Aldehyde und Ketone - Darstellung, Erkennung, Unterscheidung

Heute im Chemieunterricht: | Darstellung und Bezeichnung. Unterscheidung von Alkanalen und Alkanonen. Die Polarisierung der CO-Gruppe.

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101. Aldehyde und Ketone - Darstellung, Erkennung, Unterscheidung

Der Weg zu den Aldehyden und Ketonen

Aldehyde

Aldehyde (von  alcoholus dehydrogenatus= „dehydrierter Alkohol“ oder „Alkohol, dem Wasserstoff entzogen wurde“) sind chemische Verbindungen mit der funktionellen Gruppe −CHO. Ein Aldehyd macht seit Jahren von sich reden: Das Formaldehyd (sprich: Form-aldehyd). 2004 stufte die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) der Weltgesundheitsorganisation WHO die Substanz als „krebserregend für den Menschen“ ein.


 
Die $\mathrm { \ \ — \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}} }$ - Gruppe ist die Aldehydgruppe
 
Die $\mathrm { {{\overset \diagdown {\ \ \underset \diagup \quad C}}} \ = \ O }$ - Gruppe ist die Carbonylgruppe

Die Carbonylgruppe (>C$=$O) der Aldehyde trägt im Unterschied zu den Ketonen einen Wasserstoff- und einen Kohlenstoffsubstituenten. Eine Ausnahme bildet der einfachste Aldehyd Methanal (Formaldehyd), der zwei Wasserstoffsubstituenten trägt. Die von den Alkanen abgeleitete Reihe der Aldehyde bildet die homologe Reihe der Alkanale.

Ketone

Ketone enthalten als  funktionelle Gruppe keine endständige Carbonylgruppe (>C$=$O). Eine Ketongruppe [C–C(O)–C] enthält drei Kohlenstoffatome, daher enthalten alle Ketone mindestens drei Kohlenstoffatome.

Ketone kann man als Oxidationsprodukte sekundärer Alkohole verstehen. Die von den Alkanen ableitbaren Ketone nennt man auch Alkanone. Das einfachste Keton ist Aceton.

 
 
Ein kleines Becherglas mit etwas Methanol (oder Ethanol) wird leicht erwärmt und in den Alkohol ein erhitztes Kupfernetz gehalten. Achte auf den Geruch!
Bild 1. Video zu den Versuchen 1 und 3.
 

Darstellung

Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole unterscheiden sich in ihrem Verhalten zu Oxidationsmitteln (Kapitel 96). In Versuch 1 wird der schwarze Belag aus Kupferoxid (CuO) auf einem Kupfernetz zu elementarem Kupfer reduziert (siehe Video). Das Reduktionsmittel ist Ethanol bzw. 2-Propanol.


Oxidation und Reduktion:
$ \mathrm { CuO \ \longrightarrow \ Cu + < O > } $
$ \mathrm { CH_3 \ – \ CH_2OH + < O > \ \longrightarrow \ CH_3 \; – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}} + H_2O } $

Redoxvorgang:

$ \mathrm { \underbrace {CuO}_{\underset {-oxid} {Kupfer}} + \underbrace {CH_3CH_2OH}_{Ethanol} \ \longrightarrow \underbrace {Cu}_{Kupfer} \ + \ \underbrace {CH_3 \; – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}}}_{Ethanal} + H_2O } $


Alkanale

 
Aldehyde (Alkanale) entstehen bei der Oxidation und durch Dehydrierung primärer Alkohole.
$\mathrm { H \ — \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}} }$ = Methanal
$\mathrm { CH_3 \ — \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}} }$ = Ethanal

Justus von Liebig bezeichnete die funktionelle Gruppe (—CHO) als Aldehydgruppe und die Verbindungen, die sie tragen, Aldehyde. Tatsächlich kann man durch Dehydrierung (Kapitel 82) eines primären Alkohols einen Aldehyd darstellen, das zeigt Versuch 2:


$ \mathrm { H \ – { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} – { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} \ – \ OH \ \longrightarrow \ H \ – { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} \; – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}} + 2 \ H }$


Der abgespaltene Wasserstoff reagiert nun mit dem Luftsauerstoff zu Wasser:


$ \mathrm { 2 \ H + \frac {1}{2} O_2 \ \longrightarrow \ H_2O }$


 
10 ml Methanol (oder Ethanol) werden zusammen mit etwas Platinasbest in einem kleinen Becherglas schwach erwärmt und ein mit fuchsinschwefliger Säure getränktes Filterpapier in die entweichenden Dämpfe gehalten.
Bild2. Video Dehydrierung von Methanol durch Platin.
 



Ethanal

(Acetaldehyd)


$ \mathrm { H \ – { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} \; – \ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! {\overset { \qquad \ \ \qquad { \Large O}} {\overset {\qquad \ \diagup \!\! \diagup } {\underset {\qquad \qquad {\Large H} } {\underset {\qquad \diagdown }C }}}} }$


$\mathrm {CH_3 \ — \ CHO}$


Propanon

(Aceton)


$ \mathrm { H \ – { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} \; – \ {\overset {\Large O} {\overset {||} C}} \; – \ { \overset {\Large H} {\overset {|} { \underset {\Large H} {\underset {|}{C}}}}} \; – \ H }$


$\mathrm {CH_3 \ — \ CO \ — \ CH_3}$


$ \mathrm { CuO + \underbrace {CH_3 – CHOH – CH_3}_{2-Propanol} \longrightarrow \ Cu + \underbrace {CH_3 – {\overset {\Large O} {\overset {||} C}} – CH_3}_{Propanon} + H_2O }$

Die Benennung der Aldehyde erfolgt durch Anfügung der Endung -al an den Namen des betreffenden Kohlenwasserstoffs. Chemisch gesehen spricht man bei Aldehyden also von Alkanalen. Die ersten Glieder dieser homologen Reihe sind:



 
 
Ein kleiner Erlenmeyerkolben mit 10 ml 2-Propanol wird schwach erwärmt und in den Alkohol ein erhitztes (oxidiertes) Kupfernetz mehrmals eingeführt. Geruchsvergleich zu Beginn und im weiteren Verlauf der Reaktion anstellen.

Alkanone

In Versuch 3 wurde der sekundäre Alkohol 2-Propanol oxidiert:


$ \mathrm { CH_3 \ – \ CHOH \ – \ CH_3 \ \longrightarrow \ CH_3 \ – \ {\overset {\Large O} {\overset {||} C}} \ – \ CH_3 + 2 \ H }$


Im Gegensatz zu den Alkanalen trägt das Oxidationsprodukt von Versuch 3 an der funktionellen C$=$O -Gruppe kein Wasserstoffatom. Diese funktionelle Gruppe nennt man Carbonylgruppe. Sie ist charakteristisch für die homologe Reihe der Alkanone, die man auch als Ketone bezeichnet. Der einfachste Vertreter dieser Stoffklasse ist das Propanon, das viele besser unter dem gebräuchlichen Namen Aceton kennen. Als Nagellackentferner hat es seine Zeit hinter sich, doch in vielen anderen Bereichen nutzt man es immer noch als Lösungsmittel. Alkanone können durch Dehydrierung sekundärer Alkohole dargestellt werden.


 
Bei der Oxidation oder Dehydrierung sekundärer Alkohole entstehen Ketone
 
Ketone (Alkanone) tragen die Carbonylgruppe. Der einfachste Vertreter ist das Propanon (Aceton)
 
Die Schiffsche Probe ist eine Reaktion der fuchsinschwefligen Säure, die sich mit Alkanalen rot färbt

Unterscheidung von Alkanalen und Alkanonen

 
Formuliere die Bildung von Methanal als Dehydrierung von Metanol und als Oxidation des Metanols mit Kupferoxid.

Zur Unterscheidung von Alkanalen und Alkanonen führt man die so genannte »Schiffsche Probe« durch (Versuch 5). Dabei wird die farblose fuchsinschweflige Säure (Schiffsches Reagenz) durch Spuren von Alkanalen rosa bis violett gefärbt. Die Schiffsche Probe verläuft bei Alkanonen (beispielsweise mit Propanon) negativ.


 
Zu je einem Reagenzglas mit Formalin (=Formaldehyd), verd. Ethanallösung und Aceton gibt man ein paar Tropfen fuchsinschweflige Säure (Schiffsches Reagenz) und beobachtet die Farbreaktion.
 

Die Polarisierung der CO-Gruppe

Polarisierung der CO-Gruppe
 
Bild 4. Die CO-Gruppe in Alkanalen und Alkanonen ist polarisiert
 
Formalin ist die 30 - 40 %ige wässrige Lösung von Methanal

Sowohl Alkanale als auch Alkanone besitzen besitzen die CO -Gruppe, wodurch beide Stoffarten zahlreiche gemeinsame Eigenschaften besitzen. Beispielsweise lösen sich die niederen Vertreter beider homologer Reihen gut in Wasser. Eine 30-40%ige Lösung von Methanal in Wasser ist als »Formalin« bekannt, das als starkesReduktionsmittel früher zur Keimabtötung verwendet wurde (Formalintabletten). Wie das Wasser sind beide Verbindungsklassen polare Verbindungen.

In der Doppelbindung C$=$O zieht nämlich das Sauerstoffatom die Elektronen stärker an als das Kohlenstoffatom. Dieses erhält dadurch eine positive Teilladung, das Sauerstoffatom eine negative. Die Moleküle der Alkanale und Alkanone sind daher Dipol-Moleküle.