Carbonsäuren enthalten als funktionelle Gruppe eine oder mehrere Carboxylgruppen. Formal ist eine Carboxylgruppe die Kombination einer Carbonylgruppe mit einer Hydroxylgruppe. Carbonsäuren haben daher die Formel R-COOH. Infolge der Wechselwirkung zwischen der C=O-Gruppe und der OH-Gruppe haben Carbonsäuren besondere Eigenschaften.

Carbonsäuren, in denen der Rest R ein Wasserstoffatom oder ein Alkylrest ist, bezeichnet man als Alkansäuren. Diese bilden eine homologe Reihe der Summenformel C_nH_2n+1COOH. Die Benennung der Alkansäuren erfolgt nach IUPAC durch Anhängen der Endung -säure an den Namen des Stammkohlenwasserstoffs. Für viele Carbonsäuren verwendet man bevorzugt Trivialnamen.

Die Eigenschaften der Alkansäuren werden von ihrer polaren Carboxylgruppe und ihrem unpolaren Alkylrest bestimmt. Alkansäuren mit 1 bis 4 C-Atomen sind mit Wasser unter Ausbildung von Wasserstoffbrücken mischbar. Höhere Alkansäuren sind dagegen nicht wasserlöslich, weil mit steigender Länge des unpolaren Alkylrestes die VAN-DER-WAALS-Bindungen zwischen den Carbonsäuremolekülen im Vergleich zur Wechselwirkung der Carboxylgruppen mit dem Wasser zunehmen.

In unpolaren Lösungsmitteln lösen sich alle Alkansäuren. Langkettige Alkansäuren, die wegen ihres Vorkommens in Fetten auch als Fettsäuren bezeichnet werden, lösen sich auf Grund der VAN-DER-WAALS-Bindungen zwischen den Alkylresten und den Molekülen des Lösungsmittels. Die Löslichkeit der niederen Alkansäuren läßt sich dadurch erklären, daß diese in unpolaren Flüssigkeiten als Doppelmoleküle vorliegen. Dabei bilden die beiden Carboxylgruppen untereinander zwei sehr stabile Wasserstoffbrücken aus, als Ganzes sind die Doppelmoleküle dann praktisch unpolar. Solche dimeren Moleküle (Abbildung 1) liegen auch in festen Alkansäuren und im Dampfzustand vor.

Die einfachste Alkansäure ist Ameisensäure oder Methansäure (HCOOH). Auf Grund ihrer Struktur kann sie als Carbonsäure und als Aldehyd reagieren und unterscheidet sich daher auffällig von allen anderen Alkansäuren. So wird Ameisensäure beispielsweise durch Oxidationsmittel wie Kaliumpermanganat zu Kohlensäure oxidiert, die dann in Kohlenstoffdioxid und Wasser zerfällt. Beim Erhitzen mit konzentrierter Schwefelsäure erfolgt eine Dehydratisierung unter Bildung von Kohlenstoffmonooxid.

Essigsäure

Bei der Oxidation primärer Alkohole entstehen Aldehyde, die zu Carbonsäuren mit der gleichen Anzahl Kohlenstoffatome weiteroxidiert werden können. Die Oxidation von Ethanol über Acetaldehyd zu Essigsäure (Ethansäure, (CH₃COOH) wird durch Essigbakterien enzymatisch katalysiert. Speiseessig enthält Essigsäure zu einem Massenanteil von etwa 5%. Für technische Zwecke wird Essigsäure aus Ethen hergestellt.

Essigsäure ist wie Ameisensäure eine stechend riechende, ätzende Flüssigkeit. Sie erstarrt bei 16,6°C zu einem eisartigen Feststoff und wird daher auch als Eisessig bezeichnet. Die Salze der Essigsäure, die Acetate, sind leicht wasserlöslich.

Acidität

Carbonsäuren sind BRÖNSTED-Säuren. Bei der Protolyse entsteht unter Abgabe des Protons der Carboxylgruppe als korrespondierende Base das Carboxylation (R-COO^-). Obwohl die Säurekonstanten der Carbonsäuren um mehr als 10¹¹ mal größer sind, als die Säurekonstanten der Alkohole, ist ihre Acidität im Vergleich zu anorganischen Mineralsäuren gering. So sind beispielsweise in einer wäßrigen Lösung von Essigsäure der Konzentration 0,1 mol·L^-1 nur etwa 1% der Essigsäuremoleküle protolysiert.

Ungesättigte Carbonsäuren

Dicarbonsäuren

Alkandisäuren enthalten im Molekül zwei Carboxylgruppen. Aufgrund zwischenmolekularer Wasserstoffbrücken sind alle Alkandisäuren bei Raumtemperatur fest. Dabei ist die Gitterstruktur bei Säuren mit gerader Anzahl der Kohlenstoffatome im Molekül stabiler. Solche Alkansäuren haben daher eine höhere Schmelztemperatur und eine geringere Wasserlöslichkeit als Verbindungen mit ungerader Anzahl Kohlenstoffatome.

Oxalsäure

Die einfachste Alkandisäure, die Oxalsäure, leitet sich vom Ethan ab und wird daher nach IUPAC als Ethandisäure bezeichnet. Als zweiprotonige Säure bildet sie zwei Reihen von Salzen, die Hydrogenoxalate und die Oxalate. Bei Stoffwechselstörungen kann sich schwerlösliches Calciumoxalat als Nierenstein oder Blasenstein absetzen. Auf der Bildung von Calciumoxalat beruht auch die Giftigkeit der Oxalsäure. Bereits 5 g Oxalsäure stören den Calciumstoffwechsel eines Menschen so sehr, daß der Tod eintreten kann.

Weitere in der Natur vorkommende Alkandisäuren sind die Malonsäure und die Bernsteinsäure. Adipinsäure (Hexandisäure) ist ein wichtiger Ausgangsstoff für die Herstellung von Polyamidfasern.

Acidität

Die Acidität von Alkandisäuren ist auf Grund des -I-Effektes der zweiten Carboxylgruppe größer als bei Alkansäuren. Mit steigender Kettenlänge nimmt die elektronenziehende Wirkung und damit die Acidität ab. Die erhöhte Säurestärke gilt nur für eine Carboxylgruppe, die zweite reagiert weniger stark sauer als Alkansäuren, weil die bereits vorhandene Carboxylatgruppe einen -I-Effekt ausübt.

Vom 2-Buten leiten sich zwei cis-trans-isomere Dicarbonsäuren ab: die cis-Butendisäure (Maleinsäure) und die trans-Butendisäure (Fumarsäure). Auf Grund der C=C-Doppelbindung sind beide stärkere Säuren als Bernsteinsäure. Dabei ist jedoch die Acidität der Maleinsäure auffallend hoch. Dies wird durch das bei der Protolyse gebildete Hydrogenmaleation erklärt, das durch eine intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung besonders stabil ist. Diese Wasserstoffbrücke bedingt auch die geringe Acidität der zweiten Carboxylgruppe.

Aromatische Dicarbonsäuren

Von den drei stellungsisomeren Benzoldicarbonsäuren haben die Phthalsäure (Benzol-1,2-dicarbonsäure) und die Terephthalsäure (Benzol- 1,4-dicarbonsäure) technische Bedeutung. Phthalsäure reagiert beim Erhitzen leicht unter Wasserabspaltung zu Phthalsäureanhydrid, das in großem Umfang zur Synthese von Phthaleinfarbstoffen und zur Gewinnung von Kunstharzen verwendet wird. Aus Terephthalsäure werden Polyesterfasern hergestellt.

Auf Grund des +M-Effektes der OH-Gruppe ist die Carbonylaktivität der Carbonsäuren gering, so daß sich das Gleichgewicht der Veresterung bei Raumtemperatur erst nach Tagen einstellt. Starke Säuren katalysieren die Veresterung. Dies beruht auf der Bildung eines Carbeniumions, das durch Protonierung des Sauerstoffatoms der Carbonylgruppe entsteht. Gibt man beispielsweise zu einem Gemisch von Essigsäure und Ethanol verdünnte Schwefelsäure, so wird das Carbonyl-C-Atom leicht von einem Ethanolmolekül nucleophil angegriffen. Bei dieser Additionsreaktion entsteht eine C-O-Bindung, die man als Esterbindung bezeichnet. Das mit dem Sauerstoffatom der Esterbindung verbundene H-Atom wird nun in einer Gleichgewichtsreaktion als Proton auf ein anderes Sauerstoffatom des Moleküls übertragen. Unter Eliminierung von Wasser entsteht dann ein neues Carbeniumion, das durch Protolyse unter Rückbildung der C=O-Bindung zu Essigsäureethylester reagiert.

Um bei der Veresterung von Alkoholen mit Carbonsäuren eine hohe Ausbeute zu erhalten, muß das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte verschoben werden. Dies geschieht zunächst dadurch, daß ein Edukt, meistens der Alkohol, im Überschuß eingesetzt wird. Zusätzlich wird durch Entzug des bei der Veresterung gebildeten Wassers das Gleichgewicht auf die Seite des Esters verschoben. Das Wasser kann beispielsweise durch die als Katalysator zugesetzte konzentrierte Schwefelsäure gebunden werden.

Nach IUPAC wird die Bezeichnung eines Esters aus dem Namen der Carbonsäure, dem Restnamen des Alkohols und der Endung -ester gebildet. Obwohl Ester keine Salze sondern Molekülverbindungen sind, können sie auch nach dem Restnamen des Alkohols und dem Namen der Salze der Carbonsäure benannt werden. Die Bezeichnungen Essigsäureethylester und Ethylacetat sind daher gleichbedeutend. Carbonsäureester sind wichtige Lösungsmittel. Viele Ester niedriger Carbonsäuren haben einen angenehmen Geruch und werden auch als Fruchtaroma verwendet.