Aldehyde und Ketone-Reaktionen

Aldehyde und Ketone haben beide eine Carbonylgruppe. Eine Carbonylgruppe besteht aus einem Sauerstoffatom, das über eine Doppelbildung mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist. Je nachdem, an welcher Stelle der Kohlenstoffkette die Carbonylgruppe an einem organischen Molekül steht, wird von einer Aldehydgruppe oder einer Ketogruppe gesprochen. Die Ketogruppe befindet sich dabei innerhalb eines Moleküls und die Aldehydgruppe steht am Ende der Kohlenstoffkette. Aldehyde erkennst Du an der Endung -al und Ketone an der Endung -on. Zum Beispiel Propanal und Butanon. Allerdings existieren für viele Aldehyde auch Trivialnamen, wie Acetyldehyd für Ethanal.

Wird ein primärer Alkohol oxidiert, entsteht ein Aldehyd.
Wird ein sekundärer Alkohol oxidiert, entsteht ein Keton.

Nukleophile Addition

Der Nukleophile Angriff beschreibt einen Reaktionsmechanismus in der organischen Chemie, bei dem ein Nukleophil eine Mehrfachbindung angreift und sich damit zu dieser hinzufügt (addiert), weshalb auch von einer nukleophilen Addition gesprochen wird. Ein Nukleophil wäre zum Beispiel eine Lewis-Base. Bei Aldehyden kann das partiell positiv geladene Kohlenstoffatom von Nukleophilen angegriffen werden. Das Nukleophil greift dabei am partiel positiv geladenen Atom der Mehrfachbindung an, die Bindungselektronen klappen zum andern Bindungspartner über und dort adiert ein anderes Atom. (zum Beispiel Wasserstoff)

Die Bildung von Halbacetalen wird durch eine nukleophile Addition von Aldehyden mit Alkoholen in saurer Lösung ermöglicht.
Ist mehr Alkohol als benötigt vorhanden, kann das Halbacetal zu einem Acetal weiter reagieren.

Chemie; Von den Alkoholen bis zu den Estern; 3. Gymi; Aldehyde und Ketone-Reaktionen

Oxidation und Reduktion

Bei der Redoxreaktion von Ethanol zu Ethanal weisen die Aldehydmoleküle zwei Wasserstoffatome weniger auf als die Alkoholmoleküle.

Acetalisierung

Das untere Bild zeigt die Reaktion der Acetalisierung von einem Aldehyd. Grundsätzlich können sowohl Keton als auch Aldehyd acetalisiert werden. Es handelt sich dabei um einen nukleophilen Angriff eines Alkohols auf den Carbonyl-Kohlenstoff. Dabei entsteht ein Halbacetal. Findet der Angriff ein zweites Mal statt, entsteht unter Wasserabspaltung ein Acetal. Die Acetalisierung ist säurekatalysiert.

Chemie; Von den Alkoholen bis zu den Estern; 3. Gymi; Aldehyde und Ketone-Reaktionen

A. Aldehyd, B. Alkohol, C. Halbacetal, D. Acetal, 1. Nukleophiler Angriff, 2. Protonierung, 3. Nukleophiler Angriff

Aldehyde können ausserdem weiter zu Carbonsäure oxidiert werden, welche als funktionelle Gruppe die Carboxygruppe (COOH) hat. Ein Fehlingreagenz wäre ein mögliches Oxidationsmittel. Die Reaktion findet dabei an der Aldehydgruppe statt: Es wird ein Sauerstoffatom in die C-H-Bindung der Aldehydgruppe hinzugefügt. Ketone können dagegen nicht bzw. nur unter sehr heftigen Bedingungen zu Carbonsäuren oxidiert werden, da die Ketogruppe über kein reaktives Wasserstoffatom verfügt.

$Primärer \, Alkohol \, \overset{Oxidation}{\to} \, Aldehyd\, \overset{Oxidation}{\to} \, Carbonsäure$

Nachweis von Aldehyden

Um Aldehyde nachzuweisen, kannst Du Dir die reduzierende Eigenschaft der Aldehydgruppe zunutze machen und schauen, ob sie zu einer Carboxygruppe oxidiert. Ein sehr beliebter Test ist die Fehlingprobe, in der das Aldehyd durch $Cu^{2+}$ -Ionen in einer alkalischen Lösung oxidiert.

Vorgehen:

Du benötigst das Fehling Reagenz, das sich aus zwei Lösungen zusammensetzt, der Fehling I (verdünnte Kupfersulfatlösung) und der Fehling II (alkalische Lösung des Salzes Natriumkaliumtartrat).

Du mischst beide Lösungen im gleichen Volumenverhältnis und gibst als Base Natriumhydroxid hinzu, wodurch ein ausreichend grosser Teil an Kupferionen gelöst ist und die entstehende Lösung eine dunkelblaue Farbe annimmt.

Es lief dafür folgende Reaktion ab:

$2C_4H_4O_6^{2-} \, + \, Cu^{2+} \, + \, 2OH^- \to \,[Cu(C_4H_3O_6)_2]^{4-} \, + \, 2H_2O$

Nachweisreaktion durchführen: Die Fehlingreaktion ist eine Redoxreaktion, bei der die Aldehydgruppe oxidiert und die Kupferionen reduziert werden.

Oxidation: Im Basischen reagiert das Aldehyd zu einer Carbonsäure:

$R-CHO\, + \,2OH^- \, \to \, R - COOH \, + \, 2H_2O \ + \ 2e^-$

Reduktion: Kupfer(II)ionen reagieren mit Hydroxidionen zu Kupfer(I)hydroxid:

$2Cu^{2+} \, + \, 2e^- \, + \, 2OH^-\to \, 2CuOH$

Als Gesamtreaktion ergibt sich dann folgendes:

$2Cu^{2+}+R-CHO+4OH^- \to 2CuOH+R-COOH+2H_2O$

Nach dieser Reaktion dehydratisiert das gelbe Kupferhydroxid und es entsteht Kupferoxid mit rotbraunem Niederschlag. Durch diese Farbänderung kannst Du dann nachweisen, dass eine Aldehydgruppe vorhanden ist: $2CuOH \to Cu_2O \downarrow + H_2O$

Als Letztes reagieren noch die Hydroxidionen in folgender Säure-Base-Reaktion:

$R-COOH+OH^- \to R-COO^-+H_2O$

Eigenschaften

Siedepunkt

Die Stoffeigenschaften der Aldehyde werden vor allem durch die Aldehydgruppe bestimmt. Der Siedepunkt von Aldehyden ist höher als der von Alkanen gleicher molarer Masse, weil in Aldehyden die stärkeren Dipol-Dipol-Kräfte vorkommen und in den Alkanen die schwächeren Van-der-Waals-Kräfte. Der Siedepunkt von Alkohol ist dagegen höher als der von Aldehyden gleicher molarer Masse, da Alkohole Wasserstoffbrücken zwischen den Alkoholmolekülen haben, die stärker als die Dipol-Dipol-Kräfte sind.

Löslichkeit in Wasser

Wenn Du Aldehyde in Wasser löst, bilden sich Wasserstoffbrücken zwischen dem Sauerstoffatom, der Carbonylgruppe und den Wassermolekülen. Kurzkettige Aldehyde sind gut in Wasser löslich und je länger sie werden, desto mehr nimmt die Wasserlöslichkeit ab.

Name nach IUPAC	Trivialname	Löslichkeit in Wasser
Methanal	Formaldehyd	gut löslich
Ethanal	Acetaldehyd	gut löslich
Propanal	Propionaldehyd	67,9 g / 100 g Wasser