Die Carbonylgruppe

Die Carbonylgruppe -C=O kommt in den funktionellen Gruppen der AldehydeAldehyde, Ketone und Carbonsäuren vor. Bei den Aldehyden ist die C=O-Gruppe stets mit einem H-Atom verbunden und mit einem Alkylrest, so wie die folgende Abbildung zeigt:

Bei den Ketonen dagegen ist die Carbonylgruppe mit zwei gleichen oder verschiedenen Alkylresten verbunden, und bei den Carbonsäuren ist die Carbonylgruppe Bestandteil der Carboxygruppe -COOH.

Wie man in der Abbildung gut erkennen kann, besteht die Carbonylgruppe aus einem stark elektronegativen O-Atom und einem weniger elektronegativen C-Atom. Das O-Atom ist mit zwei polaren kovalenten Bindungen an das C-Atom gebunden.

Aufgrund der beiden polaren Bindungen verhält sich die Carbonylgruppe wie ein Dipol, was sich dann auf das ganze Molekül auswirken kann.

Für die Schüler der Q1 vielleicht interessant: Die Carbonylgruppe kann leicht von elektrophilen und nucleophilen Stoffen angegriffen werden. Elektrophile Stoffe lagern sich gern an das positiv polarisierte C-Atom an, während sich nucleophile Stoffe gern an das negativ polarisierte O-Atom der Carbonylgruppe anlangern.

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 und 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

Es gibt keine H-Brücken zwischen den Molekülen eines flüssigen Aldehyds. Die einzigen Kräfte, die zwischen diesen Molekülen wirken, sind die schwächeren Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.

Hier noch einmal ein Vergleich der drei Typen schwacher chemischer Bindungen, nämlich van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Kräfte und Wasserstoffbrücken-Bindungen:

Da Aldehyd-Moleküle untereinander keine H-Brücken bilden können, sind die Siedepunkte niedriger als bei den Alkoholen, aber - bedingt durch die polare C=O-Gruppe - wesentlich höher als bei den entsprechenden Alkanen. Höherkettige Aldehyde sind hochviskos, mit zunehmender Kettenlänge werden sie schließlich fest.

Ketone haben ebenfalls eine Carbonylgruppe, allerdings mitten im Molekül: R1-CO-R2. Es ist also kein H-Atom mit der Carbonylgruppe verbunden. Auch bei den Ketonen kann die polare Carbonylgruppe 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.