Carboxylierung

Carboxylierung bezeichnet die Einführung einer Carboxylgruppe (-COOH) in ein Molekül, meist durch Reaktion mit Kohlendioxid (CO2) als C1-Quelle. Ziel ist oft die Bildung von Carbonsäuren oder deren Derivaten; die Reaktion kommt sowohl in der organischen Synthese als auch in biologischen Stoffwechselwegen vor.

In der organischen Chemie erfolgt die Carboxylierung üblicherweise durch Reaktion von Organometall-Verbindungen (zum Beispiel Grignard- oder Organolithium-Verbindungen) mit CO2, gefolgt von saurer Aufarbeitung zu Carbonsäuren. Die Kolbe–Schmitt-Reaktion ist ein historisch bedeutendes Beispiel, bei dem Phenoxide mit CO2 unter hohem Druck zu Salicylsäure carboxyliert werden. Neuere Methoden verwenden Übergangsmetall-Katalyse oder Photoredox-Systeme, um CO2 direkt in verschiedene Substrate einzubauen.

Biologisch kommt Carboxylierung in mehreren Kontexten vor. Biotin-abhängige Enzyme wie Pyruvat-Carboxylase carboxyliert Pyruvat zu Oxalacetat und dient der Anaplerose des Citratzyklus. Acetyl-CoA-Carboxylase carboxyliert Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA, einem Vorläufer der Fettsäuren. Außerdem erfolgt die Gamma-Carboxylierung von Glutamatresten in bestimmten Vitamin-K-abhängigen Proteinen (zum Beispiel Koagulationsfaktoren), die dadurch Kalzium binden können.

Bedeutung und Perspektiven: CO2 als C1-Quelle ermöglicht potenziell nachhaltige Synthesen; viele Carboxylierungsreaktionen erfordern jedoch hohe Energieaufwendungen oder spezielle Katalysatoren. Forschung zielt auf milde, effiziente Verfahren, die CO2 aus Abgasen oder der Luft nutzen und industrielle Anwendungen erweitern.