Ketone

Struktur, Formeln und Namen von Ketonen

Struktur

Die Gruppe der organischen Verbindungen mit einer Gruppe =C=O in ihrer Struktur, genannt Carbonyl- oder Ketongruppe, sind die Ketone. Der Kohlenstoff in organischen Verbindungen ist immer vierwertig, also an die Carbonylgruppe sind zwei Alkyle gebunden. Diese können identisch oder unterschiedlich sein. Im ersten Fall lautet die allgemeine Formel eines Ketons R-O-R, im zweiten Fall R₁-O-R₂, wobei R für die Alkylgruppe steht. Neben den Verbindungen mit einer Ketongruppe gibt es auch solche mit zwei (Diketone), und es sind auch Verbindungen mit einer komplexeren Struktur bekannt. Analysiert man die Struktur der Ketone, so kann man leicht feststellen, dass sich eine Formel von Propanon (dem einfachsten Keton, C₃H₆O) ableiten lässt, ebenso wie von dem nächsten Butanon. Aber das nächste, Pentanon, hat bereits zwei Isomere. Ketone zeichnen sich durch Isomerie aus, die mit der Position der Carbonylgruppe in der Kette zusammenhängt.

Nomenklatur der Ketone

Ketone werden direkt von den entsprechenden aliphatischen Kohlenwasserstoffen abgeleitet. In der Kette sind zwei Wasserstoffatome, die an ein sekundäres Kohlenstoffatom gebunden sind, durch ein Sauerstoffatom ersetzt. Zur Benennung eines bestimmten Ketons werden meist systematische Namen verwendet, in einigen Fällen überwiegen jedoch gebräuchliche Namen. So wird beispielsweise Propanon als Dimethylketon bezeichnet, weil es zwei Methylgruppen aufweist, die durch eine Carbonylgruppe verbunden sind. Propanon wird umgangssprachlich als Aceton bezeichnet, und dieser Name ist in seinem Fall dominierend. Butanon, ein weiterer Vertreter dieser Gruppe, ist ein Methylethylketon. Es ist üblich, die Namen der aufeinanderfolgenden Ketone unter Berücksichtigung der an die Gruppe =C=O gebundenen Alkyle anzugeben. Mit zunehmender Länge der Kette steigt jedoch die Zahl der Isomere, so dass die Nomenklatur immer komplizierter wird.

Ähnlich wie die aliphatischen Kohlenwasserstoffe, Alkohole oder Aldehyde bilden die Ketone eine homologe Reihe. Die ersten acht sind Propanon, Butanon, Pentanon, Hexanon, Heptanon, Octanon, Nonanon und Decanon.

Gewinnung und Reaktionen von Ketonen

Ketone können auf eine der folgenden Arten gewonnen werden:

• Oxidation von sekundären Alkoholen,
• Hydrolyse von Dihydrochloriden,
• Hydratisierung von Alkinen,
• Friedel-Crafts-Alkylierung,
• spezifische Methoden für ausgewählte Ketone, z.B. Calciumethanoat-Röstung.

Die chemischen Reaktionen, die Ketone eingehen, hängen in erster Linie mit der Ketongruppe und dem darin enthaltenen Sauerstoffatom zusammen. Ein charakteristisches Merkmal dieser Gruppe von organischen Verbindungen ist ihre außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidationsmitteln. Die Ketongruppe hingegen lässt sich mit Hilfe von Katalysatoren durch verschiedene Stoffe, z.B. Wasserstoff, leicht reduzieren. Die Reduktionsreaktion bei Ketonen verläuft umgekehrt zur Oxidationsreaktion der sekundären Alkohole.

Es ist auch möglich, eine andere Verbindung, wie z.B. Cyanwasserstoff, an das Ketonmolekül zu binden. Ein Beispiel für eine Reaktion, bei der nur das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe beteiligt ist, ist die Reaktion mit Hydroxylamin (ein Derivat des Ammoniaks). Es entsteht ein so genanntes Ketonoxim und ein Wassermolekül wird freigesetzt. Ähnliche Reaktionen werden in der organischen Synthese oder zur Identifizierung von Ketonen verwendet. Die Carbonylgruppe unterliegt nicht immer direkt der Reaktion. Es ist bekannt, dass Ketone z.B. mit Chloratomen in Wechselwirkung treten, wobei die Wasserstoffatome, die an ein der Ketongruppe benachbartes Kohlenstoffatom (in der Alpha-Position) gebunden sind, eine Substitution erfahren und ein Chlorderivat gebildet wird. Ketone reagieren auch relativ leicht untereinander oder mit anderen Verbindungen mit einer Gruppe =C=O, wie z.B. mit Aldehyden. Die Anfälligkeit dieser Verbindungen für chemische Reaktionen, wie z.B. Kondensation, ist darauf zurückzuführen, dass die Ketone leicht in ungesättigte Alkohole, so genannte Enole, übergehen.

Eigenschaften von Ketonen

Die Ketongruppe ist für wichtige Eigenschaften verantwortlich. Trotz des Vorhandenseins eines hoch elektronegativen Sauerstoffatoms im Molekül können Ketone untereinander keine Wasserstoffbrückenbindungen eingehen, da sie kein an Sauerstoff gebundenes Wasserstoffatom besitzen. Sie können nur mit Wassermolekülen Wasserstoffbrücken bilden. Dies wirkt sich direkt auf ihre hohen Siedepunkte aus. Diese sind jedoch im Vergleich zu den entsprechenden Alkoholen niedriger. Die Flüchtigkeit wird natürlich stark von ihrer molaren Masse und von der Form der Moleküle beeinflusst. Propanon und andere kurzkettige Ketone sind flüssig. Ketone mit einer hohen Anzahl von Kohlenstoffatomen sind dagegen fest. Man sollte auch nicht vergessen, dass Ketone keine positive Tollens- und Trommerprobe ergeben. Für sie ist die Jodoformprobe charakteristisch.

Aceton, als wichtigstes Keton

Das einfachste der Ketone, Propanon, das üblicherweise Aceton genannt wird, ist der wichtigste Vertreter dieser Gruppe von Verbindungen. Weitere seine Bezeichnungen sind Dimethylketon, Propan-2-on oder 2-Propanon. Die Carbonylgruppe in dieser Verbindung ist mit zwei Methylgruppen verbunden.

In der Industrie wird Aceton in großen Mengen auf verschiedene Weise gewonnen. Es kann durch Reaktion von Acetylen mit Wasser und anschließender Oxidation mit Hilfe entsprechender Katalysatoren gewonnen werden. Eine andere Methode basiert auf Fermentationsprozessen von zuckerhaltigen Lösungen (z.B. Rübenzucker) unter Beteiligung von Bakterien. Sie führen die Butanol-Aceton-Gärung durch. Neben Aceton fallen bei diesem Verfahren auch geringe Mengen Ethanol an. In der petrochemischen Industrie werden große Mengen Aceton aus Propylen gewonnen. Bei diesem Verfahren wird Propylen zunächst in Isopropylalkohol umgewandelt, der dann katalytisch zu Aceton dehydriert wird. Es gibt auch ein Verfahren zur Gewinnung von Propanon aus Cumol (Isopropylbenzol).

Die Bedeutung von Aceton ergibt sich aus seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Es ist eine brennbare Verbindung, die mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar ist. Es lässt sich sehr gut in Alkoholen und anderen organischen Lösungsmitteln auflösen. Es ist selbst ein sehr gutes Lösungsmittel für Öle, Harze und andere. Sein relativ niedriger Siedepunkt bewirkt, dass es eine flüchtige Verbindung ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Mischung seiner Dämpfe mit Luft explosiv ist und das Einatmen gesundheitsgefährdend ist. Aus diesem Grund ist bei der Arbeit mit dieser Verbindung besondere Vorsicht geboten.

Verwendungsbereiche von Aceton:

• bei der Verarbeitung von Polymeren,
• Verwendung in Reinigungsmitteln,
• Verwendung in kosmetischen Produkten,
• bewährt sich als Lösungsmittel,
• bei der Herstellung und Verarbeitung von Gummiprodukten,
• Verwendung in Beschichtungen.