Carboxylierung

Grundbegriff und Reaktionsprinzip

Carboxylierung oder Karboxylierung ist eine chemische Reaktion, bei der eine Carboxygruppe in eine organische Verbindung eingeführt wird. Dadurch entstehen Carbonsäuren. Die umgekehrte Reaktion heißt Decarboxylierung: Dabei wird Kohlenstoffdioxid abgespalten.

Meist lässt sich die Carboxylierung als nukleophile Addition beschreiben. Ein Nukleophil, also ein elektronenreicher Reaktionspartner, greift dabei eine Kohlenstoff-Heteroatom-Mehrfachbindung an; bei der Carboxylierung ist dies eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung beziehungsweise eine Carbonylgruppe. Betrachtet man die Reaktion dagegen von der Seite des zweiten Reaktanten, kann sie auch als elektrophile Substitution eingeordnet werden.

Reaktanten und ihre Rollen

Als Carboxylierungsreagenz kann Kohlenstoffdioxid dienen. Auch Metallkomplexe wie Nickeltetracarbonyl oder Phosgen sind möglich; bei Phosgen folgt anschließend eine Hydrolyse. Gemeinsam ist diesen Reagenzien ein „positiviertes“, also elektronenarmes, Kohlenstoffatom. Dieses wird vom Nukleophil angegriffen.

Nukleophile sind elektronenreiche Verbindungen. Dazu gehören Anionen wie Acetylenide und Phenolate. Ebenso können Verbindungen mit einem Ladungsungleichgewicht als Nukleophile wirken: Dipole wie Alkylmagnesiumhalogenide, auch Grignard-Verbindungen genannt, oder polarisierte Aromaten.

Wichtige Carboxylierungen in der organischen Chemie

Acetylenide reagieren mit Kohlenstoffdioxid in Form von Trockeneis zu Alkinsäuren. Bei der Reaktion von Natriumacetylenid addiert sich das Acetylenid-Anion an den Carbonykohlenstoff. Zunächst entsteht das Natriumsalz einer Alkinsäure.

Phenolate können mit Kohlenstoffdioxid zu 2-Hydroxybenzoesäuren carboxyliert werden. Diese Reaktion heißt Kolbe-Schmitt-Reaktion. Natriumphenolat reagiert dabei basenkatalysiert mit Kohlenstoffdioxid zum Natriumsalz der Salicylsäure, also der 2-Hydroxybenzoesäure. Vom Phenol aus betrachtet wird ein Wasserstoffatom am aromatischen Ring durch eine Carboxygruppe ersetzt; dies ist eine elektrophile Substitution.

Auch Alkylmagnesiumhalogenide lassen sich bei Raumtemperatur mit Kohlenstoffdioxid zu Carbonsäuren carboxylieren. Ein Beispiel ist die Reaktion von tert-Butylmagnesiumbromid mit Kohlenstoffdioxid zu Pivalinsäure.

Carboxylierung mit Phosgen und in der Biochemie

Aromaten können im Beisein einer Lewis-Säure mit Phosgen carboxyliert werden. Aluminiumchlorid (AlCl₃) dient dabei als Katalysator. Die Reaktion verläuft über eine elektrophile Substitution und führt zunächst zu einem Carbonsäurechlorid. Dieses muss anschließend zu einer Carbonsäure und Chlorwasserstoff hydrolysiert werden.

In biochemischen Systemen ist die Übertragung von Carboxygruppen wichtig. Sie wird durch Enzyme vermittelt, die Carboxylasen oder Carboxy-Transferasen heißen. Bei der Fotosynthese fixiert das Enzym RuBisCO anorganischen Kohlenstoff in einer organischen Verbindung. Die Carboxylierung ist dabei mit einer Speicherung von Energie im entstehenden Molekül verbunden. Als weiteres Beispiel wird die Carboxylierung von Enol-Pyruvat mit Biotin als prosthetischer Gruppe genannt.