Die Carbonyl-Gruppe

Vorkommen

Die Carbonyl-Gruppe -C=O kommt in den funktionellen Gruppen der Aldehyde, Ketone und Carbonsäuren vor, außerdem in vielen anderen organischen Verbindungen, zum Beispiel den Estern, den Carbonsäure-Chloriden oder den Carbonsäure-Amiden. Die Carbonyl-Gruppe ist laut [2] "eindeutig die wichtigste funktionelle Gruppe der Organischen Chemie".

Bei den Aldehyden ist die C=O-Gruppe stets mit einem H-Atom verbunden und mit einem Alkylrest, so wie die folgende Abbildung zeigt:

Verschiedene Verbindungen mit Carbonyl-Gruppe n
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Bei den Ketonen dagegen ist die C=O-Gruppe mit zwei Alkylresten verbunden, und bei den Carbonsäuren ist die C=O-Gruppe Bestandteil der Carboxygruppe -COOH.

Eine weitere Klasse von organischen Verbindungen mit einer Carbonyl-Gruppe sind die Ester, also Verbindungen aus einer Carbonsäure und einem Alkohol. Hier ist das H-Atom der COOH-Gruppe durch des Alkylgruppe des Alkohols ersetzt worden.

Schließlich sollen noch die Carbonsäure-Amide genannt werden, weil sie für die Chemie der Peptide und Proteine besonders wichtig sind. Alle Peptide und Proteine enthalten nämlich eine Peptidbindung, die aus einer Carbonyl-Gruppe besteht, die mit einem N-Atom verbunden ist (also wie ein Ester aufgebaut, aber statt dem O-Atom finden wir hier ein N-Atom).

Bau der Carbonyl-Gruppe

Die Carbonyl-Gruppe ist recht einfach aufgebaut: Das Kohlenstoff-Atom ist über eine Doppelbindung mit dem Sauerstoff-Atom verbunden. Die beiden anderen Bindungen des C-Atoms sind dann mit H-Atomen oder mit organischen Resten verknüpft.

Bindungswinkel bei der Carbonyl-Gruppe
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Die Abbildung oben zeigt das Aceton-Molekül, einmal in der Aufsicht, einmal in der Seitenansicht. Aceton ist das einfachste Keton. Die Carbonyl-Gruppe ist beim Aceton mit zwei Methyl-Gruppen verbunden. Alle drei C-Atome und das O-Atom liegen in einer Ebene, wie man in der Seitenansicht gut sehen kann. Man sagt daher, dass die Carbonyl-Gruppe und die beiden angrenzenden Atome planar aufgebaut sind. "Planar" heißt so viel wie "liegen in einer Ebene".

Merkhilfe: "planar" hört sich so ähnlich an wie das Wort "platt".

Was man auf dem Bild auch gut sehen kann, sind die Bindungswinkel von 120º, die zwischen der Carbonyl-Gruppe und den beiden angrenzenden Atomen bestehen.

Eigenschaften der Carbonyl-Gruppe

Aufgrund der polaren C=O-Bindung verhält sich die Carbonyl-Gruppe wie ein Dipol, was sich dann auf das ganze Molekül auswirken kann.

Die Carbonyl-Gruppe kann leicht von elektrophilen und nucleophilen Teilchen angegriffen werden. Nucleophile Teilchen (wie CN^- oder Br^-) lagern sich gern an das positiv polarisierte C-Atom an (EN = 2,5), während sich elektrophile Teilchen (zum Beispiel H⁺) gern an das negativ polarisierte O-Atom (EN = 3,5) der Carbonyl-Gruppe anlagern.

Eine charakteristische Reaktion der Aldehyde und Ketone ist daher die nucleophile Addition, bei der zunächst das C-Atom nucleophil angegriffen wird und dann das O-Atom elektrophil.

Physikalische Eigenschaften der Aldehyde

Das O-Atom der Aldehydgruppe ist negativ polarisiert und besitzt zudem zwei freie Elektronenpaare, es ist daher in der Lage, Wasserstoffbrücken-Bindungen mit anderen Molekülen zu bilden, zum Beispiel mit Wasser- oder Alkohol-Molekülen. Daher sind die niedermolekularen Aldehyde wie Methanal oder Ethanal gut wasserlöslich; bei den höheren Aldehyden überwiegt dann der unpolare Einfluss der Alkylgruppe.

Untereinander können Aldehyde jedoch keine H-Brücken bilden. Das H-Atom der Aldehydgruppe -CHO ist nicht an ein elektronegatives Atom gebunden (N oder O), sondern sitzt an einem C-Atom. Daher kann dieses H-Atom keine H-Brücken mit den O-Atomen eines anderen Aldehyd-Moleküls bilden. Die anderen H-Atome eines Aldehyds sind mit C-Atomen verbunden und können somit erst recht keine H-Brücken bilden. Wohl aber sind Aldehyd-Moleküle Dipole, wegen der polaren C=O-Doppelbindung, wobei vor allem die beiden pi-Elektronen die Polarität verstärken, da sich noch leichter vom C-Atom angezogen werden als die beiden Elektronen der sigma-Bindung.

Siedepunkte

Wegen dieser Dipol-Bildung sind die Siedepunkte von Aldehyden (und Ketonen) deutlich höher als die von gleichwertigen Alkanen oder Alkenen. "Gleichwertig" heißt hier: ähnliche molare Masse und ähnliche Grundstruktur.

Andererseits können Aldehyd-Moleküle untereinander keine H-Brücken bilden, daher sind die Siedepunkte deutlich niedriger als die gleichwertiger Alkohole. Hier heißt "gleichwertig": ähnliche molare Masse, ähnliche Grundstruktur, und der Alkohol darf nur eine OH-Gruppe besitzen.

Wasserlöslichkeit

Mit Wasser-Molekülen können Aldehyde H-Brücken bilden, daher ist die Wasserlöslichkeit der Aldehyde größer als die gleichwertiger Alkane oder Alkene, aber geringer als die Wasserlöslichkeit gleichwertiger Alkohole.

Wegen der OH-Gruppen können Alkohole sowohl als H-Brücken-Akzeptor wie auch als H-Brücken-Donator auftreten, während die Aldehyde nur H-Brücken-Akzeptoren sind, sie haben kein "locker" gebundenes H-Atom.

Eigenschaften der Ketone

Ketone haben ebenfalls eine Carbonyl-Gruppe, allerdings mitten im Molekül: R1-CO-R2. Es ist also kein H-Atom mit der Carbonyl-Gruppe verbunden. Auch bei den Ketonen kann die polare Carbonyl-Gruppe Dipol-Eigenschaften verursachen, so dass Ketone ähnlich wie Aldehyde höhere Siedepunkte haben als vergleichbare Alkane. Wasserstoffbrücken-Bindungen können Keton-Moleküle untereinander allerdings auch nicht bilden, so dass die Siedepunkte der Ketone niedriger sind als die vergleichbarer Alkohole. Allerdings können Ketone H-Brücken mit Wasser-Molekülen bilden, so dass kurzkettige Ketone wasserlöslich sind. Längerkettige Ketone sind wegen der Alkylgruppen nicht mehr wasserlöslich.