Aldehyde und Ketone - Addition von Wasser und Alkoholen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um: Aldehyde und Ketone Die Addition von Wasser und Alkohol. Natürlich solltet ihr wissen, was Aldehyde und Ketone sind. In den Einführungsvideos könnt ihr euch darüber informieren. Und außerdem solltet ihr wissen, ich denke das wisst ihr auch, worum es sich beim Wasser und bei Alkoholen handelt. Der Film ist folgendermaßen gegliedert: 1. Addition von Wasser 2. Chloralhydrat 3. Halbacetale 4. Acetale 5. Schutzgruppenfunktion 6. Zusammenfassung   1. Addition von Wasser Die Addition von Wasser stellt einen nucleophilen Angriff des Nukleophils Wasser auf die Carbonylgruppe des Aldehyds oder Ketons dar. Ein nicht bindendes Elektronenpaar des Wassermoleküls tritt mit dem nucleophilen Zentrum des Aldehyd- oder Ketonmoleküls in Wechselwirkung. Aus dem Aldehyd oder Keton ist ein Hydrat entstanden. Wir wollen uns einige Beispiele anschauen. Formaldehyd reagiert mit Wasser zum entsprechenden Hydrat. Der Ausgangsstoff wird zu 99 Prozent umgesetzt. Auch Acetaldehyd reagiert mit Wasser. Es bildet sich das entsprechende Hydrat. Bei Einstellung des chemischen Gleichgewichts liegen Acetaldehyd und Hydrat als Reaktionsprodukt etwa in gleichen Mengenverhältnissen vor. Als Letztes schauen wir uns Aceton an. Das Acetonmolekül reagiert mit dem Wassermolekül zu dem Hydratmolekül. Hier gibt es nur einen geringen Umsatz. Mehr als 99 Prozent des Eduktes bleiben bei Einstellung des chemischen Gleichgewichts übrig. Wir wollen die Untersuchungsergebnisse verallgemeinern. Bei der Addition von Wasser an die Carbonylgruppe reagiert Formaldehyd praktisch quantitativ. Aldehyde reagieren etwa zur Hälfte und Ketone nur sehr wenig. 2. Chloralhydrat Betrachten wir einmal diese chemische Verbindung. Es handelt sich um ein Molekül von Acetaldehyd, in dem sämtliche Wasserstoffatome der Methylgruppe durch Chloratome ausgetauscht wurden. Es ist klar, dass die Chloratome zusammen einen starken Iminuseffekt schaffen und daher ein starkes nucleophiles Zentrum am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe aufbauen. Das nucleophile Zentrum wird vom Wasserteilchen, einem Nucleophil angegriffen. Im Ergebnis bildet sich Chloralhydrat. Chloralhydrat kann reduziert werden und es entsteht Trichlorethanol. Bei Chloralhydrat handelt es sich um einen Stoff, der in den Vorzeiten der modernen Medizin als Schlafmittel verwendet wurde. Da die Arznei sehr bitter ist, muss sie rektal verabreicht werden. Der eigentliche Wirkstoff, der die Schlafmittelwirkung hervorruft, ist das Trichlorethanol. Um gute Wirkung zu erzielen, muss eine relativ hohe Dosis verabreicht werden. Etwa 0,5 bis 1,5 Gramm. Obwohl Chloralhydrat einige Vorteile aufweist, unter anderen den REM-Schlaf nicht negativ beeinflusst, zeigt es in einigen Fällen Nebenwirkungen. Daher wird Chloralhydrat in der modernen Medizin nicht mehr verschrieben. 3. Halbacetale Alkohole reagieren in ähnlicher Weise mit der Carbonylgruppe wie Wasser. Ein freies Elektronenpaar des Alkoholmoleküls greift das nucleophile Zentrum des Aldehyds an. Im Ergebnis bildet sich aus dem Aldehyd ein sogenanntes Halbacetal. In gleicher Weise entstehen aus Ketonen und Alkohole Halbacetale. Eine interessante Reaktion läuft ab, wenn sich im Molekül gleichzeitig eine Hydroxygruppe und eine Aldehydgruppe befinden. In diesem Fall kommt es zu einer innermolekularen Acetalisierung. Im Ergebnis entsteht ein cyclisches Halbacetal. Diese Reaktion trifft man häufig in der Zuckerchemie an. Sie veranschaulicht, wie sich aus einem kettenförmigen Zuckermolekül, ein ringförmiges Zuckermolekül bildet. 4. Acetale Halbacetale können in Anwesenheit eines sauren Katalysators unter der Einerwirkung eines Alkoholmoleküls weiter reagieren. Aus dem Halbacetalmolekül bildet sich ein Oxonium-Ion. Das Oxonium-Ion spaltet ein Wassermolekül ab und es entsteht ein Carbenium-Ion. Das Carbenium-Ion reagiert mit einem weiteren Alkoholmolekül. Es entsteht ein neues Oxonium-Ion. Nach Abspaltung eines Wasserstoff-Ions entsteht ein Molekül eines Acetals. Aus dem Halbacetal hat sich bei der Reaktion mit einem weiteren Molekül eines Alkohols, in Anwesenheit eines sauren Katalysators, ein Acetal gebildet. 5. Schutzgruppenfunktion Betrachten wir einmal dieses Molekül. Ich denke ihr wisst, zu welcher Verbindung es gehört. Es handelt sich hier um Glycerin. Nehmen wir einmal an, wir haben die Aufgabe, dieses Molekül zu Monofunktionalisieren. Das heißt eine der 3 Hydroxygruppen, soll durch eine neue funktionelle Gruppe oder einen Rest ersetzt werden. Wie ist das zu bewerkstelligen? Wo doch alle 3 Hydroxygruppen reagieren können. Der Ausweg besteht in der Reaktion des Glycerinmoleküls mit einem Molekül Aceton. 2 benachbarte  Hydroxygruppen des Glycerinmoleküls reagieren mit dem Acetonmolekül. Es kommt zur Wasserabspaltung und es bildet sich ein Acetal. Somit ist es uns gelungen, an die Stelle zweier Hydroxygruppen eine sogenannte Schutzgruppe einzuführen. Eine Reaktion ist an diesen Stellen nicht mehr möglich. Nun kann eine Monofunktionalisierung problemlos durchgeführt werden. 6. Zusammenfassung Carbonylgruppe enthalten Verbindungen wie Aldehyde und Ketone reagieren mit Wasser. So zum Beispiel Formaldehyd, Acetaldehyd oder Aceton. Dabei entstehen sogenannte Hydrate. Formaldehydhydrat bildet sich fast quantitativ. Bei der Reaktion von Acetaldehyd mit Wasser, ist das Gleichgewicht geteilt. Aceton reagiert praktisch nicht mit Wasser. Durch den Iminuseffekt der Chloratome reagiert Chloral sehr gut mit Wasser. Praktisch, quantitativ bildet sich Chloralhydrat. Durch Reduktion entsteht aus Chloralhydrat Trichlorethanol. In den Vorzeiten der modernen Medizin wurde Chloralhydrat als Schlafmittel verwendet, hat aber wegen einiger Nebenwirkungen, heute keine Bedeutung mehr. Aldehyde und Ketone reagieren ähnlich mit Alkohol wie mit Wasser. Die Reaktion einer Carbonylverbindung mit einem Molekül Alkohol ergibt ein sogenanntes Halbacetal. Die Reaktion eines Moleküls des Halbacetals mit einem weiteren Molekül Alkohol, ergibt in Anwesenheit eines sauren Katalysators, ein sogenanntes Acetal. Befinden sich Hydroxygruppe und Aldehydgruppe im gleichen Molekül, kommt es zu einer innermolekularen Acetalisierung. Eine derartige Bildung von Halbacetalen findet man häufig in der Zuckerchemie, wo sich Kettenverbindungen in Ringverbindungen umwandeln. Als Letztes hab ich die Möglichkeit der Acetalisierung, mit dem Ziel der Schutzgruppenfunktion dargestellt. Wenn man Glycerin mit Aceton im sauren Medium umsetzt, so bildet sich ein Acetal. 2 der 3 Hydroxygruppen sind jetzt durch die Schutzgruppe blockiert. Während die Monofunktionalisierung beim Glycerin nicht möglich war, ist sie beim Reaktionsprodukt sehr leicht möglich. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.