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Halbacetal- und Acetalbildung 09:56 min

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Transkript Halbacetal- und Acetalbildung

Hallo und ganz herzlich willkommen! Aldehyde und Alkohole sind euch wohlbekannt. Ihr wisst gut, dass man sie ineinander umwandeln kann. Wusstet ihr aber auch, dass Aldehyde mit Alkoholen chemisch reagieren? Dabei entstehen zwei neue Verbindungsklassen: Halbacetale und Acetale. Dieses Video trägt den Namen "Halbacetal- und Acetalbildung". Aldehyd und Alkohol Mischt man ein Aldehyd mit einem Alkohol, so findet selbst bei Erwärmung keine Reaktion statt. Erinnern wir uns: Eine Carbonsäure reagiert mit einem Alkohol zu einem Ester nur dann, wenn eine Säure als Katalysator anwesend ist. Als Katalysator dienen Broenstedsäuren, häufig wasserfreie Schwefelsäure. Die katalytische Wirkung wird dabei von Protonen bewerkstelligt. Halbacetal Ein Aldehyd beginnt zu reagieren, sobald Protonen anwesend. 1. Schritt: Protonierung Das Proton bildet mit einem der ungepaarten Elektronen der Carbonylgruppe eine kovalente Bindung aus. Es überträgt seine positive Ladung auf das Sauerstoff - Atom. Es ist möglich, dass das eine Elektronenpaar der Doppelbindung zum Sauerstoff - Atom umklappt und zum nichtbindenden Elektronenpaar wird. Die positive Ladung verschiebt sich dann vom Sauerstoff - Atom zum Kohlenstoffatom. Es entsteht ein Carbenium - Ion. 2. Schritt: Nucleophiler Angriff Alkohole sind durch die nichtbindenden Elektronenpaare am Sauerstoff nucleophil. Daher reagiert ein Alkohol - Molekül mit dem entstandenen Carbenium - Ion. Es entsteht eine kovalente Bindung. Die positive Ladung sitzt nun am Sauerstoff - Atom des ehemaligen Alkohol - Moleküls. Es hat sich ein Oxonium - Ion gebildet. 3. Schritt: Deprotonierung Vom entstandenen Oxonium - Ion spaltete sich das Proton ab. Die entstandene Verbindung nennt man Halbacetal. Beachtet bitte: Alle drei Reaktionsschritte sind umkehrbar. Acetal

Ein Halbacetal reagiert mit einem Alkohol weiter. 1. Schritt: Protonierung der Hydroxy - Gruppe Durch die Anlagerung des Protons entsteht wieder ein Oxonium - Ion. 2. Schritt: Dehydratisiering Vom Oxonium - Ion wird ein Wasser - Molekül abgespalten. Es entsteht ein Carbenium - Ion. 3. Schritt: Nucleophiler Angriff Es erfolgt ein nucleophiler Angriff des Alkohol - Molekül auf das Carbenium - Ion. Es entsteht ein Oxonium - Ion. 4. Schritt: Deprotonierung Vom Oxonium - Ion wird ein Proton abgespalten. Es entsteht ein Molekül Acetal. Mitunter sagt man Vollacetal. Wie sind Halbacetale und Acetale chemisch einzuordnen? Schauen wir uns einmal ein Beispiel für ein Halbacetal an: Offensichtlich handelt es sich hier um einen Ether und einem Alkohol in einem Molekül. Oder einen "Etheralkohol". Was ist ein Acetal oder Vollacetal? Das ist ein zweifacher Ether. Halbacetale und Acetale sind stabile chemische Verbindungen.

Beachtet bitte: Die Sauerstoff - Atome sitzen am selben Kohlenstoff - Atom. Formal sind sie abgeleitet von so genannten geminalen Alkoholen. Diese allerdings sind instabil. Verwendung Acetale sind flüssig mit oft angenehmen Geruch. Man verwendet sie als Lösungsmittel und Riechstoffe. Sie werden Spirituosen wie Rum, Arrak und Obstbrand als Bukettstoff zugesetzt. In der Synthesechemie werden Acetale werden häufig als Schutzgruppen für Carbonyl-Gruppen benutzt. Es reagiert z. B. ein Diol mit einer zu schützenden Carbonyl-Gruppe in Gegenwart von Säuren. Das cyclische Acetal ist chemisch relativ stabil, u. a. gegenüber Basen und Reduktionsmitteln. Nach weiteren Syntheseschritten kann die Schutzgruppe wieder abgespalten werden. Der Überraschungsgast Ihr werdet es kaum glauben, aber es handelt sich um Traubenzucker, Glucose, genauer um D - Glucose. Das Molekül existiert teilweise in Kettenform. Die Kohlenstoff - Atome nummeriert man, beginnend mit der Aldehyd - Gruppe. Tatsächlich liegt die Glucose im festen Zustand als auch in wässriger Lösung hauptsächlich in Ringform vor. Was geschieht? Wir stellen uns die Geometrie der Kette so vor, dass der Ring praktisch schon vorgebildet ist. Die Elektronen des Sauerstoff - Atoms vom Kohlenstoff - Atom in 5 - Stellung greifen das 1 - Kohlenstoff - Atom nucleophil an. Ein Elektronenpaar der Doppelbindung wird zum Sauerstoff - Atom der Aldehyd - Gruppe verschoben. Im Ergebnis entstehen eine positive Ladung am Sauerstoff - Atom des 5 - Kohlenstoff - Atoms (also ein Oxonium - Ion) und eine negative Ladung am Sauerstoff - Atom des 1 - Kohlenstoff -Atoms. Vom Oxonium - Ion wird ein Proton abgespalten. Die negative Ladung vereinigt sich mit einem Proton zu eine Hydroxy - Gruppe. Wir stellen fest: Es hat ein intramolekularer Ringschluss stattgefunden. Die cyclische Form Form der alpha - D - Glucose ist ein Halbacetal.

Bemerkungen Zeigt -OH in der Darstellung bei 1 - C nach unten ist es alpha - D - Glucose. Zeigt -OH jedoch nach oben, ist es beta - D - Glucose. Glycoside sind Verbindungen der allgemeinen Struktur R-O-Z Dabei ist Z ein Zuckerrest (im Beispiel alpha - Glucose) R ist ein alkoholischer Rest. Für R wäre ein weiteres Molekül von alpha - D - Glucose denkbar. Es entsteht somit durch die Veretherung von zwei Molekülen ein Disaccharid. Dieses nennt man Maltose. Die Maltose verbindet beide Fragmente über die glycosidische Bindung -O-. Bei dem Molekül handelt es sich um ein Acetal oder Vollacetal. Und ganz zum Schluss Acetal ist ein Oberbegriff Werden Aldehyde verwendet, spricht man auch von Acetalen im engeren Sinne. Bei Verwendung von Ketonen sagt man mitunter Ketale. Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüs Euer André

3 Kommentare
  1. Richtig gut!

    Von Maitra, vor fast 3 Jahren
  2. Guten Abend Alli,

    ich habe erst nicht verstanden, was du meinst.
    Ich denke, hier gibt es nur ein Missverständnis.
    1. Wenn wir bei beiden Molekülen von ACETAL sprechen, so ist jeweils das ursprüngliche C1 - Atom im LINKEN Monomer gemeint, wo sich die glykosidische Bindung befindet.
    2. Betrachten wir das C - Atom GANZ RECHTS, so ist Maltose natürlich ein HALBACETAL, Saccharose in diesem Sinne "gar nichts". Aber das ist eigentlich nie gemeint.
    Vielen Dank für die interessante Frage!
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  3. Hallo! Ich dachte, Maltose sei ein Halbacetal, da eine hydroxygruppe und eine alkoxygruppe an das gleiche kohlenstoffatom gebunden sind und saccharose ein vollacetal?

    Von Alli, vor mehr als 4 Jahren

Halbacetal- und Acetalbildung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Halbacetal- und Acetalbildung kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme geeignete Edukte für die Herstellung von Acetalen.

    Tipps

    Acetale entstehen nur, wenn Verbindungen aus ganz bestimmten Verbindungsklassen miteinander reagieren.

    Acetale entstehen nicht aus Verbindungen einer einzigen Verbindungsklasse.

    Lösung

    Ein Acetal wird aus einem Aldehyd oder einem Keton und einem Alkohol hergestellt. Daher bilden folgende Verbindungen Acetale miteinander:

    • Aldehyd und Alkohol: Ethanal $CH_3-CHO$ und Ethanol $CH_3CH_2-OH$,
    • Keton und Alkohol: Aceton $CH_3-CO-CH_3$ und Propanol $CH_3CH_2-OH$,
    • Keton und Alkohol: Aceton $CH_3-CO-CH_3$ und Butanol $CH_3CH_2CH_2CH_2-OH$.

    Zwei Alkohole oder auch zwei Aldehyde untereinander bilden kein Acetal.

  • Formuliere die Reaktionsschritte zur Bildung eines Halbacetals aus Ethanal und Ethanol.

    Tipps

    Der Katalysator ist das kleinste chemisch relevante Teilchen.

    Beim Carbenium-Ion befindet sich die positive Ladung an einem Kohlenstoffatom, beim Oxonium-Ion befindet sich die positive Ladung an einem Sauerstoffatom.

    Lösung

    1. Reaktion mit dem Katalysator

    $CH_3CHO$ + $H^{\oplus}$ $\rightleftharpoons$ $CH_3C^{\oplus}H(OH)$

    Als Katalysator wirkt hier ein Proton. Es reagiert mit dem Aldehyd und es entsteht ein Carbenium-Ion.

    2. Reaktion mit dem Alkohol

    $CH_3C^{\oplus}H(OH)$ + $C_2H_5OH$ $\rightleftharpoons$ $CH_3CH(OH)-O^{\oplus}(H)C_2H_5$

    Das Carbenium-Ion reagiert mit einem Molekül des Ethanols zu einem Oxonium-Ion.

    3. Rückbildung des Katalysators

    $CH_3CH(OH)-O^{\oplus}(H)C_2H_5$ $\rightleftharpoons$ $CH_3CH(OH)-OC_2H_5$ + $H^{\oplus}$

    Im letzten Schritt wird vom Oxonium-Ion ein Proton abgespalten. Es entsteht ein Molekül des Halbacetals.

  • Entwickle einen Syntheseweg für ein Monoglycerid.

    Tipps

    Zunächst müssen zwei benachbarte alkoholische Gruppen mit einer Schutzgruppe vor weiterer Reaktion bewahrt werden.

    Die verbleibende alkoholische Gruppe wird zur Reaktion gebracht.

    Die Schutzgruppe wird abgelöst und man erhält die gewünschte Verbindung.

    Lösung

    Triglyceride

    Die Strukturbausteine der Triglyceride sind der Alkohol Glycerin und verschiedene Fettsäuren.

    Monoglyceride

    Es gibt zwei isomere Monoglyceride; die Verbindung kann in den Stellungen 1 und 2 substituiert werden. Stellung 3 entspricht der Stellung 1, weil das Glycerin-Molekül symmetrisch aufgebaut ist.

    Synthese des Monoglycerids

    Reaktion des Alkohols mit dem einfachsten Keton

    Der Alkohol ist Glycerin, das einfachste Keton ist Aceton.

    Glycerin + Aceton $\longrightarrow$ Acetalalkohol + Wasser

    Acetalalkohol ist die Zwischenverbindung aus der Abbildung.

    Veresterung der Zwischenverbindung

    Der Acetalalkohol kann weiter reagieren.

    Acetalalkohol + Fettsäure $\longrightarrow$ Acetalester + Wasser

    Durch die eine verbliebene Hydroxy-Gruppe $-OH$ reagiert die Zwischenverbindung mit der Fettsäure, wobei ein Acetalester entsteht. Als Katalysator verwendet man eine starke Säure. Das entstehende Wasser wird sofort abgeführt.

    Ablösung des Ketons unter sauren Bedingungen

    Unter Zugabe von Wasser wird das Aceton im sauren Milieu abgelöst.

    Acetalester + Wasser $\longrightarrow$ Monoglycerid + Aceton

    Somit hat sich das gewünschte Reaktionsprodukt, das Monoglycerid, gebildet. Es kann leicht vom flüchtigen Aceton abgetrennt werden.

  • Ermittle die Verbindungsklassen zu folgenden Verbindungen.

    Tipps

    Ether und Ester solltest du zuerst an den funktionellen Gruppen erkennen.

    Halbacetale kann man als Alkoholether auffassen, Acetale als Diether.

    Lösung

    Halbacetale

    Diese Verbindungen sind durch die Gruppe $-CH(OH)O-$ gekennzeichnet:

    • $CH_3CH(OH)OCH_3$,
    • $C_2H_5CH(OH)OCH_3$,
    • $CH_3CH(OH)OC_2H_5$.
    Acetale

    Diese Verbindungen sind durch die Gruppe $-CH(O-R)_2-$ gekennzeichnet:

    • $CH_3CH(OCH_3)_2$,
    • $C_2H_5CH(OCH_3)_2$,
    • $CH_3CH(OC_2H_5)_2$.
    Ether

    Diese Verbindungen sind durch die Sauerstoffbrücke $-O-$ gekennzeichnet:

    • $CH_3OCH_3$,
    • $CH_3OC_2H_5$,
    • $C_2H_5OC_2H_5$.
    Ester

    Diese Verbindungen sind durch die Ester-Gruppe $-COO-$ gekennzeichnet:

    • $HCOOCH_3$,
    • $CH_3COOCH_3$,
    • $CH_3COOC_2H_5$.
  • Leite die Eigenschaften des Dimethoxymethans her.

    Tipps

    Polarität bewirkt Anziehung zwischen den Teilchen.

    Dimethoxymethan hat ähnliche Eigenschaften wie Diethylether. Sie sind nur noch etwas ausgeprägter.

    Lösung

    Dimethoxymethan ist ein Acetal. Es kann durch eine Reaktion von Formaldehyd mit Methanol hergestellt werden. Das ist eine typische Acetalsynthese. Ein Molekül des Dimethoxymethans hat dabei die ungefähre Größe der Moleküle des Pentans und Dimethylethers.

    Zwischen den Teilchen des Dimethoxymethan wirken keine Wasserstoffbrückenbindungen. Dafür fehlen die Wasserstoffatome an Sauerstoffatomen (Hydroxy-Wasserstoff) oder an Stickstoffatomen (Amino-Wasserstoff). Tatsächlich wirken die viel schwächeren Dipol-Dipol-Kräfte.

    Dimethoxymethan ist nicht unbegrenzt mit Wasser mischbar. Das ist durch das Fehlen von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Teilchen beider Verbindungen nicht möglich. Tatsächlich löst sich Dimethoxymethan begrenzt in Wasser (285 g/l).

    Dimethoxymethan kann unmöglich eine Siedetemperatur von über 100 °C besitzen. Sie sollte vergleichbar mit den Werten von Pentan und Diethylether sein, die etwa 35 °C betragen. Man kann erwarten, dass Dimethoxymethan vielleicht noch etwas höher siedet, da das Molekül der Verbindung zwei Sauerstoffatome enthält. Dadurch ist die Polarität etwas höher im Vergleich zu Diethylether. Die Anziehung zwischen den Teilchen ist damit auch stärker. Die Siedetemperatur beträgt 42 °C.

  • Erkenne die Acetale unter den Verbindungen.

    Tipps

    Ein Acetal erkennt man anhand eines bestimmten Strukturelements.

    Acetale entstehen durch Reaktion von Vertretern zweier typischer Verbindungsklassen.

    Lösung

    Ein Acetal ist formal der Diether eines 1,1-Alkohols. Beide Sauerstoffatome sitzen am selben Kohlenstoffatom. Damit muss das Strukturelement $-O-CH(R)-O-$ erkennbar sein. Ist es zu identifizieren, kann man die Verbindung als Acetal auffassen.

    Erste Zeile von links nach rechts

    • 1,4-Dioxan ist kein Acetal. Die Sauerstoffatome befinden sich an verschiedenen Kohlenstoffatomen.
    • Dioxolan ist ein Acetal. Man kann sich die Verbindung als Reaktionsprodukt aus Formaldehyd $HCHO$ und Ethylenglycol $H-CH_2-CH_2-OH$ vorstellen.
    • Trioxan kann man als Acetal auffassen. Es könnte aus Formaldehyd $HCHO$ und dem Alkohol $HO-CH_2-O-CH_2-O-CH_2-OH$ entstanden sein.
    Zweite Zeile von links nach rechts
    • Es handelt sich um ein organisches Peroxid. Das ist kein Acetal.
    • Metaldehyd ist ein Acetal. Ein Molekül der Verbindung könnte aus zwei Molekülen Acetaldehyd $CH_3-CHO$ und aus zwei Molekülen des Alkohols $HO-CH(CH_3)-OH$ entstanden sein.
    • Paraldehyd kann man ebenfalls als Acetal auffassen. Es könnte aus Acetaldehyd $CH_3-CHO$ und dem Alkohol $HO-CH(CH_3)-O-CH(CH_3)-OH$ entstanden sein.