Etwa 20 % der Gesamtenergie, die Dein Körper am Tag benötigt, verbraucht das Gehirn. Diese Energie wird in den meisten Fällen in Form von Glucose geliefert, allerdings sind auch die sogenannten Ketonkörper wertvolle Energielieferanten für Dein Gehirn.
Bei Ketonen ganz allgemein handelt es sich um eine Stoffklasse in der organischen Chemie. Du findest sie zudem in einigen Früchten. Himbeerketon ist beispielsweise für den typischen Geschmack der Himbeeren verantwortlich. Die Sexualhormone Testosteron und Progesteron im menschlichen Körper zählen ebenfalls zu den Ketone. Doch was macht Ketone aus?
Ketone Definition
Damit Du auf einem einheitlichen Level über Ketone sprechen kannst, beginnst Du am besten mit der Definition:
Ein Keton ist eine Verbindung mit einer Carbonylgruppe, das heißt eine C=O-Bindung, die nicht endständig ist
Ketone unterschieden sich von den ihnen ähnlichen aussehenden Aldehyden durch die Position der Carbonylgruppe. Bei Aldehyden ist diese entsprechend endständig. Statt eines weiteren organischen Rests ist also ein Wasserstoffatom an das C-Atom gebunden.
Die folgenden Abbildungen in der Tabelle zeigen Dir den Unterschied zwischen einem Keton und einem Aldehyd.
| Keton | Aldehyde |
 Abbildung 1: Aceton als Keton
|  Abbildung 2: Acetaldehyd als Aldehyd
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Ketone Strukturformel
Ganz allgemein lässt sich ein Keton als eine C=O-Bindung mit zwei variablen Seitenketten R1 und R2 darstellen. Die folgende Abbildung zeigt Dir diese mögliche Strukturformel der Ketone.
Abbildung 3: Strukturformel von Ketonen
Wenn beide Seitenketten Alkylresten entsprechen, sprichst Du von sogenannten Alkanonen. Alkylreste sind dabei einfach Alkane, also Kohlenwasserstoffe ohne Mehrfachbindungen. Sie besitzen die Summenformel CnH2n+1. In Abbildung 1 handelt es sich beispielsweise um ein solches Alkanon, da das zentrale C-Atom zwei Methylreste besitzt. Das sind die jeweils endständigen CH3-Gruppen, die Du siehst. Die Seiten können aber auch andere beliebig lange Kohlenstoffketten sein, die andere funktionelle Gruppen beinhalten.
Die Bezeichnung "Methyl" kommt dabei von dem Alkan Methan mit der Summenformel CH4.
Ketone Allgemeine Summenformel
Nachdem Du nun die entsprechende Strukturformel kennengelernt hast, kannst Du Dir sicherlich vorstellen, dass es nicht so leicht ist für Ketone eine allgemeine Summenformel zu finden. Besonders aufgrund der teils sehr zentralen Position und der variablen Reste kann keine Summenformel angegeben werden, die allgemeingültig ist. Später wirst Du noch eine kennenlernen, die zumindest für die homologe Reihe der Alkanone gilt.
Stattdessen kann nur die Ketongruppe selbst beschrieben werden. Diese besteht immer aus mindestens drei Kohlenstoffatomen (R1 und R2 sind Kohlenwasserstoffreste) und der typischen Doppelbindung zu Sauerstoff am zentralen C-Atom. Du wirst daher auch diese Schreibweise sehen:
R1-C(=O)-R2
Ketone Homologe Reihe
Eine homologe Reihe bezeichnet in der Chemie eine Gruppe strukturell ähnlicher Moleküle, die sich durch eine allgemeine Summenformel beschreiben lassen. Dabei wird ein Element der Reihe durch Anhängen einer Grundeinheit an das vorherige Element gebildet.
Durch Einsetzen verschieden langer Alkylreste für die Seitenketten der allgemeinen Strukturformel eines Ketons, erhältst Du die homologe Reihe der Ketone. Das kleinste Keton dieser Reihe ist das bereits bekannte Propan-2-on oder auch Aceton genannt. Das nächst größere Keton mit vier Kohlenstoffatomen ist Butan-2-on.
Durch wiederholtes Hinzufügen eines weiteren Kohlenstoffatoms erhältst Du schließlich die gesamte Reihe der Ketone, von denen einige mit möglichen Strukturformeln in der unten stehenden Tabelle aufgeführt sind. Außerdem ist die allgemeine Summenformel eines Ketons der homologen Reihe für n Kohlenstoffatome aufgeführt.
| Anzahl der Kohlenstoffatome | mögliche Strukturformeln | Summenformel |
| 3 | Propan-2-on | C3H6O |
| 4 | Butan-2-on | C4H8O |
| 5 | Pentan-2-onPentan-3-on | C5H10O |
| 6 | Hexan-2-onHexan-3-on | C6H12O |
| 7 | Heptan-2-onHeptan-3-onHeptan-4-on | C7H14O |
| n | | CnH2nO |
Tab. 1: Die homologe Reihe der Ketone.
Ketone Eigenschaften
Nachdem Du nun Ketone und ihren Aufbau kennengelernt hast, stellt sich natürlich die Frage nach den Eigenschaften. Um an dieser Stelle noch einmal auf die Fakten aus der Einleitung zurückzukommen: Ketone können auch verschiedene Zucker sein. Man bezeichnet diese dann als Ketosen, da sie eine zentrale Carbonylgruppe besitzen. Glucose hingegen zählt zu den Aldose und leitet sich somit von den verwandten Aldehyden hab.
Höher- und niedermolekulare Ketone
Bei Ketonen wird zwischen niedermolekularen, kurzkettigen, und höhermolekularen, also langkettigen Ketonen unterschieden. Während niedermolekulare Ketone flüssig sind, sind höhermolekulare Ketone fest. Hinsichtlich der homologen Reihe der Ketone würden alle Ketone ab 13 Kohlenstoffatome zu den höhermolekularen Ketonen gezählt werden, da dann die ersten Ketone bei Raumtemperatur fest und nicht mehr flüssig sind.
Dass ab 13 Kohlenstoffatomen ein Keton der homologen Reihe fest ist, liegt daran, dass mit mehr Kohlenstoffatomen stärkere Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Ketonmolekülen vorliegen. Entsprechend nimmt auch der Siedepunkt innerhalb der homologen Reihe der Ketone mit mehr Kohlenstoffatomen zu.
Van-der-Waals-Kräfte sind eine Form der sogenannten sekundären Wechselwirkungen. Durch kurzzeitige, spontane Ladungsverschiebungen innerhalb eines Teilchens kommt es zu schwacher elektrostatischer Anziehung. Je größer das Molekül ist, desto mehr Van-der-Waals-Kräfte sind möglich.
Eine weitere Konsequenz der wachsenden Kohlenstoffkette bei den langkettigen Ketonen ist die gleichzeitig zunehmende Wasserunlöslichkeit. Zwar haben alle Ketone eine polarisierte C=O-Bindung mit partiell positiv geladenem Kohlenstoffatom und partiell negativ geladenem Sauerstoffatom, jedoch rückt der polare Charakter der Carbonylgruppe in den Hintergrund bei immer größeren, unpolaren Alkylresten.
Man spricht von polaren Molekülen, wenn die Differenz der Elektronegativität so groß ist, dass ein Atom eine sehr große Anziehungskraft auf die Bindungselektronen ausübt. Diese verschieben sich dann zu dem stärkeren Atom und es kommt zu partiell auftretenden Ladungen. Ist die Differenz ausreichend groß, entstehen so aus die Dir bekannten Ionen.
Ketone Reaktivität
Ketone sind weniger reaktionsfreudig als die ihnen ähnlichen aussehenden Aldehyden. Das liegt daran, dass die C=O-Gruppe in einem Keton von zwei Kohlenwasserstoffketten umgeben ist. Bei einem Aldehyd ist die C=O-Gruppe nur an eine Kohlenwasserstoffkette gebunden, weil sie endständig ist. Doch was haben die Kohlenwasserstoffketten mit der Reaktivität zu tun?
Das Kohlenstoffatom der C=O-Gruppe hat eine sogenannte positive Teilladung. Das liegt daran, dass das Sauerstoffatom stärker an den Elektronen zieht, die in der Doppelbindung zwischen Kohlenstoffatom und Sauerstoffatom geteilt werden. Die positive Teilladung des Kohlenstoffatoms ermöglicht es negativ geladenen Teilchen in einer Reaktion an das Kohlenstoffatom zu binden. Je stärker diese Teilladung ist, desto einfacher fällt es negativ geladenen Teilchen zu binden und desto reaktiver ist das Keton oder Aldehyd.
Das Binden negativ geladener Teilchen an positiv oder partiell positiv geladenes Teilchen wird auch nucleophiler Angriff genannt.
Die Kohlenwasserstoffketten verringern die positive Teilladung im Kohlenstoffatom der C=O-Gruppe. Wenn wie im Fall von Aceton und anderen Ketonen nun beidseitig Kohlenwasserstoffketten vorhanden sind, wird der reaktionshemmende Effekt noch größer.
Außerdem ist der ladungsverringernde Effekt auch umso größer, je länger die Kohlenwasserstoffketten sind. Der ladungsverringernde Effekt rührt daher, dass die Kohlenstoffatome der Kohlenwasserstoffketten partiell negativ geladen sind. Denn sie ziehen stärker an den Elektronen als die Wasserstoffatome, ihre Bindungspartner.
Atome mit einer negativen beziehungsweise partiell negativen Ladung verringern die positive beziehungsweise partiell positive Ladung ihrer Bindungspartner. Du sprichst dann vom sogenannten +I-Effekt oder auch elektronenschiebender Effekt genannt.
Keto-Enol-Tautomerie
Ein Enol ist ein Alkohol, bei dem das Kohlenstoffatom, welche die Hydroxygruppe trägt, eine Doppelbindung zu einem anderen Kohlenstoffatom besitzt. Das einfachste Enol ist Ethenol.
Abbildung 5: Strukturformel von Ethenol
Ketone können durch Umlagerung eines Protons, also eine H+-Ions, zum Enol werden. Wenn zwei Moleküle durch Umlagerung von Atomgruppen ineinander überführt werden können, wird von Tautomerie gesprochen.
Chemiker*innen sprechen auch davon, dass zwei Moleküle tautomer zueinander sind. Im Fall der Ketone ist die Rede dementsprechend von einer Keto-Enol-Tautomerie.
Tautomerie ist eine Form der Isomerie. Mehr zum Thema Keto-Enol-Tautomerie erfährst Du im entsprechenden Artikel.
Ketone Herstellung
Ketone können durch Oxidation sekundärer Alkohole hergestellt werden. Ein Alkohol ist dabei ein Kohlenstoffgerüst mit einer Hydroxygruppe (-OH). Bei einem sekundären Alkohol ist das Kohlenstoffatom, das die OH-Gruppe gebunden hat, mit zwei weiteren Kohlenstoffatomen jeweils über eine Einfachbindung verbunden.
Eine Oxidation kommt Dir sicherlich schon bekannt vor von den Redoxreaktionen. Dabei handelt es sich um eine Elektronenabgabe. Propan-2-ol zum Beispiel kann über das Kohlenstoffatom, das die Hydroxygruppe gebunden hat, Elektronen abgeben. Dies geschieht mithilfe von Chrom(VI)-Oxid (CrO3) als Oxidationsmittel. Schwefelsäure (H2SO4) dient dabei als Katalysator und setzt somit die Aktivierungsenergie herab.
Chrom(VI)-Oxid nimmt nun Elektronen des Kohlenstoffatoms auf, sodass dieses oxidiert wird. Dadurch verändert sich das elektrostatische Gleichgewicht im Molekül, sodass der Sauerstoff der Hydroxygruppe den Wasserstoff abgibt und eine Doppelbindung zum Kohlenstoffatom ausbildet. Die Reaktion selbst wird als Jones-Reaktion bezeichnet. Der Mechanismus dazu ist allerdings noch nicht vollständig aufgeklärt.
Ketone Nachweisreaktion
Es gibt verschiedene Nachweismethoden für Ketone. Im Folgenden erfährst Du mehr zur DNPH- sowie Tollens-Probe.
DNPH-Probe
Sowohl Ketone als auch Aldehyde kannst Du mit der sogenannten DNPH-Probe nachweisen. Bei der DNPH-Probe fügst Du das sogenannte 2,4-Dinitrophenylhydrazon zum Keton beziehungsweise Aldehyd hinzu. Wenn dabei ein weißer Niederschlag entsteht, weißt Du, dass eine Carbonylgruppe vorliegt.
Du weißt jedoch noch nicht, ob es sich bei der Probe um ein Keton oder Aldehyd handelt. Um das herauszufinden, musst Du die Tollens-Probe anwenden, welche eine Nachweisreaktion für Aldehyde ist.
Tollens-Probe
Bei der Tollens-Probe mischst Du das vermeintliche Keton mit dem sogenannten Tollens-Reagenz. Das Tollens-Reagenz beinhaltet eine wässrige Lösung mit Diamminsilber(I)-Ionen ([Ag(NH3)2]+) und Hydroxidionen (OH-). Bei Zugabe eines Ketons verändert sich an der Lösung nichts. Gibst Du hingegen ein Aldehyd hinzu, entsteht Silber, welches die Innenwand des Reagenzglases auskleidet. Deswegen wird bei der Tollens-Probe synonym von der Silberspiegelprobe gesprochen.
Die obige Reaktionsgleichung beschreibt die Reaktion der Tollens-Probe bei Hinzugabe des Aldehyds Formaldehyd zum Tollens-Reagenz. Das Aldehyd Formaldehyd wird zur Carbonsäure (CH3COOH) oxidiert. Die Silberionen im Diamminsilber(I)-Komplex nehmen die Elektronen auf und werden somit zum elementarem, festem, glänzendem Silber. Diese Reaktion ist bei Ketonen deshalb nicht möglich, weil Ketone wie zuvor besprochen nicht weiter oxidiert werden können, anders als Aldehyde.
Es ist wichtig zu verstehen, dass es nicht notwendig ist, die Tollens-Probe auf eine unbekannte Lösung anzuwenden, wenn bei der DNPH-Probe kein weißer Niederschlag entsteht. Denn ein Fehlschlagen der DNPH-Probe impliziert, dass es sich bei der unbekannten Lösung weder um ein Keton, noch um ein Aldehyd handelt.
Ketone Verwendung
Zu Beginn hast Du bereits einige Bereiche kennengelernt, in denen Ketone verwendet werden. So sind sie der Notfalllieferant für Energie an Dein Gehirn, wenn die Glucose aufgebraucht ist. Allerdings findest Du sie noch an vielen weiteren Stellen.
Himbeerketon kommt schließlich nicht nur in Himbeeren vor, sondern wird dann auch synthetisch verwendet, um den Geschmack nachzustellen. Sie werden dementsprechend auch als Riechstoffe angewandt.
Zu Beginn hast Du zudem auch Aceton kennengelernt. Dieses fungiert als Lösungsmittel für verschiedene Stoffe, kann allerdings auch als Reinigungsmittel verwendet werden, da es selbst die Flecken löst, die Deine üblichen Putzmittel meist nicht verschwinden lassen kann.
Weitere Anwendungsbereiche sind:
- Kunstharzkomponenten
- Weiterverarbeitung zu Arzneimitteln und Farbstoffen
- synthetische Fasern
Ketone – Das Wichtigste
- Ketone enthalten eine Carbonylgruppe, die nicht endständig ist. Die allgemeine Summenformel für Ketone kann nicht angegeben werden, da sie abhängig von den Resten ist. Entscheidend ist jedoch die C=O-Doppelbindung.
- Ketone Homologe Reihe: Beginnend bei Propan-2-on kann auch für Ketone eine homologe Reihe erstellt werden.
- Ketone können durch Umlagerung eines Protons innerhalb des Moleküls in sogenannte Enole überführt werden. Dieser Mechanismus nennt sich Keto-Enol-Tautomerie.
- Ketone können durch Oxidation sekundärer Alkohole gewonnen werden.
- Eine positive DNPH-Probe (weißer Niederschlag) bedeutet, dass eine Verbindung mit Carbonylgruppe vorliegt (Keton oder Aldehyd); Die Tollens-Probe erlaubt die Bestimmung, was von diesen beiden Stoffgruppen das untersuchte Reagenz tatsächlich ist (Aldehyd bei Silberniederschlag).
- Ketone Verwendung: Ketone können vielseitig verwendet werden. Sie dienen im Körper als Energielieferant, können aber auch zur Aromatisierung und als Lösungsmittel verwendet werden.
Nachweise
- Winter (2018). Organische Chemie für Dummies.
- spektrum.de. Gehirnstoffwechsel - Lexikon der Neurowissenschaft (31.10.2022).
- Abb. 1: Strukturformel von Aceton (https://de.wikipedia.org/wiki/Aceton#/media/Datei:Aceton_Strukturformel.svg) von Souna23 unter der Lizenz CC0 1.0.
- Abb. 2: Struktur von Acetaldehyd (https://de.wikipedia.org/wiki/Acetaldehyd#/media/Datei:Leuckart-Wallach-Reaktion_Acetaldehyd.svg) von Stolze Rose unter der Lizenz CC0 1.0.
- Abb. 3: Allgemeine Struktur der Alkanone (https://de.wikipedia.org/wiki/Ketone#/media/Datei:Ketone_Structural_Formula_V.2.svg) von Jü unter Lizenz CC0 1.0.
- Abb. 5: Struktur von Ethenol (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cd/Ethenol-2D.png) von Ben Mills unter der Lizenz CC0 1.0.
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