1 · OH⁻ greift das Carbonyl-C an
Im basenkatalysierten Weg bildet OH⁻ eine C–O-Bindung. Gleichzeitig wandert das π-Elektronenpaar der ursprünglichen C=O-Bindung zu deren O-Atom.
Chemie · Klasse 11–13 · Organische Reaktionen
Nucleophile Addition an Carbonylgruppen
Wie reagieren Aldehyde und Ketone mit Nucleophilen? Erkenne die Angriffsstelle an C=O und verfolge die Bildung von Hydraten und Halbacetalen.
C=O → C(OH)(Nu)
Elektronenpaarspende · Addition · Protonenübertragung
Die polare C=O-Gruppe nimmt ein Nucleophil auf
Aldehyde und Ketone besitzen eine Carbonylgruppe C=O. Weil Sauerstoff elektronegativer ist, trägt O eine negative und C eine positive Teilladung. Das Carbonyl-C ist deshalb eine Angriffsstelle für Nucleophile.
Ein Nucleophil stellt ein Elektronenpaar für eine neue Bindung zum C bereit. Gleichzeitig wird das π-Elektronenpaar der C=O-Bindung auf O verschoben. Aus C=O wird zunächst C–O⁻: eine nucleophile Addition.
R–C(=O)–R′ + Nu⁻ → R–C(O⁻)(Nu)–R′
R und R′ stehen für Reste; bei einem Aldehyd ist mindestens einer davon H. Vertiefe die Grundlagen unter Aldehyde und Ketone.
Beispiel Hydratisierung: Wasser wird an Ethanal addiert
CH₃–CHO + H₂O ⇌ CH₃–CH(OH)₂
Das Produkt ist ein geminales Diol: Beide OH-Gruppen sitzen am selben C-Atom. Es wird auch Carbonylhydrat genannt. Die Reaktion ist umkehrbar. Der Anteil des Hydrats hängt vom Carbonylstoff und den Bedingungen ab.
2 · Das O⁻ nimmt ein Proton auf
Die Zwischenstufe nimmt von H₂O ein Proton auf. Aus O⁻ wird OH; OH⁻ wird zurückgebildet. Die Base wirkt als Katalysator.
CH₃–CHO + OH⁻ ⇌ CH₃–CH(OH)–O⁻
CH₃–CH(OH)–O⁻ + H₂O ⇌ CH₃–CH(OH)₂ + OH⁻
Beim Addieren der Teilschritte fällt OH⁻ aus der Bilanz heraus. Netto wird Wasser addiert, nicht Hydroxid dauerhaft verbraucht.
Zwei Elektronenpaarpfeile müssen zusammenpassen
Der erste Pfeil beginnt am freien Elektronenpaar des Nucleophils und endet am C. Der zweite beginnt an der π-Bindung und endet am O. Ohne den zweiten Pfeil würde man dem Kohlenstoff im Produkt zu viele Bindungen geben.
Das ursprüngliche Carbonyl-C ist trigonal-planar. Nach der Addition besitzt es vier Einfachbindungen und ist näherungsweise tetraedrisch. Die ebenen Strukturformeln zeigen die Verknüpfung, nicht alle Raumwinkel.
Carbonyl-Labor: Vom Aldehyd zum Hydrat
Verfolge die basenkatalysierte Hydratisierung von Ethanal. Die neue OH-Gruppe ist grün hervorgehoben.
Ethanal: C=O ist polar
Das Carbonyl-C ist elektrophil. OH⁻ kann eine neue Bindung zu diesem C bilden.
Warum Aldehyde häufig leichter reagieren als Ketone
Elektronischer Einfluss
Alkylgruppen können Elektronendichte zum Carbonyl-C schieben und seine Elektrophilie verringern. Ketone tragen zwei C-Reste, Aldehyde nur einen oder keinen.
Räumlicher Einfluss
Zwei organische Reste können den Angriff stärker behindern als ein Rest und ein H-Atom. Die Zugänglichkeit der Carbonylgruppe spielt deshalb ebenfalls eine Rolle.
Für vergleichbare einfache Verbindungen sind Aldehyde daher oft additionsreaktiver als Ketone. Das ist eine Tendenz: Elektronenentziehende Gruppen und weitere Struktureffekte können sie verändern.
Addition eines Alkohols: Ein Halbacetal entsteht
CH₃–CHO + HO–CH₃ ⇌ CH₃–CH(OH)–O–CH₃
Statt Wasser kann ein Alkohol addiert werden. Ethanal und Methanol ergeben formal ein Halbacetal. Am ehemaligen Carbonyl-C sitzen nun eine OH-Gruppe und eine OR-Gruppe. Bei diesem Additionsschritt wird kein Wasser abgespalten.
Hydrat
Zwei OH-Gruppen am ehemaligen Carbonyl-C: R–CH(OH)₂.
Halbacetal
Eine OH- und eine OR-Gruppe am ehemaligen Carbonyl-C: R–CH(OH)–OR′.
Unter Säurekatalyse kann ein Halbacetal mit weiterem Alkohol zum Acetal reagieren. Dabei entsteht Wasser. Diese Folgereaktion ist nicht mehr nur der ursprüngliche Additionsschritt. Bei Glucose kann eine eigene OH-Gruppe intramolekular ein cyclisches Halbacetal bilden.
Anschluss: Ringbildung bei Kohlenhydraten. Säurekatalysierte Wege beginnen häufig mit Protonierung des Carbonyl-O; ein ungeladenes Nucleophil greift dann leichter an.
Addition an C=O ist keine Sₙ2-Substitution
Carbonyladdition
Eine neue Bindung entsteht am trigonal-planaren Carbonyl-C, während die π-Bindung reagiert. Beim Aldehyd oder Keton wird im einfachen Additionsschritt keine Abgangsgruppe ersetzt.
Nucleophile Substitution
Das Nucleophil ersetzt eine Abgangsgruppe, beispielsweise Br an einem gesättigten C-Atom. Der Bindungsaustausch folgt einem anderen Mechanismus.
Carbonsäurederivate wie Ester können nach einem nucleophilen Angriff eine Abgangsgruppe abspalten. Das ist eine nucleophile Acylsubstitution und darf nicht mit der reinen Addition an Aldehyde und Ketone gleichgesetzt werden.
Acht Aufgaben: erst selbst lösen, dann vergleichen
1 · Welche Teilladungen besitzt C=O?
Tipp anzeigen
O ist elektronegativer als C.
Lösung anzeigen
Das C trägt δ+, das O δ−. Das Carbonyl-C ist das elektrophile Zentrum.
2 · Wohin wandert das π-Elektronenpaar beim Angriff?
Tipp anzeigen
C darf nicht fünf vollständige Bindungen bekommen.
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Zum ursprünglichen Carbonyl-O. Es entsteht eine C–O-Einfachbindung und bei Angriff eines anionischen Nucleophils zunächst ein O⁻.
3 · Zeichne das Hydrat von Ethanal.
Tipp anzeigen
Beide OH-Gruppen sitzen am ehemaligen Carbonyl-C.
Lösung anzeigen
CH₃–CH(OH)₂. Das C trägt CH₃, H und zwei OH-Gruppen.
4 · Welche Funktion hat OH⁻ im dargestellten Hydratisierungsweg?
Tipp anzeigen
Addiere beide Teilschritte.
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OH⁻ wird beim Angriff eingesetzt und bei der Protonenübertragung zurückgebildet. Es katalysiert die Reaktion; netto wird H₂O addiert.
5 · Wie ändert sich die Geometrie am Carbonyl-C?
Tipp anzeigen
Zähle Bindungsrichtungen vor und nach der Addition.
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Von trigonal-planar mit drei Bindungsrichtungen zu näherungsweise tetraedrisch mit vier Einfachbindungen.
6 · Unterscheide Hydrat und Halbacetal.
Tipp anzeigen
Prüfe die zwei O-haltigen Gruppen am selben C.
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Hydrat: zwei OH. Halbacetal: eine OH und eine OR. Ein Acetal hat zwei OR und keine OH an diesem C.
7 · Warum wird beim Halbacetal-Aufbau kein Wasser abgespalten?
Tipp anzeigen
Prüfe die Gesamtgleichung mit einem Alkoholmolekül.
Lösung anzeigen
Alle Atome von Carbonylverbindung und Alkohol bleiben im Halbacetal enthalten. Erst die weitere Acetalbildung mit zusätzlichem Alkohol setzt Wasser frei.
8 · 0,20 mol Ethanal, davon im Modell 25 % hydratisiert: Bestimme Hydrat und verbleibendes Ethanal.
Tipp anzeigen
Beide Formen enthalten pro Molekül einen Ethanal-Baustein.
Lösung anzeigen
n(Hydrat) = 0,25 · 0,20 = 0,050 mol; n(Ethanal) = 0,150 mol. Die 25 % sind eine Aufgabenvorgabe, keine allgemeine Gleichgewichtskonstante.
Kurzer Begriffscheck
Welche Gruppe kennzeichnet ein Halbacetal am ehemaligen Carbonyl-C?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Bindungen und Ladungen nachverfolgen
Einstieg: Die C=O-Gruppe polarisieren und die Angriffsstelle markieren.
Partnerarbeit: In jeder Laboransicht vier Bindungen am reagierenden C und die Ladungen kontrollieren.
Sicherung: Hydrat, Halbacetal und Acetal anhand ihrer Struktur unterscheiden und den Bezug zur Zuckerringbildung herstellen.
Kostenlose Materialien zum Weiterüben
Aldehyde und Ketone unterscheiden – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Grundlagen: Carbonylgruppen erkennen und Aldehyde von Ketonen unterscheiden.
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Aldehyde & Ketone – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Ergänzende Grundlagenübungen zu Aldehyden und Ketonen; kein spezielles Additions-Arbeitsblatt.
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Organische Reaktionsmechanismen intensiv I – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Vertiefung: Nucleophile, Elektrophile und Elektronenpaarpfeile bei organischen Mechanismen.
Kostenlos · PDF · mit Lösungen
Material ansehen und herunterladenFachlich weiterführend: OpenStax · Organic Chemistry