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Ketone: Struktur, Benennung und Reaktionen
Ketone sind organische Verbindungen mit einer nicht endständigen Carbonylgruppe. Am Kohlenstoffatom der Gruppe $C=O$ hängen zwei kohlenstoffhaltige Reste. Auf dieser Seite lernst du, Ketone zu erkennen, zu benennen und von Aldehyden zu unterscheiden. Außerdem untersuchst du ihre Eigenschaften, Herstellung und Nachweise.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Ketone an der Struktur erkennen
Keton
Ein Keton enthält die Gruppe $R^1-C(=O)-R^2$. Der Carbonylkohlenstoff, also das Kohlenstoffatom der $C=O$-Gruppe, ist mit zwei kohlenstoffhaltigen Resten verbunden. Deshalb liegt die Carbonylgruppe nicht am Ende der Kohlenstoffkette.
Ein Keton enthält mindestens drei Kohlenstoffatome: den Carbonylkohlenstoff und mindestens ein Kohlenstoffatom in jedem der beiden Reste.
Bei einem Aldehyd ist dagegen mindestens ein Wasserstoffatom direkt an den Carbonylkohlenstoff gebunden. Seine typische endständige Gruppe ist $-CHO$.
In $CH_3-C(=O)-CH_3$ ist der Carbonylkohlenstoff auf beiden Seiten mit einem Kohlenstoffatom verbunden. Die Verbindung ist daher ein Keton: Propan-2-on, meist kurz Propanon oder Aceton genannt.
In $CH_3-CH_2-CHO$ trägt der Carbonylkohlenstoff dagegen ein Wasserstoffatom. Diese Verbindung ist ein Aldehyd und kein Keton.
Zwei Kohlenstoffreste am Carbonylkohlenstoff bedeuten Keton. Ein Wasserstoffatom am Carbonylkohlenstoff weist auf ein Aldehyd hin.
Einfache Ketone benennen
Wenn die Ketogruppe die wichtigste funktionelle Gruppe ist, erhält der Name die Endung -on.
- Suche die längste Kohlenstoffkette, die den Carbonylkohlenstoff enthält.
- Nummeriere sie von dem Ende aus, das der Carbonylgruppe näher liegt.
- Nenne die Position des Carbonylkohlenstoffs unmittelbar vor der Endung -on.
Die Verbindung $CH_3-C(=O)-CH_2-CH_3$ besitzt eine Kette aus vier Kohlenstoffatomen. Der Stammname lautet daher Butan. Von links liegt die Carbonylgruppe an Position 2, von rechts an Position 3. Die kleinere Zahl zählt: Der Name lautet Butan-2-on.
Bei $CH_3-CH_2-C(=O)-CH_2-CH_3$ liegt die Carbonylgruppe in einer Kette aus fünf Kohlenstoffatomen an Position 3. Der Name lautet Pentan-3-on.
Bei Propanon ist nur Position 2 möglich. Aceton ist der gebräuchliche Trivialname dieses einfachsten Ketons.
Eigenschaften aus der Struktur erklären
Die $C=O$-Bindung ist polar. Das Sauerstoffatom zieht die Bindungselektronen stärker an als das Kohlenstoffatom. Deshalb trägt Sauerstoff eine negative und der Carbonylkohlenstoff eine positive Partialladung.
Ketone besitzen kein an Sauerstoff gebundenes Wasserstoffatom. Reine Ketonmoleküle können deshalb untereinander keine Wasserstoffbrücken bilden. Das Sauerstoffatom kann aber Wasserstoffbrücken von Wassermolekülen annehmen: Ketone sind Wasserstoffbrückenakzeptoren.
Kleine Ketone sind deshalb gut mit Wasser verträglich. Mit wachsender Länge der Kohlenwasserstoffreste gewinnt der unpolare Teil des Moleküls an Bedeutung und die Wasserlöslichkeit nimmt ab. Eine feste Grenze gilt dabei nicht für jedes Keton gleichermaßen.
Propanon besitzt nur zwei kurze Methylreste. Seine polare Carbonylgruppe prägt das Verhalten gegenüber Wasser stark.
Bei einem längerkettigen Keton ist der unpolare Kohlenwasserstoffanteil größer. Seine Wechselwirkungen mit Wasser reichen dann nicht mehr aus, um eine ebenso gute Löslichkeit zu bewirken.
Die Carbonylgruppe fördert die Wechselwirkung mit Wasser. Lange Kohlenwasserstoffreste wirken ihr entgegen.
Ketone herstellen und reduzieren
Ein verbreiteter Herstellungsweg ist die Oxidation eines sekundären Alkohols. Bei einem sekundären Alkohol ist das Kohlenstoffatom mit der $OH$-Gruppe an zwei weitere Kohlenstoffatome gebunden.
Propan-2-ol wird durch Kupfer(II)-oxid zu Propanon oxidiert:
$$(\mathrm{CH_3})_2\mathrm{CHOH}+\mathrm{CuO}\rightarrow(\mathrm{CH_3})_2\mathrm{CO}+\mathrm{Cu}+\mathrm{H_2O}$$
Das organische Molekül verliert insgesamt zwei Wasserstoffatome und wird zum Keton oxidiert. Gleichzeitig wird Kupfer(II)-oxid zu elementarem Kupfer reduziert. Auf beiden Seiten der Gleichung stehen jeweils 3 Kohlenstoff-, 8 Wasserstoff-, 2 Sauerstoff- und 1 Kupferatom.
Die umgekehrte Stoffklassenänderung ist ebenfalls möglich: Durch Reduktion eines Ketons entsteht ein sekundärer Alkohol.
Ketone lassen sich unter milden Bedingungen schlechter weiteroxidieren als Aldehyde. Eine Oxidation zu Carbonsäuren würde eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung neben der Carbonylgruppe spalten und benötigt daher drastische Bedingungen.
Nachweise richtig auswerten
Die DNPH-Probe weist Carbonylverbindungen nach. 2,4-Dinitrophenylhydrazin reagiert mit einem Aldehyd oder Keton zu einem Hydrazon; dabei entsteht ein Niederschlag. Ein positives Ergebnis zeigt also eine Carbonylverbindung an, unterscheidet aber allein nicht zwischen Aldehyd und Keton.
Fehling- und Tollensprobe erfassen die reduzierende Wirkung vieler Aldehyde. Bei Ketonen fallen sie typischerweise negativ aus, weil Ketone unter diesen Bedingungen nicht leicht oxidiert werden.
Eine unbekannte Probe bildet mit DNPH einen Niederschlag. Die Tollensprobe bleibt negativ.
Der DNPH-Nachweis spricht für eine Carbonylverbindung. Das negative Ergebnis der Tollensprobe passt eher zu einem Keton als zu einem typischen Aldehyd. Es ist jedoch kein allgemeiner Beweis für die Stoffidentität: Ein Nachweis wird immer im Zusammenhang mit Vergleichsproben und möglichen Störstoffen ausgewertet.
Eine Positivkontrolle zeigt, dass ein Nachweis unter den gewählten Bedingungen grundsätzlich funktioniert. Eine Negativkontrolle zeigt, wie der Versuch ohne den nachzuweisenden Stoff aussieht. Erst der Vergleich macht eine Beobachtung belastbar.
Karteikasten
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Alles auf einen Blick
- Ketone
- Struktur
- nicht endständige Carbonylgruppe
- zwei Kohlenstoffreste
- Benennung
- Endung -on
- kleinste Positionszahl
- Eigenschaften
- polare Carbonylbindung
- sinkende Wasserlöslichkeit bei längeren Resten
- Reaktionen
- Oxidation sekundärer Alkohole
- Reduktion zu sekundären Alkoholen
- Nachweise
- DNPH positiv
- Fehling und Tollens typischerweise negativ
- Struktur