts sind die Triester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (Glycerol). b) Jede der OH-Gruppen des Glycerins ist dabei mit einer sogenannten Fettsäure verestert. Dies können, wie im Beispiel oben, drei gleiche Fettsäuren sein. In der Regel ist das Glycerin aber mit unterschiedlichen Fettsäuren verestert.

21. Fette als natürlich vorkommende Ester In dieser Abbildung sind nochmals alle vier Komponenten des Hauptbestandteils eines Fetts umrandet: Der Baustein Glycerin (Glycerol) als „Rückgrat“ im Zentrum, über Esterbindungen verknüpft mit drei Fettsäuren. Zur Beachtung: ein Fett wie Milchfett kann durchaus einen kleinen Anteil an freien (= nicht veresterten) Fettsäuren enthalten (zumal wenn es einige Zeit gelagert wurde und ein Teil der Esterbindungen gespalten ist), aber der Haupt-bestandteil des Fetts, die Triacylglycerole, weist keine freien –COOH-Gruppen auf.

22. 9 10 Ölsäure: 30% Buttersäure: 3% 16 Palmitinsäure: 23% Den Hauptanteil an veresterten Fettsäuren im Triacylglyceridanteil des Milchfetts macht übrigens nicht die Buttersäure aus – diese hat nur einen Anteil von 3% –, sondern die Ölsäure (E-9,10-Octadecensäure), eine einfach ungesättigte Fettsäure mit 18 C-Atomen und einer C=C-Doppelbindung mit E-Konfiguration zwischen den Atomen C-9 und C-10. An zweiter Stelle folgt die Palmitinsäure (Hexadecansäure) mit 16 C-Atomen und einem Anteil von 23%.

23. 9 10 Ölsäure: 30% Schmelzpunkt: 17°C Buttersäure: 3% Schmelzpunkt: – 5°C 16 Palmitinsäure: 23% Schmelzpunkt: 61 – 64°C Ölsäure ist bei Raumtemperatur flüssig und hat mit 17°C einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt als die etwas kürzer-kettige und bei Raumtemperatur festePalmitinsäure (61 – 64°C). Dies liegt am starren „Knick“ in der Mitte des Moleküls, bedingt durch die fehlende Drehbarkeit um eine C=C-Doppel-bindung. Dadurch können sich die Moleküle nicht so gut aneinanderlagern, und die van-der-Waals-Kräfte sind weniger wirksam.

24. Ein kurzer Exkurs zur Klärung der Frage: Was sind van-der-Waals-Kräfte ? Versuchen wir, dieser Frage anhand des Kohlenwasserstoffs n-Butan auf den Grund zu gehen. Die Abbildung zeigt uns die Atomkerne (4 x C und 10 x H) sowie die Bindungselektronen im n-Butan.

25. Van-der-Waals-Kräfte sind die einzigen Anziehungskräfte, die zwischen den Molekülen von Kohlenwasserstoffen wirken. Ein Kohlenwasserstoff wie n-Butan ist unpolar, da sich aufgrund des geringen EN-Unterschieds zwischen C und H die Bindungselektronen bevorzugt im mittleren Bereich zwischen den Atomkernen aufhalten und daher keine Dipole erzeugt werden.

26. Die hier in der Abbildung gezeigte Verteilung der Bindungselektronen stellt jedoch nur eine Momentaufnahme dar. Wir wissen zwar, daß sich die Bindungselektronen zwischen C und H bevorzugt im Bereich der Mitte zwischen den Atomkernen aufhalten. Das heißt aber nicht, daß sie völlig statisch immer auf ihren Plätzen bleiben. Betrachten wir in dieser kurzen Momentaufnahme einmal das mit einem Pfeil markierte Bindungselektron.

27. In einer zweiten Momentaufnahme, den winzigen Bruchteil einer Sekunde später, hat sich jenes Elektron so bewegt, daß es sich kurzfristig näher als üblicherweise am Kern des C-Atoms aufhält.

28. _ δ + δ Die Folge davon ist die extrem kurzfristige Ausbildung eines vorübergehenden Dipols zwischen dem C-Atom (das in diesem kurzen Augenblick einen leichten Überschuß an Elektronendichte hat; dies wird durch das Symbol δ– wiedergegeben) und dem H-Atom mit einem entsprechenden Defizit an Elektronendichte (was mit dem Symbol δ+ gekennzeichnet wird).

29. Molekül Nr. 1  temporärer Dipol δ– δ+ aufgrund unsymmetrischer Elektronenverteilung (δ– am C-Atom; δ+ am H-Atom) δ+ δ– δ+ δ– Molekül Nr. 2  durch Dipol Nr. 1 induzierter zweiter Dipol δ– δ+ Im ersten Molekül n-Butan (in der Abbildung oben) erzeugt eine solche kurzfristig unsymmetrische Elektronenverteilung einen temporären Dipol. In der direkt benachbarten C-H-Bindung eines zweiten Moleküls n-Butan wird unter dem Einfluß des Dipols im ersten Molekül kurzfristig ebenfalls ein Dipol induziert. Auf den elektrostatischen Wechselwirkungen solcher kurzfristigen temporären Dipole beruhen die Anziehungskräfte zwischen ansonsten völlig unpolaren Molekülen, die sogenannten van-der-Waals-Kräfte. Nur aufgrund dieser Kräfte ist bei Raumtemperatur Benzin flüssig und eine Paraffinkerze fest.