In der Natur sind Acetale nicht mehr weg zu denken. Das mag einen zunächst verwundern, da der Begriff Acetal und Halbacetal außerhalb der organischen Chemie nicht sehr weit verbreitet ist. Jedoch begegnen uns Acetale und Halbacetale nahezu jeden Tag in Form von Kohlenhydraten.
Acetal – Definition
Acetale sind chemische Verbindungen, bei denen ein Kohlenstoff-Atom (C-Atom) mit zwei Alkoxy- oder Aryloxygruppen verbunden ist.
Ein Halbacetal ist eine Zwischenstufe bei der Bildung von Acetalen. Dabei sind an einem C-Atom eine Alkoxy- oder Aryloxygruppe sowie eine Hydroxygruppe gebunden.
Acetale werden in der Chemie auch als Vollacetale bezeichnet. Kennzeichnend bei Acetalen ist, dass es eine Bindung von einem C-Atom mit zwei Alkoxy- oder Arylgruppen gibt. Bei Acetalen sind beide funktionelle Gruppen am gleichen C-Atom gebunden.
Aufgrund der beiden Ethergruppen am gleichen C-Atom werden Acetale in der organischen Chemie auch den geminalen Diethern zugeordnet.
Eine Alkoxygruppe bezeichnet eine funktionelle Gruppe, bei der eine Alkylguppe über ein Sauerstoffatom mit einem C-Atom verbunden ist.
Bei einer Aryoxylgruppe ist ein Arylrest, also ein aromatischer Rest, über ein Sauerstoffatom mit einem C-Atom verbunden. Die Aryloxygruppe ist auch eine funktionelle Gruppe.
Acetale entstehen aus Aldehyden und Ketonen. In der Vergangenheit unterschied man in der Chemie zwischen Acetalen aus Aldehyden und Ketalen aus Ketone. Diese Untergliederung hinsichtlich Ketale und Acetale erfolgt heute jedoch kaum noch.
Stabilität von Acetalen
Acetale und Ketale sind nicht sehr reaktiv. Acetale gehen kaum Reaktionen mit Basen ein, aber auch unter Einfluss von Oxidations- und Reduktionsmitteln sind Acetale recht stabil. Lediglich die Zugabe von Säure führt zu einer Hydrolyse. Somit reagiert das Acetal oder Ketal wieder zurück zum jeweiligen Aldehyd oder Keton.
Acetal – Mechanismus
Der Mechanismus der Acetalbildung ist nichts weiter als die Addition eines Alkohols an ein Aldehyd oder Keton. Diese Addition wird durch eine Säure katalysiert. Es entsteht im Verlauf der Acetalbildung Wasser als Nebenprodukt. Zunächst wird ein Halbacetal gebildet, welches danach weiterreagieren kann zu einem Acetal.
Die folgenden Erläuterungen zum Mechanismus der Acetalbildung werden anhand eines Aldehyds als Edukt erklärt. Diese Acetalbildung ist, wie bereits erwähnt, auch mit einem Keton möglich, wobei dadurch Ketale entstehen.
1. Schritt: Protonierung des Aldehyds
Im ersten Schritt zur Bildung eines Acetals greift das Proton der Säure an der Carbonyl-Gruppe des Aldehyds an. Es findet eine Protonierung statt.
Abbildung 1: Protonierung eines Aldehyds durch eine Säure
Es entsteht ein Molekül mit einer positiven Ladung, wobei es zwei mesomere Grenzstrukturen gibt. Eine der beiden mesomeren Grenzstrukturen ist ein Carbo-Kation, also ein positiv geladenes C-Atom.
2. Schritt: Nucleophiler Angriff eines Alkohols am Carbo-Kation
Im zweiten Schritt kommt der Alkohol als Reaktionspartner ins Spiel. Dieser greift als Nucleophil am positiv geladenen C-Atom des Carbo-Kations an.
Abbildung 2: Ein Alkohol greift an dem protonierten Aldehyden an
3. Schritt: Abgang eines Protons und Entstehung eines Halbacetals
Durch diesen Angriff entsteht ein Molekül mit einer positiven Ladung an einem Sauerstoffatom. Durch Abgang eines Protons an diesem positiv geladenen Sauerstoffatom entsteht ein Halbacetal als Zwischenprodukt. Nun ist auch ersichtlich, dass das Proton der Säure als Katalysator fungiert, da es nun wieder zur Verfügung steht.
Abbildung 3: Deprotonierung und Entstehung eines Halbacetals
4. Schritt: Protonierung des Halbacetals
Nun folgt die Entstehung des Acetals. Das zuvor entstandene Halbacetal wird dafür protoniert. Das Proton greift an der Hydroxygruppe des Halbacetals an.
Abbildung 4: Protonierung des Halbacetals
5. Schritt: Wasser wird abgespalten
Im nächsten Schritt zur Bildung eines Acetals wird Wasser abgespalten. Es erfolgt eine Eliminierung.
Abbildung 5: Abspaltung von Wasser
6. Schritt: Nucleophiler Angriff eines Alkohols am Carbo-Kation
Durch den Abgang von Wasser entsteht wieder ein Molekül mit einer positiven Ladung an einem C-Atom. An diesem C-Atom greift erneut ein Alkohol als Nucleophil an.
Abbildung 6: Ein Alkohol greift als Nucleophil an
7. Schritt: Abgang eines Protons und Entstehung eines Acetals
Abschließend erfolgt der Abgang eines Protons. Es entsteht ein Acetal als Produkt.
Abbildung 7: Abspaltung eines Protons und Entstehung eines Vollacetals
Wenn ein zweiwertiger Alkohol bei der Acetalbildung genutzt wird, entsteht ein cyclisches Acetal. Durch die Nutzung eines sogenannten Diols ist eine intramolekulare Reaktion im zweiten Teil des Mechanismus möglich und ein cyclisches Acetal kann sich bilden.
Acetal Hydrolyse
Das gebildete Acetal oder Ketal kann durch Hydrolyse wieder in einen Aldehyd und Alkohol gespalten werden. Die Spaltung erfolgt durch Zugabe von Wasser und einer Säure zu den Acetalen beziehungsweise Ketalen.
Abbildung 8: Hydrolyse eines Acetals
Vorkommen von Acetalen
In der Natur kommen sowohl Halbacetale als auch Acetale vor. Halbacetale sind bei einfachen Kohlenhydraten zu finden. Diese werden in der Chemie als Monosaccharide bezeichnet und treten in der Regel in einer Ringform auf. Diese Ringform kommt durch Bildung eines Halbacetals zustande.
Abbildung 9: α-D-Glucose in der Ringform
Wenn sich Monosaccharide verbinden, entstehen lange Ketten aus Kohlenhydraten, welche Oligo- oder Polysaccharide genannt werden. Die entsprechenden Kohlenhydrate kommen dort als Acetale vor.
Acetale als Schutzgruppe
In der organischen Chemie haben besonders cyclische Acetale eine Bedeutung. Sie werden als sogenannte Schutzgruppen verwendet.
Hintergrund für die Funktion der cyclischen Acetale als Schutzgruppe ist die hohe Reaktionsfreudigkeit von Carbonyl-Gruppen, welche in Aldehyden und Ketonen vorkommen. Durch Umwandlung der Aldehyde und Ketone in cyclische Acetale beziehungsweise Ketale kann die Carbonyl-Gruppe keine unerwünschten Reaktionen eingehen, wie beispielsweise eine Oxidation.
Die Überführung in ein cyclisches Acetal kann wieder rückgängig gemacht werden. Durch Zugabe einer Säure sowie von Wasser zu den cyclischen Acetalen oder Ketalen erfolgt eine Hydrolyse und es liegt wieder das entsprechende Aldehyd oder Keton vor.
Anderseits können in der organischen Chemie auch zweiwertige Alkohole geschützt werden. Cyclische Acetale werden auch hier als Schutzgruppen für 1,2- und 1,3-Diole verwendet. Für die Acetalbildung wird häufig Aceton als Reaktionspartner genutzt.
Acetale - Das Wichtigste
- Acetale sind in der organischen Chemie Verbindungen, bei denen ein C-Atom mit zwei Alkoxy- oder Aryloxygruppen verbunden ist.
- Acetale entstehen bei einer säurekatalysierten Reaktion aus Aldehyden oder Ketonen mit Alkoholen.
- Ein Zwischenprodukt der Acetalbildung ist das Halbacetal.
- Acetale sind chemisch stabil.
- Durch Nutzung von zweiwertigen Alkoholen, auch Diole genannt, entstehen cyclische Acetale.
- Durch eine Hydrolyse kann ein Acetal oder Ketal wieder in ein Aldehyd oder Keton und Alkohol zurück überführt werden.
- Halbacetale sind bei einfachen Kohlenhydraten, sogenannten Monosacchariden, zu finden.
- In der organischen Chemie dienen cyclische Acetale als Schutzgruppen.
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