Aceton (Expertenwissen)

Aceton (Expertenwissen) Übung

• Gib die Eigenschaften von Aceton und n-Hexan an.

  Tipps

  Verschüttetes Aceton ist schnell verdunstet.

  Das Acetonmolekül hat eine gewisse Starrheit. Dadurch können sich die Teilchen in der Flüssigkeit relativ systematisch anordnen.

  Die Polarität einer Verbindung wird durch unterschiedliche Elektronegativitäten der an den Molekülen beteiligten chemischen Elemente bestimmt.

  Unpolare Verbindungen sind mit Wasser nicht mischbar.

  Lösung

  Aceton und n-Hexan sind sehr häufig verwendete Lösungsmittel mit unterschiedlichen Eigenschaften. Der wichtigste Unterschied ist, dass sie unterschiedliche Substanzen gut auflösen können.

  Aceton ist polar, hat eine Dichte von ${\rho}=\:0,79\:\frac{g}{cm^{3}}$, ein Dipolmoment von ${\mu}=\:3,6\:D$ und siedet relativ niedrig bei 56 °C. Es spricht für seine häufige Verwendung, dass es in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar ist, aber auch viele andere nicht polare Verbindungen lösen sich in Aceton. Es ist heute noch häufig in Nagellackentfernern enthalten. Als Acetonersatz wird heute jedoch sehr oft Iso-Propanol verwendet.

  Der größte Vorteil ist, dass sich auch n-Hexan in Aceton löst.

  Dieses zweite wichtige Lösungsmittel ist völlig unpolar, hat eine Dichte von ${\rho}=\:0,66\:\frac{g}{cm^{3}}$, ein Dipolmoment von ${\mu}=\:0,0\:D$ und siedet etwas höher bei 69 °C. Es ist praktisch nicht mischbar mit Wasser, löst jedoch die meisten polaren Verbindungen. n-Hexan findet sich hauptsächlich im Benzin.

  Das Dipolmoment gibt an, wie stark die Ausprägung der Polarität im Molekül ist. Je höher diese Zahl ist, desto ausgeprägter ist die Polarität. Das Formelzeichen für das Dipolmoment ist das $\mu$.

  Für die Ganzgenauen: Natürlich ist die Einheit Debye (D) für das Dipolmoment veraltet und keine SI-Einheit. Es lässt sich aber bequem damit arbeiten.

• Beschreibe das Acetonmolekül.

  Tipps

  In der natürlichen Konformation liegen die Kohlenstoffketten mit jeweils einem Wasserstoffatom in einer Ebene.

  Ist es auf natürliche Weise möglich, dass beide Äste des Acetonmoleküls in dieselbe Richtung zeigen?

  Oder einmal so gefragt: Zeigen die Handflächen eines gesunden Menschen in dieselbe Richtung?

  Die Substituenten können zusammen mit einem Kohlenstoffatom niemals in einer Ebene liegen.

  Lösung

  Man kann nun natürlich streiten, ob man Atome als Punkte betrachten darf. Tatsache ist, dass eben unter dieser Annahme das Acetonmolekül als dreidimensional anzusehen ist. Man kann sich leicht davon überzeugen, dass das Acetonmolekül drei Symmetrieebenen aufweist.

  Interessant ist, dass die Symmetrieeigenschaft noch zu keiner Eindeutigkeit in der Struktur führt. Sie wird es aber, wenn wir sagen, dass H-C-C-C-H eine Zickzack-Konformation aufweist.

  Und das Sauerstoffatom? Nun ja, das ist wie in jeder guten Ehe oder Ebene: Wenigstens einer muss sich anpassen.

• Erstelle ein Reaktionsschema für die Herstellung von Aceton.

  Tipps

  Vergewissert euch, welches substituierte Benzol für die Synthese von Aceton genutzt wird.

  Macht euch klar, welche Bausteine für die Herstellung des substituierten Benzols verwendet werden.

  Der erste Schritt ist eine so genannte Friedel-Crafts-Alkylierung.

  Im Regelfall bilden organische Verbindungen keine Oxide.

  Das Zwischenprodukt kann zum Beispiel durch Schwefelsäure zersetzt werden.

  Lösung

  1. Elektrophile Substitution

  Propen reagiert mit Benzol. Es bildet sich kein Propylbenzol, sondern das isomere Isopropylbenzol (Cumol). Der Grund dafür ist die größere Stabilität des Isopropyl-Ions im Vergleich zum n-Propyl-Ion.

  Ein typischer Katalysator ist der Friedel-Crafts-Katalysator, die Lewis-Säure Aluminiumchlorid.

  Benzol + Propen $\:\longrightarrow\:$ Cumol

  Katalysator: Aluminiumchlorid

  2. Oxidation

  Natürlich könnte Cumol vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren. Diese Reaktion hat aber keinen Nutzen für die Herstellung von Aceton.

  Die vorsichtige Oxidation führt zum Hydroperoxid des Cumols.

  Übrigens: Von Oxiden spricht man nur dann, wenn es sich um Epoxide wie Ethylenoxid handelt.

  Cumol + Sauerstoff $\:\longrightarrow\:$ Cumolhydroperoxid

  3. Zersetzung

  Cumolhydroperoxid wird effektiv durch starke Säuren zersetzt. Neben Aceton entsteht Phenol.

  Cumolhydroperoxid $\:\longrightarrow\:$ Phenol + Aceton

  Katalysator: starke Säure

• Gib die Neigung zur Deprotonierung an.

  Tipps

  Halogenatome ziehen Elektronen an.

  Je weiter Halogenatome vom sauren Wasserstoffatom entfernt sind, um so weniger wird der Hang des Moleküls zur Deprotonierung verstärkt.

  Das Phenolat-Ion ist mesomeriestabilisiert.

  Lösung

  Den stärksten Hang zur Deprotonierung hat Dichloressigsäure. Zwei Chloratome in direkter Nachbarschaft zur sauren Carboxygruppe sind die Ursache dafür.

  Anschließend kommen die $C_4\:$-Säuren. 3-Chlorbutansäure gibt am leichtesten das Proton ab, 4-Chlorbutansäure zeigt eine schwächere Neigung zur Deprotonierung, da das elektronenziehende Chloratom weiter vom sauren Wasserstoffatom entfernt ist.

  Darauf folgt Phenol. Die Fähigkeit des Moleküls zur Deprotonierung wird hier durch die Mesomerie des Anions (Phenolat-Ions) hervorgerufen.

  Das Schlusslicht ist Aceton. Die normalerweise schwache C-H-Acidität ist das Ergebnis der elektronenziehenden Wirkung der Carbonylgruppe.

  Lösung:

  • Dichloressigsäure $\:CHCl_2-COOH$

  • Chloressigsäure $\:CH_2Cl-COOH$

  • 3-Chlorbutansäure $\:CH_3-CHCl-CH_2-COOH$

  • 4-Chlorbutansäure $\:CH_2Cl-CH_2-CH_2-COOH$

  • Phenol $\:C_6H_5-OH$

  • Aceton $\:CH_3-CO-CH_3$

• Beschreibe das Acetonmolekül korrekt.

  Tipps

  Wie der Name sagt, bestehen Kohlenwasserstoffe ausschließlich aus den chemischen Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. n-Hexan und Benzol sind typische Beispiele.

  Aceton enthält eine typische funktionelle Gruppe. Für diese Gruppe gibt es verschiedene Namen.

  Ketone und Aldehyde sind verschiedene Verbindungsklassen.

  Bis auf die Verbindungen, die aus sehr kleinen Molekülen bestehen, besitzen alle organischen Verbindungen Isomere.

  Lösung

  Aceton ist kein einfacher Kohlenwasserstoff. Das erkennt man daran, dass das Acetonmolekül eine funktionelle Gruppe enthält. Es handelt sich dabei um die Carbonylgruppe C=O.

  Aceton ist jedoch kein Aldehyd. Sowohl Aldehyde als auch Ketone weisen an ihren Molekülen jeweils eine Carbonylgruppe auf. Während die Ketone dabei zwei organische Reste besitzen, befindet sich bei den Aldehyden am Carbonyl-Kohlenstoffatom mindestens ein Wasserstoffatom. Es gibt auch einen Fall, wo die Carbonylgruppe von zwei Wasserstoffatomen eingeschlossen wird. Dabei handelt es sich um den einfachsten Aldehyd (Formaldehyd oder Ethanal) mit der rationalen Strukturformel $CH_2O$.

  Ein Aceton ist auch kein Ether. Ether sind eine andere Verbindungsklasse. Hier sind im Molekül zwei organische Reste über eine Sauerstoffbrücke miteinander verbunden: $R^1-O-R^2$.

  Die funktionelle Gruppe des Acetonmoleküls kann man auch Ketogruppe nennen. Die Aldehydgruppe -CHO in den Molekülen der Aldehyde darf man auf gar keinen Fall mit der Ketogruppe verwechseln.

  Isomer zum Aceton $CH_3-CO-CH_3$ ist der Aldehyd Propanal $CH_3-CH_2-CHO$. Beide besitzen die Summenformel $C_3H_6O$

  Aceton ist ein Keton. Es ist das einfachste Keton.

• Erkläre die Keto-Enol-Tautomerie mit einer reaktionstheoretischen Einschätzung.

  Tipps

  Ein einfaches Keton verfügt über keine enolstabilisierenden Faktoren.

  1,3-Diketone zeigen in einem Tautomer eine Stabilisierung.

  Die Umwandlung in das andere Tautomer ist bedeutsam beim Nachweis von Fructose.

  Resorzin als Enol zu bezeichnen, wirkt schon etwas willkürlich.

  Das besagte Vitamin wird alternativ als Säure bezeichnet.

  Lösung

  Für die Keto-Enol-Tautomerie ist es wichtig zu wissen, dass Aceton das einfache Keton ist. Daher ist sein Enolanteil gering. 1,3-Diketone hingegen führen durch Mesomeriestabilisierung des Moleküls zu einem gewichtigen Anteil an Enol.

  Den Silberspiegel in der Zuckerchemie gibt es nicht nur für die Aldose Glucose. Auch die Ketose Fructose reagiert positiv. Durch die Keto-Enol-Tautomerie verschafft sich das Molekül die notwendige Aldehydgruppe. Diese wirkt dann reduzierend und es entsteht der Silberspiegel.

  Resorzin ist gegenüber dem Keto-Tautomer das stabilere Molekül. Allerdings wurde hier kräftig getrickst, denn der Stabilitätsfaktor ist der aromatische Ring.

  Vitamin C nennt man auch Ascorbinsäure. Diese Enolform ist sehr stabil. Ursache ist hier wieder das 1,3-Diketon, welches die Enolisierung favorisiert. Zusätzliche Stabilisierung wird offensichtlich durch die Hydroxygruppe in 2-Stellung erlangt.