Butanon

1. Einführung

Butanon ist nach Propanon (Aceton) das zweite Glied in der homologen Reihe der Alkanone, also der von Alkanen abgeleiteten Ketone.

2. Strukturdaten

Strukturdaten des Aceton-Moleküls
Autor: Ulrich Helmich 10/2024, Lizenz: Public domain

Auf diesem Bild sehen wir die Strukturdaten des Vorgängers in der homologen Reihe, Aceton bzw. Propanon. Beim Butanon werden sich die Bindungslängen und Bindungswinkel nicht erheblich unterscheiden.

Eine Carbonylgruppe C=O ist mit einer Methyl-Gruppe -CH₃ und einer Ethyl-Gruppe -C₂H₅ verknüpft. Daher wird Butanon oft auch als Methylethylketon bezeichnet und mit MEK abgekürzt.

Wie bereits beim Propanon dargestellt, zeigt auch Butanon eine Keto-Enol-Tautomerie.

Keto-Enol-Tautomerie bei Butanon
Autor: Ulrich Helmich 01/2025, Lizenz: Public domain

Die Darstellung der Keto-Enol-Tautomerie beim Butanon ist stark vereinfacht. Auf die Tatsache, dass von dem Enol eine cis- und eine trans-Form existieren kann, wird in dem Bild nicht eingegangen.

Wie auch beim Propanon liegt im chemischen Gleichgewicht hauptsächlich die Keto-Form vor. Bei Propanon sogar zu über 99,99%. Für Butanon liegen mir keine entsprechenden Daten vor.

3. Physikalische Eigenschaften

3.1 Schmelz- und Siedepunkt

Der Schmelzpunkt von Butanon liegt bei -86 ºC und damit etwas höher als der von Propanon (-95 ºC), der Siedepunkt bei 79,6 ºC und damit deutlich höher als der von Propanon (56 ºC).

Der Siedepunkt von Butanon liegt deutlich höher als der Siedepunkt vergleichbarer Alkane, aber auch deutlich unterhalb dem Siedepunkt vergleichbarer Alkohole:

• Pentan (M = 72,15 g/mol, Sdp. = 36 ºC )
• Butanon (M = 72,11 g/mol, Sdp = 79,6 ºC)
• 2-Butanol (M = 74,12 g/mol, Sdp. = 99 ºC )

Wie kommt dieser "mittlere" Siedepunkt des Butanons zustande?

Butanon hat einen höheren Siedepunkt als ein Alkan mit vergleichbarer Molmasse (Pentan). Das liegt daran, dass Butanon ein permanenter Dipol ist, daher wirken nicht nur die London-Kräfte zwischen den Molekülen (wie bei den Alkanen), sondern zusätzlich auch Keesom-Kräfte (oft als Dipol-Dipol-Wechselwirkung bezeichnet).

Ein vergleichbarer Alkohol (2-Butanol) dagegen hat einen deutlich höheren Siedepunkt als Butanon, denn die Alkohol-Moleküle werden nicht nur durch die eben genannten schwachen van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten (London-Kraft, Keesom-Kraft), sondern zusätzlich durch relativ starke Wasserstoffbrücken-Bindungen.

3.2 Löslichkeitsverhalten

Butanon ist im Gegensatz zu Propanon nicht mehr unbegrenzt in Wasser löslich. Die Wasserlöslichkeit beträgt vielmehr nur noch 292 g/l.

Verantwortlich für die immer noch recht große Wasserlöslichkeit ist das O-Atom der Carbonylgruppe, das mit den Wasser-Molekülen H-Brücken bilden kann. Das O-Atom dient dabei als H-Brücken-Akzeptor, die H₂O-Moleküle als H-Brücken-Donator.

Lösungsmittel

Butanon löst organische unpolare Stoffe meistens sehr gut, daher wird es ähnlich wie Propanon häufig als universelles Lösemittel für alles Mögliche eingesetzt, zum Beispiel für Farben und Lacke, Vinylharze, Öle und so weiter.

3.3 Weitere Eigenschaften

Butanon ist eine farblose, ähnlich wie Propanon riechende Flüssigkeit, die mit blau-gelber Flamme brennt. Die Dichte beträgt 0,79 g/cm³, das Dipolmoment 2,88 D.

4. Gewinnung und Synthese

4.1 Oxidation von Butan-2-ol

Im Chemieunterricht kann Butanon recht einfach aus Butan-2-ol durch Oxidation hergestellt werden. Der bekannteste und in fast jedem Schulbuch vertretende Versuch ist der, bei dem Kupferblech zum Glühen gebracht und dann in ein Reagenzglas mit Butan-2-ol geworfen wird.

Auch in der Industrie wird Butanon aus Butan-2-ol gewonnen, "in der Gasphase bei Temperaturen von 400–500 ºC unter Normaldruck in Gegenwart von Zink- oder Kupferoxid-Katalysatoren" (Wikipedia). Ein alternatives Verfahren funktioniert sogar schon bei 150 ºC.

Aus Butan-2,3-diol (aus nachwachsenden Rohstoffen) kann Butanol biotechnologisch hergestellt werden.

5. Reaktionen

5.1 Butanon ist ein Angriffsziel für Nucleophile

Butanon als zweiteinfachster Vertreter der Ketone hat auch alle chemischen Eigenschaften der Ketone. Für den Chemieunterricht am wichtigsten ist natürlich die polare Carbonylgruppe im Butanon-Molekül, an die sich sowohl nucleophile wie auch elektrophile Teilchen anlagern können. Die typische Reaktion der Carbonylverbindungen, die nucleophile Addition, ist auf eigenen Seiten dieser Homepage ausführlich dargestellt.

5.2 Butanon kann selbst ein Nucleophil sein

Umgekehrt kann Butanon aber auch als Nucleophil eingesetzt werden. Gibt man Butanon mit einer starken Base zusammen, wird ein Proton von einer der beiden Alkyl-Gruppen abstrahiert, und es entsteht ein Carbanion.

Aldolkondensation

In diesem Informationskasten wird die Aldolkondensation am Beispiel von Propanon dargestellt. Mit Butanon müsste die Reaktion analog verlaufen.

Bei der Aldolkondensation greift ein Aldehyd- oder Keton-Molekül ein zweites in einer nucleophilen Addition als Nucleophil an. Hier eine Zeichnung, die zeigt, wie zwei Aceton-Moleküle ein Produkt mit sechs C-Atomen bilden:

Schema einer Aldolkondensation
Autor: Ulrich Helmich 04/2024, Lizenz: Public domain

Aldol-Kondensationen sind ein wichtiger Reaktionstyp der organischen Chemie und der Biochemie.

1. Einem Aceton-Molekül wird durch die starke Base OH^- ein Proton entzogen, es bildet sich ein Carbanion.
   
2. Ein solches Carbanion ist ein hervorragendes Nucleophil, das sich jetzt in einer nucleophilen Addition an ein zweites Aceton-Molekül anlagert.
3. Das negativ geladene O-Atom des Zwischenprodukts nimmt nun ein Proton auf, das von einem H₂O-Molekül gespendet wurde. Dadurch wird ein OH^--Ion zurück gewonnen, so dass man von einer basischen Katalyse sprechen kann.
   Das entstandene Additionsprodukt bezeichnet man als Aldol (Ald für Aldehyd, ol für Alkohol), daher bezeichnet man diese spezielle Form der nucleophilen Addition auch als Aldol-Addition.
4. Meistens wird aber in einem zusätzlichen Schritt noch ein Wasser-Molekül abgespalten. Diesen Schritt bezeichnet man dann als Aldol-Kondensation. Das Reaktionsprodukt dieser Reaktion ist dann eine α,β-ungesättigte Carbonylverbindung mit zwei konjugierten Doppelbindungen.

In der Wikipedia werden noch ein paar weitere Reaktionen des Butanons genannt.

• Oxidation mit Luftsauerstoff liefert 2,3-Butandion (Diacetyl).
• Reaktion mit Wasserstoffperoxid liefert Methylethylketonperoxid, das dann als Starter für verschiedene Polymerisationsreaktionen verwendet werden kann.
• Interessant ist auch die Oxidation durch Salpetersäure, die zu einem Gemisch aus Methansäure und Propansäure führt.
• Die Kondensation mit Methanal ergibt 3-Methylbutan-2-on (Methylisopropylketon).

Das sind nur ein paar der Umsetzungen, die in der Wikipedia aufgeführt werden.