Hydratisierung

Hydratisierung von Alkenen unter sauren Bedingungen

Aufgrund der C-C-Doppelbindungen in Alkenen findet die Hydratisierung hier häufig statt. Die Reaktion kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden, aber es entstehen immer Alkohole.

Säuren wirken bei dieser Reaktion als Katalysatoren, da in ihrer Gegenwart die Aktivierungsenergie stark herabgesetzt ist. Unter diesen Bedingungen verläuft die Reaktion in drei Schritten. Im ersten Schritt wird das Alken mit Hilfe der Säure protoniert. Dieser Reaktionsschritt verläuft, im Gegensatz zu den folgenden, eher langsam.

1. Im ersten Schritt entsteht somit ein Carbenium-Ion (positiv geladenes C-Atom).
2. Im nächsten Schritt greift nun das Wasser mit seinem freien Elektronenpaar am Carbenium-Ion an.
3. Im letzten Schritt wird dann ein Proton abgespalten, sodass schließlich ein Alkohol entsteht.

Abbildung 1: Reaktionsschritte der Sauren Hydratisierung von Alkenen

Hydratisierung: Herstellung von 2-Butanol (Alkohol)

2-Butanol wird durch die saure Hydratisierung hergestellt. Die Ausgangsstoffe sind Buten und Wasser. Die Säure stammt hierbei aus Katalysatoren, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Zuerst wird das Alken wieder protoniert. Das Proton wird gemäß der Markovnikov Regel endständig addiert. Das im Zwischenschritt entstehende Carbeniumion wird nämlich besser stabilisiert, wenn das positiv geladene C-Atom mittig in der Verbindung liegt.

Der "induktive Effekt" führt in diesem Zusammenhang zur Stabilität. Anschließend entsteht durch die Addition des Wassers 2-Butanol.

${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{[\mathrm{kat}.]}{\to }{\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}\mathrm{O}$

Um Alkohole herzustellen wird auch in der Industrie Wasser an Alkene addiert. Die dafür benötigten Alkene werden aus Erdgas oder Erdöl gewonnen. Dies gelingt durch das Cracken von langkettigen Alkanen oder durch die Isolierung aus den Rohstoffen.

Hydratisierung von Carbonylverbindungen

Es können ebenfalls Hydrate von Carbonylverbindungen gebildet werden. Dies funktioniert ohne Zugabe einer Säure.

Abbildung 2: Hydratisierung von Carbonylverbindungen

Aufgrund der hohen Elektronegativität des Sauerstoffs ist das Carbonyl stark partiell positiv geladen. Somit kann das freie Elektronenpaar des Wassers an dem Kohlenstoffatom der Carbonylverbindung angreifen. Das Wasser ist dann am Carbonyl addiert.

Jetzt wechselt das Proton noch seine Position am Sauerstoffatom. Am Ende ist die Carbonylverbindung hydratisiert. Es entsteht ein zweiwertiger Alkohol (Verbindung mit zwei Hydroxylgruppen).

Bei der Hydratisierung von Carbonylverbindungen liegt das Gleichgewicht meist auf der linken Seite der Reaktionsgleichung. Dies ist auf die Erlenmeyerregel zurückzuführen.

Eigenschaften von Aldehydhydraten

Wenn Aldehyde mit Wasser hydriert werden, entstehen Kohlenstoffverbindungen mit zwei Hydroxy-Gruppen. Diese Produkte nennt man Aldehydhydrate. Methanal (Formaldehyd) und Chloralhydrat sind Beispiele für Aldehydhydrate.

Abbildung 3: Herstellung von Aldehydhydraten. Quelle: www.abiweb.de

Abbildung 4: Struktur von Mathan (Formaldehyd). Quelle: www.wikipedia.org

In wässriger Lösung liegt Methanal gänzlich als Aldehydhydrat vor. Wenn es nicht mehr von Wasser umgeben ist, wird es instabil und zersetzt sich, sodass wieder das ursprüngliche Aldehyd gebildet wird. Chloralhydrat ist im Vergleich zu Methanal ein stabileres Aldehydhydrat. Dies ist auf den -I-Effekt, der von dem Chloratom in der Bindung hervorgerufen wird, zurückzuführen.

Bei der Hydratisierung von Ketonen liegt das Gleichgewicht der Reaktion weit auf der linken Seite, sodass diese Reaktion eher untergeordnet ist.

Hydratisierung von Alkinen

Auch Alkine können, wie Alkene, hydratisiert werden und auch hier gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten:

Direkte Addition

Der erste Weg ist die direkte Addition von Wasser. Als Katalysator fungieren hier Quecksilber(II)-Salze. Das Wasser wirkt dabei als Nucleophil und lagert sich an das Alkin. Allgemein kann die Reaktion folgendermaßen dargestellt werden:

Abbildung 6: Hydratisierung von Alkinen

Aufgrund der hohen Elektronendichte an der Dreifachbindung des Alkins greift das Wasser Nucleophil am Molekül an. In einem Zwischenschritt entsteht ein Enol. Anschließend kann dieses zu Carbonylverbindungen reagieren. Die Reaktionsprodukte sind Aldehyde.