Addition von Wasser

Die Addition von Wasser an Aldehyde oder Ketone ist die einfachste Form der Nucleophilen Addition an die C=O-Doppelbindung. In reinem Wasser läuft die Reaktion nur ganz langsam ab, da Wasser als neutrales Molekül ein schlechtes Nucleophil ist. Durch Anwesenheit von Protonen oder Hydroxid-Ionen kann die Reaktion jedoch stark beschleunigt werden (saure bzw. basische Katalyse).

Saure Katalyse

Mechanismus der Addition von Wasser unter saurer Katalyse
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Schritt 1

Ein Proton H⁺ lagert sich an das negativ polarisierte Sauerstoff-Atom der C=O-Bindung an.

Mesomerie

Das entstandene Zwischenprodukt kann in zwei Grenzstrukturen existieren (Mesomerie). Entscheidend ist hier die Grenzstruktur mit dem positiven C-Atom, an dieses C-Atom kann sich nämlich jetzt leicht ein neutrales Nucleophil anlagern.

Schritt 2

Genau das passiert jetzt, ein neutrales Wasser-Molekül setzt sich mit einem freien Elektronenpaar des O-Atoms an das positive C-Atom des Aldehyds. Die positive Ladung des C-Atoms geht dabei auf das O-Atom des H₂O-Moleküls über, es entsteht eine OH₂⁺-Gruppe am Carbonyl-C-Atom. Eine solche OH₂⁺-Gruppe ist ein energetisch nicht besonders günstiges Gebilde. Eine höhere Stabilität kann auf zwei Weisen erreicht werden:

1. Abgabe der gesamten OH₂⁺-Gruppe als OH₂-Molekül (also als Wasser)
2. Abgabe eines Protons, so dass sich eine stabile OH-Gruppe bildet.

Schritt 3

Durch die Abgabe der gesamten OH₂⁺-Gruppe wird wieder das Zwischenprodukt erzeugt (Rückreaktion), was uns hier nicht weiter hilft.

Durch Abgabe eines Protons dagegen erhalten wir das Endprodukt der Reaktion, ein sogenanntes Hydrat. Als Hydrate bezeichnen wir organische Verbindungen mit zwei OH-Gruppen am selben C-Atom.

Katalyse

Am Anfang bei Schritt 1 wurde ein Proton eingesetzt, am Ende von Schritt 3 wird ein anderes Proton wieder abgegeben und kann das nächste Aldehyd-Molekül protonieren. In der Gesamtgleichung taucht dieses Proton also nicht auf, und daher ist es korrekt, von einer sauren Katalyse zu sprechen.

Basische Katalyse

Die Addition von Wasser läuft in einem neutralen Medium so gut wie nicht ab, in einem leicht sauren dagegen sehr gut. Normale Menschen würden nun denken, dass die Reaktion in einem alkalischen Medium wie verd. Natronlauge noch schlechter abläuft als in einem neutralen Medium. Denn wo viele Protonen gut sind, werden extrem wenige Protonen doch wohl schlecht sein.

Das Gegenteil ist der Fall! Die Addition von Wasser an Aldehyde oder Ketone kann auch unter basischer Katalyse stattfinden. Es ist richtig, dass in einam alkalischen Medium noch weniger Protonen vorhanden sind als in einem neutralen. Aber dafür sind ja jetzt jede Menge Hydroxid-Ionen präsent, die ebenfalls als Katalysator wirken können, wie das folgende Bild zeigt:

Grundschema der Addition von Wasser unter basischer Katalyse
Autor: Ulrich Helmich 04/2024, Lizenz: siehe Seitenende

Im ersten Schritt lagert sich ein Hydroxid-Ion als starkes ionisches Nucleophil an das leicht positiv polarisierte C-Atom der C=O-Bindung an. Die mitgebrachte negative Ladung wird von dem elektronegativen O-Atom der C=O-Bindung übernommen. Das anionische Zwischenprodukt lagert dann im zweiten Schritt ein Proton als Elektrophil an, und fertig ist die Sache. Das Proton wird von einem H₂O-Molekül gespendet, und übrig bleibt wieder ein Hydroxid-Ion.

Katalyse

Das anfangs eingesetzte Hydroxid-Ion taucht also nicht in der Gesamtgleichung der Hydratisierung auf, beschleunigt die Reaktion aber doch erheblich, so dass man von einer basischen Katalyse sprechen kann.