Addition von Alkoholen

Halbacetale

Im Prinzip verläuft die Addition eines Alkohols an die Carbonylgruppe eines Aldehyds oder Ketons ähnlich ab wie die Addition von Wasser.

Grundschema der Addition eines Alkohols
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Wir müssen diese Reaktion nun nicht im Einzelnen besprechen, sie verläuft genau so ab wie bei der Addition von Wasser. Als Endprodukte bilden sich jedoch nicht Hydrate, sondern Halbacetale.

Genau wie bei der Addition von Wasser kann man auch bei der Addition von Alkoholen zwischen einer Säurekatalyse und einer Basenkatalyse unterscheiden. Im neutralen Milieu läuft die Halbacetalbildung dagegen so gut wie nicht ab.

Die Gleichgewichtslage der reversiblen Reaktion hängt bei der Halbacetalbildung nicht nur von dem Aldehyd oder Keton ab, sondern auch von dem Alkylrest des Alkohols. Je größer dieser ist, desto schwieriger wird die Reaktion.

Cyclische Halbacetale

Ähnlich wie die Hydrate sind auch die Halbacetale meistens nicht so stabil, dass sie in Reinform isoliert werden können. Aber es gibt auch ein paar stabile Halbacetale, von denen einige sogar aus dem Alltag bekannt sind. Es gibt sogar Halbacetale, die wir täglich mit der Nahrung zu uns nehmen, nämlich bestimmte Kohlenhydrate. Die ringförmigen Strukturen der Monosaccharide wie Glucose oder Fructose sind nämlich nichts anderes als cyclische Halbacetale.

Betrachten wir zunächst einen sehr einfachen Fall. Ein Halbacetal bildet sich, wenn ein Alkohol in einer nucleophilen Substitution mit einer Carbonylgruppe eines Aldehyds oder Ketons reagiert.

Was passiert nun, wenn wir ein Molekül haben, das an dem einen Ende eine OH-Gruppe besitzt und am anderen Ende eine Aldehydgruppe? Kann die OH-Gruppe des einen Endes mit der Aldehydgruppe des anderen Endes reagieren und ein Halbacetal bilden? Und wie sieht dieses Halbacetal dann aus?

Bildung eines cyclischen Halbacetals
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Oben sehen wir noch einmal die Bildung eines Halbacetals, ähnlich wie in Abbildung 1. Unten sehen wir die Bildung eines cyclischen Halbacetals. Die OH-Gruppe am C-Atom Nr. 4 greift die Carbonylgruppe am C-Atom Nr. 1 nucleophil an.

Auch bei den Monosacchariden Glucose, Fructose und anderen kommt es zu einer solchen Halbacetalbildung. Aus der Kettenform der Glucose wird so die Ringform der Glucose:

Glucose als Halbacetal
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Links sehen wir die übliche Darstellung der Kettenform des Glucose-Moleküls, wie sie auch in vielen Schulbüchern abgebildet ist.

Rechts sehen wir die üblichen Darstellungen der alpha- und beta-Glucose, wie sie auch in fast jedem Schulbuchstehen.

In der Mitte sehen wir ebenfalls die Kettenform der Glucose, aber so dargestellt, dass einem die Ringform fast schon ins Auge springt.

Die rot gekennzeichnete OH-Gruppe am 5. C-Atom reagiert bei der Ringbildung mit der Carbonylgruppe am 1. C-Atom. Bei dieser Reaktion handelt es sich um nichts anderes als um die nucleophile Addition eines Alkohols an ein Aldehyd.

Die Glucose ist nämlich auf der einen Seite ein Aldehyd (C-Atom Nr. 1), während die anderen fünf C-Atome je eine OH-Gruppe tragen.

Acetale

Der Begriff "Halbacetale" legt nahe, dass es wohl auch "Ganzacetale" geben muss. Diese Verbindungen werden dann einfach als "Acetale" bezeichnet. Ein solches Acetal entsteht, wenn ein Halbacetal seine OH-Gruppe gegen ein anderes Nucleophil "eintauscht". Die Acetalbildung aus einem Halbacetal ist also eine einfache Nucleophile Substitution:

Bildung eines Halbacetals und dann eines Acetals
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende