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Einführung Ketone und Aldehyde

Bei den Aldehyden und Ketonen handelt es sich um zwei Stoffklassen der organischen Chemie. Es sind organische Substanzen, da ihr Grundgerüst aus Kohlenstoffatomen besteht. Außerdem besitzen sie charakteristische funktionelle Gruppen. Diese Gruppen bestimmen maßgeblich die Eigenschaften und das Verhalten in Reaktionen dieser Stoffe.

Merkmale Ketone

Ketone besitzen die Keto-Gruppe. Dies ist ein Kohlenstoffatom, an das ein Sauerstoffatom mit einer Doppelbindung gebunden ist. $C=O$ wird als Carbonyl-Gruppe bezeichnet. Zur Keto-Gruppe wird sie erst, wenn die Carbonyl-Gruppe von zwei organischen Resten eingeschlossen ist. Die allgemeine Strukturformel von Ketonen siehst du hier.

Aldehyde und Ketone: allgemeine Strukturformel Ketone

Aus dieser allgemeinen Strukturformel kannst du erkennen, dass das kleinste Keton zwei Methyl-Gruppen $(-CH_3)$ trägt. Dieses einfachste Keton wird als Aceton bezeichnet. Mit systematischem Namen (IUPAC) heißt es aber Propan-2-on. Die Endung -on zeigt an, dass die Verbindung zu den Alkanonen bzw. den Ketonen gehört, also die Keto-Gruppe trägt.

Die Keto-Gruppe weist, aufgrund der Elektronegativitätsdifferenz zwischen dem Kohlenstoff- und dem Sauerstoffatom, eine Polarität auf. Sauerstoff zieht die Elektronen der Bindung stärker zu sich. Dadurch entsteht dort ein negativer Ladungsschwerpunkt und auf Seiten des Kohlenstoffatoms entsteht ein positiver Ladungsschwerpunkt. Die Keto-Gruppe erhöht also den polaren Charakter einer Verbindung. Aus diesem Grund sind kleine Ketone (kleine organische Reste) mit Wasser mischbar. Die Polarität bewirkt auch, dass Ketone zugänglich für nucleophile Angriffe sind.

Merkmale Aldehyde

Aldehyde sind aus den Ketonen abgeleitet. Sie besitzen ebenfalls die Carbonyl-Gruppe. Anstatt von zwei organischen Resten besitzen sie nur einen. Auf der anderen Seite des Kohlenstoffatoms befindet sich ein Wasserstoffatom. Nur beim kleinsten Vertreter der Aldehyde, dem Methanal, befinden sich auf beiden Seiten Wasserstoffatome.

Aldehyde und Ketone: allgemeine Strukturformel Aldehyde'

Die Carbonyl-Gruppe erhöht auch hier den polaren Charakter. Es kommt daher zu Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Der Siedepunkt von Aldehyden liegt aus diesem Grund höher als der der analogen Alkane.

Wasserstoffbrückenbindungen liegen allerdings nicht vor, da es kein Sauerstoff-gebundenes Wasserstoffatom innerhalb der Aldehyde gibt. Aldehyde werden systematisch als homologe Reihe der Alkanale bezeichnet. Aus diesem Grund enden Verbindungen dieser Stoffklasse mit der Endung -al.

Herstellung von Aldehyden und Ketonen

Die Herstellung beider Stoffklassen erfolgt durch die Oxidation von Alkoholen.

Aldehyde werden hergestellt durch die sogenannte milde Oxidation von primären Alkoholen. Die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms an der funktionellen Gruppe steigt von -1 im Alkohol auf +1 im Aldehyd. Wenn stärker oxidiert wird, erhöht sich die Oxidationszahl weiter auf +3 und es entsteht eine Carboxy-Gruppe.

Ketone entstehen durch die Oxidation von sekundären Alkoholen. Bei diesen Alkoholen sitzt die Hydroxy-Gruppe an einem Kohlenstoffatom, das mit zwei anderen Kohlenstoffatomen verbunden ist. Ein Beispiel für solch einen Alkohol ist iso-Propanol (Propan-2-ol, siehe Bild). Es werden zwei Wasserstoffatome abgeben und die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms steigt von 0 auf +2 an.

Aldehyde und Ketone: Struktur iso-Propanol

Fehling-Probe & Tollens-Reagenz

Aldehyde und Ketone unterscheiden sich in ihrem Reaktionsverhalten. Aldehyde können leichter oxidiert werden. Daher sind sie bessere Reduktionsmittel als Ketone. Dies macht man sich zum Nachweis von Aldehyden mit der Fehling- und der Tollens-Probe zu Nutze.

Eine Art des Nachweises ist die sogenannte Fehling-Probe. Dafür werden die beiden Lösungen Fehling I (Kupfersulfat) und Fehling II (Kalium-Natrium-Tatrat) zusammengegeben. Es entsteht ein tiefblauer Komplex aus Kupfer(II)-Ionen und Tatrat-Ionen.

Wird nun ein Aldehyd hinzugegeben und erwärmt, wird dieses zu einer Carbonsäure oxidiert. Die freigewordenen Elektronen dienen nun zur Reduktion der Kupfer(II)-Ionen zu Kupfer(I)-Ionen: $Cu^{2+} + e^- \longrightarrow~Cu^+$ Es entsteht ein charakteristischer ziegelroter Niederschlag. Dieser besteht aus dem Oxid des Kupfer(I)-Ions, $Cu_2O$.

Aldehyde und Ketone: Fehling-Probe

Die Tollens-Probe nutzt ebenfalls die reduzierende Wirkung der Aldehyde zum Nachweis. Das benutzte Reagenz ist hier ammoniakalische Silbernitrat-Lösung $(AgNO_3)$. Durch Oxidation des Aldehyds kommt es zur Reduktion der enthaltenen Silber-Ionen: $Ag^+ + e^- \longrightarrow~Ag$

Der Nachweis ist positiv wenn ein sogenannter Silberspiegel entsteht. D.h. elementares Silber setzt sich an der Reagenzglaswand ab. Deshalb wird die Tollens-Probe auch Silberspiegel-Probe genannt.

Ketone zeigen bei beiden Nachweisen keine Reaktion.

Aldehyde und Ketone: Tollens-Probe, Silberspiegel-Probe

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