Aldehyd

In der organischen Chemie ist ein Aldehyd ( lat . al cohol dehydrogenenatum , ^{[ 1} ] dehydrierter Alkohol ) eine organische Verbindung mit einer funktionellen Gruppe der Struktur R−CH=O . [ ^{2 ]} Die funktionelle Gruppe selbst (ohne die Seitenkette „R“ ) kann als Aldehyd bezeichnet , aber auch als Formylgruppe klassifiziert werden. Aldehyde sind ein häufiges Strukturmotiv in vielen Chemikalien ^{, die} in Technologie und Biologie von Bedeutung sind. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Aldehydmoleküle besitzen ein zentrales Kohlenstoffatom, das über eine Doppelbindung mit Sauerstoff, eine Einfachbindung mit Wasserstoff und eine weitere Einfachbindung mit einem dritten Substituenten – entweder Kohlenstoff oder, im Falle von Formaldehyd, Wasserstoff – verbunden ist. Das zentrale Kohlenstoffatom wird häufig als sp²-hybridisiert beschrieben ^. Die Aldehydgruppe ist leicht polar . Die C=O- Bindungslänge beträgt etwa 120–122 Pikometer . ^{[ 5 ]}

Aldehyde besitzen vielfältige Eigenschaften, die vom Rest des Moleküls abhängen. Kleinere Aldehyde wie Formaldehyd und Acetaldehyd sind wasserlöslich, und die flüchtigen Aldehyde haben einen stechenden Geruch.

Aldehyde lassen sich spektroskopisch identifizieren. In der IR-Spektroskopie zeigen sie eine starke νCO _- Bande bei etwa 1700 cm⁻¹ ^. In ihren ^¹H -NMR- Spektren absorbiert das Formyl-Wasserstoffzentrum im Bereich von δH _9,5  bis 10, was einen charakteristischen Teil des Spektrums darstellt. Dieses Signal zeigt die typische Kopplung zu den Protonen am α-Kohlenstoffatom mit einer kleinen Kopplungskonstante von typischerweise unter 3,0 Hz. Die ^¹³C -NMR-Spektren von Aldehyden und Ketonen zeigen ein unterdrücktes (schwaches), aber dennoch charakteristisches Signal bei δC ₁₉₀  bis 205.

Wichtige Aldehyde und verwandte Verbindungen. Die Aldehydgruppe (oder Formylgruppe ) ist rot gefärbt. Von links: (1) Formaldehyd und (2) sein Trimer 1,3,5-Trioxan , (3) Acetaldehyd und (4) sein Enol Vinylalkohol , (5) Glucose (Pyranoseform als α- D -Glucopyranose), (6) der Aromastoff Zimtaldehyd , (7) Retinal , das mit Opsinen ( Photorezeptoren) interagiert , und (8) das Vitamin Pyridoxal .

Spuren vieler Aldehyde finden sich in ätherischen Ölen und tragen oft zu deren angenehmem Duft bei, darunter Zimtaldehyd , Koriander und Vanillin . Möglicherweise aufgrund der hohen Reaktivität der Formylgruppe sind Aldehyde in organischen Bausteinmolekülen wie Aminosäuren, Nukleinsäuren und Lipiden eher selten. Die meisten Zucker sind jedoch Derivate von Aldehyden. Diese Aldosen liegen als Halbacetale vor , eine Art maskierte Form des jeweiligen Aldehyds. Beispielsweise liegt in wässriger Lösung nur ein geringer Anteil von Glucose als Aldehyd vor.

Von den verschiedenen Methoden zur Herstellung von Aldehyden ^{[ 3 ]} ist die Hydroformylierung eine der wichtigsten Technologien . ^{[ 6 ]} Die Hydroformylierung wird in großem Maßstab für diverse Aldehyde durchgeführt. Dabei wird das Alken in Gegenwart eines Metallkatalysators mit einem Gemisch aus Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid behandelt. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Butyraldehyd durch Hydroformylierung von Propylen .

H ₂ + CO + CH ₃ CH=CH ₂ → CH ₃ CH ₂ CH ₂ CHO

Eine Komplikation bei diesem Prozess ist die Bildung von Isomeren, wie zum Beispiel Isobutyraldehyd:

H ₂ + CO + CH ₃ CH=CH ₂ → CH ₃ CH(CHO)CH ₃

Die größten Anlagen wandeln Methanol bzw. Ethanol in Formaldehyd und Acetaldehyd um , die jährlich in Millionen-Tonnen-Maßstab produziert werden. Weitere Aldehyde in großem Maßstab werden durch Autoxidation von Kohlenwasserstoffen hergestellt: Benzaldehyd aus Toluol , Acrolein aus Propylen und Methacrolein aus Isobuten . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Im Wacker-Verfahren wird ebenfalls die Oxidation von Ethylen zu Acetaldehyd in Gegenwart von Kupfer- und Palladiumkatalysatoren genutzt. Als Oxidationsmittel der Wahl dient der umweltfreundliche und kostengünstige Sauerstoff (oder Luft).

Labore verwenden stattdessen eine Vielzahl spezieller Oxidationsmittel , die oft stöchiometrisch eingesetzt werden. Chrom(VI)-Reagenzien sind weit verbreitet . Die Oxidation kann durch Erhitzen des Alkohols mit einer angesäuerten Kaliumdichromat- Lösung erreicht werden. In diesem Fall oxidiert überschüssiges Dichromat den Aldehyd weiter zu einer Carbonsäure . Daher wird der entstehende Aldehyd entweder direkt abdestilliert (falls er flüchtig ist ) oder es werden mildere Reagenzien wie PCC verwendet. ^{[ 9 ]}

Verschiedene Reagenzsysteme ermöglichen die Synthese von Aldehyden unter chromfreien Bedingungen. Dazu gehören hypervalente Organoiodverbindungen (z. B. IBX-Säure , Dess-Martin-Periodinan ), die jedoch häufig auch die α-Position oxidieren . Eine Lux-Flood-Säure aktiviert verschiedene Sulfoxide (z. B. die Swern-Oxidation ), und Aminoxide wandeln Alkylhalogenide in Aldehyde um (z. B. die Ganem-Oxidation ). Sterisch gehinderte Nitroxyle (z. B. TEMPO ) können die Aldehydbildung mit einem kostengünstigeren Oxidationsmittel katalysieren .

Alternativ können vicinale Diole oder deren oxidierte Folgeprodukte ( Acyloine oder α-Hydroxysäuren ) unter Spaltung zu zwei Aldehyden oder einem Aldehyd und Kohlendioxid oxidiert werden . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Aldehyde nehmen an vielen Reaktionen teil. ^{[ 3 ]} Einige industriell relevante Reaktionen:

• Kondensationen, z. B. zur Herstellung von Weichmachern und Polyolen .
• Reduktion zur Herstellung von Alkoholen, insbesondere von „Oxoalkoholen“.

Aus biologischer Sicht umfassen die Schlüsselreaktionen die Addition von Nukleophilen an das Formylkohlenstoffatom bei der Bildung von Iminen (oxidative Desaminierung) und Halbacetalen (Strukturen von Aldosezuckern). ^{[ 15 ] [ 3 ]}

Aufgrund der Resonanzstabilisierung der konjugierten Base ist ein α-Wasserstoffatom in einem Aldehyd schwach sauer mit einem pK _{_a} -Wert nahe 17. Diese Ansäuerung des α-Wasserstoffatoms im Aldehyd wird auf Folgendes zurückgeführt:

• die elektronenziehende Eigenschaft des Formylzentrums und
• Die Tatsache, dass die konjugierte Base, ein Enolat- Anion, ihre negative Ladung delokalisiert.

Das Formylproton selbst unterliegt nicht ohne Weiteres einer Deprotonierung.

Aldehyde (mit Ausnahme solcher ohne α-Kohlenstoffatom oder ohne Protonen am α-Kohlenstoffatom, wie Formaldehyd und Benzaldehyd) können als Keto- oder Enol- Tautomer vorliegen . Die Keto-Enol-Tautomerie wird durch Säuren oder Basen katalysiert. In neutraler Lösung ist das Enol das untergeordnete Tautomer, das mehrmals pro Sekunde umkehrt. ^{[ 16 ]} In stark sauren oder basischen Lösungen wird es jedoch zum dominanten Tautomer, und enolisierte Aldehyde unterliegen einem nukleophilen Angriff an der α-Position . ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Die Formylgruppe lässt sich leicht zu einem primären Alkohol ( −CH₂OH ) reduzieren. Typischerweise erfolgt diese Umwandlung durch katalytische Hydrierung, _entweder direkt oder durch Transferhydrierung . Stöchiometrische Reduktionen sind ebenfalls gängig, beispielsweise mit Natriumborhydrid .

Die Formylgruppe oxidiert leicht zur entsprechenden Carboxylgruppe ( −COOH ). In der Industrie werden bevorzugt Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel eingesetzt. Im Labor sind Kaliumpermanganat , Salpetersäure , Chrom(VI)-oxid und Chromsäure gängige Oxidationsmittel . Die Kombination von Mangandioxid , Cyanid , Essigsäure und Methanol wandelt den Aldehyd in einen Methylester um . ^{[ 3 ]}

Eine weitere Oxidationsreaktion bildet die Grundlage der Silberspiegelprobe . Bei dieser Probe wird ein Aldehyd mit Tollens-Reagenz umgesetzt . Dieses wird hergestellt, indem man einen Tropfen Natriumhydroxidlösung zu Silbernitratlösung gibt , wodurch Silber(I)-oxid ausfällt. Anschließend gibt man so viel verdünnte Ammoniaklösung hinzu , bis sich der Niederschlag in wässrigem Ammoniak wieder gelöst hat und der Komplex [Ag(NH₃ ) _₂ ] ^⁺ entsteht . Dieses Reagenz wandelt Aldehyde in Carbonsäuren um, ohne dabei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen anzugreifen. Die Bezeichnung „Silberspiegelprobe“ _leitet sich davon ab, dass bei dieser Reaktion ein Silberniederschlag entsteht, dessen Vorhandensein zum Nachweis eines Aldehyds genutzt werden kann.

Eine weitere Oxidationsreaktion verwendet Fehlingsche Reagenz als Test. Die Cu²⁺ ^- Komplexionen werden zu einem ziegelroten Cu₂O _- Niederschlag reduziert .

Aromatische Aldehyde wie Benzaldehyd zeigen keine positive Fehling-Reaktion , da sie durch milde Oxidationsmittel wie Fehlings Reagenz nicht leicht oxidiert werden . Der Benzolring sorgt für Stabilität, während sterische Hinderung die Bildung des benötigten hydratisierten Anion- Zwischenprodukts verhindert . ^{[ 19 ]}

Kann der Aldehyd kein Enolat bilden (z. B. Benzaldehyd ), so induziert die Zugabe einer starken Base die Cannizzaro-Reaktion . Diese Reaktion führt zur Disproportionierung und erzeugt ein Gemisch aus Alkohol und Carbonsäure.

Nukleophile addieren sich bereitwillig an die Carbonylgruppe. Im Produkt wird das Carbonylkohlenstoffatom sp³ - ^hybridisiert und an das Nukleophil gebunden, während das Sauerstoffzentrum protoniert wird.

RCHO + Nu ⁻ → RCH(Nu)O ⁻

RCH(Nu)O ⁻ + H ⁺ → RCH(Nu)OH

In vielen Fällen wird nach der Addition ein Wassermolekül abgespalten; in diesem Fall spricht man von einer Additions - Eliminierungs- oder Additions - Kondensationsreaktion . Es gibt zahlreiche Varianten nukleophiler Additionsreaktionen.

Bei der Acetalbildung addiert sich unter sauren oder basischen Bedingungen ein Alkohol an die Carbonylgruppe, wobei ein Proton übertragen wird und ein Halbacetal entsteht . Unter sauren Bedingungen kann das Halbacetal mit dem Alkohol weiter zu einem Acetal und Wasser reagieren. Einfache Halbacetale sind in der Regel instabil, cyclische Halbacetale wie Glucose können jedoch stabil sein. Acetale sind stabil, wandeln sich aber in Gegenwart von Säure wieder in Aldehyde um. Aldehyde können mit Wasser zu Hydraten , R−CH(OH) _₂ , reagieren . Diese Diole sind stabil, wenn stark elektronenziehende Gruppen vorhanden sind, wie beispielsweise Chloralhydrat . Der Bildungsmechanismus ist identisch mit dem der Halbacetalbildung.

Ein anderes Aldehydmolekül kann ebenfalls als Nukleophil fungieren und polymere oder oligomere Acetale, sogenannte Paraldehyde, bilden.

Bei der Alkylimino-Deoxo-Bisubstitution addiert sich ein primäres oder sekundäres Amin an die Carbonylgruppe, wobei ein Proton vom Stickstoff- auf das Sauerstoffatom übertragen wird und ein Carbinolamin entsteht . Im Falle eines primären Amins kann aus dem Carbinolamin-Zwischenprodukt ein Wassermolekül abgespalten werden, wodurch ein Imin oder dessen Trimer, ein Hexahydrotriazin, gebildet wird _. Diese Reaktion wird durch Säure katalysiert. Auch Hydroxylamin ( NH₂OH ) kann sich an die Carbonylgruppe addieren. Nach der Wasserabspaltung entsteht dabei ein Oxim . Ein Ammoniakderivat der Form H₂NNR₂ _, wie beispielsweise Hydrazin ( H₂NNH₂ ) oder 2,4-Dinitrophenylhydrazin, _kann ebenfalls als Nukleophil fungieren und führt _nach Wasserabspaltung zur Bildung eines Hydrazons , das üblicherweise als orangefarbener _, kristalliner Feststoff vorliegt. Diese Reaktion bildet die Grundlage für einen Nachweis von Aldehyden und Ketonen . ^{[ 20 ]}

Die Cyanogruppe im HCN kann sich an die Carbonylgruppe anlagern und Cyanhydrine , R−CH(OH)CN , bilden . In dieser Reaktion fungiert das CN⁻ ^- Ion als Nukleophil und greift das partiell positiv geladene Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe an . Der Mechanismus beinhaltet die Übertragung eines Elektronenpaars von der Doppelbindung der Carbonylgruppe auf das Sauerstoffatom, wodurch dieses einfach an das Kohlenstoffatom gebunden wird und eine negative Ladung erhält. Dieses intermediäre Ion reagiert rasch mit ^H⁺ , beispielsweise aus dem HCN-Molekül, unter Bildung der Alkoholgruppe des Cyanhydrins.

Organometallische Verbindungen wie Organolithium-Reagenzien , Grignard-Reagenzien oder Acetylide unterliegen nukleophilen Additionsreaktionen , die zu einer substituierten Alkoholgruppe führen. Verwandte Reaktionen umfassen Organostannan-Additionen , Barbier-Reaktionen und die Nozaki-Hiyama-Kishi-Reaktion .

Bei der Aldolreaktion addieren sich Metallenolate von Ketonen , Estern , Amiden und Carbonsäuren an Aldehyde und bilden β-Hydroxycarbonylverbindungen ( Aldole ). Durch säure- oder basenkatalysierte Dehydratisierung entstehen anschließend α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen. Die Kombination dieser beiden Schritte wird als Aldolkondensation bezeichnet .

Die Prins-Reaktion findet statt, wenn ein nukleophiles Alken oder Alkin mit einem Aldehyd als Elektrophil reagiert. Das Produkt der Prins-Reaktion variiert je nach Reaktionsbedingungen und verwendetem Substrat.

Aldehyde bilden typischerweise „Additionsverbindungen“ mit Bisulfiten :

RCHO + HSO−3→ RCH(OH)SO−3

Diese Reaktion dient als Nachweis für Aldehyde und ist nützlich zur Trennung oder Reinigung von Aldehyden. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Ein Dialdehyd ist eine organische chemische Verbindung mit zwei Aldehydgruppen. Die Nomenklatur der Dialdehyde endet auf -dial oder manchmal auf -dialdehyd . Kurze aliphatische Dialdehyde werden mitunter nach der Disäure benannt , von der sie abgeleitet werden können. Ein Beispiel ist Butandial , das auch Succinaldehyd (von Bernsteinsäure ) genannt wird .

Einige Aldehyde sind Substrate für Aldehyddehydrogenase -Enzyme , die Aldehyde im Körper verstoffwechseln. Manche Aldehyde sind toxisch und stehen im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen, Herzerkrankungen und einigen Krebsarten . ^{[ 22 ]}

• Formaldehyd (Methanal)
• Acetaldehyd (Ethanal)
• Propionaldehyd (Propanal)
• Butyraldehyd (Butanal)
• Isovaleraldehyd
• Benzaldehyd (Phenylmethanal)
• Zimtaldehyd
• Vanillin
• Tolualdehyd
• Furfural
• Retinaldehyd
• Glykolaldehyd

• Glutaraldehyd
• Glyoxal
• Malondialdehyd
• Phthalaldehyd
• Succindialdehyd

Von allen Aldehyden wird Formaldehyd am häufigsten hergestellt, etwa6.000.000 Tonnen  pro Jahr . Es wird hauptsächlich in der Harzherstellung in Kombination mit Harnstoff , Melamin und Phenol (z. B. Bakelit ) verwendet. Es ist ein Vorprodukt von Methylendiphenyldiisocyanat („MDI“), einem Vorprodukt von Polyurethanen . ^{[ 8 ]} Das zweitwichtigste Aldehyd ist Butyraldehyd , von dem etwaDurch Hydroformylierung werden  jährlich 2.500.000 Tonnen Acetaldehyd hergestellt . Es ist der wichtigste Vorläufer von 2-Ethylhexanol , das als Weichmacher verwendet wird . ^{[ 23 ]} Acetaldehyd war einst ein dominierendes Produkt, aber die Produktionsmengen sind auf unter 100.000 Tonnen gesunken . Die jährliche Produktionsmenge betrug 1.000.000 Tonnen , da es hauptsächlich als Vorstufe für Essigsäure diente, die heute durch Carbonylierung von Methanol hergestellt wird . Viele andere Aldehyde finden kommerzielle Anwendung, oft als Vorstufen von Alkoholen, den sogenannten Oxoalkoholen , die in Waschmitteln verwendet werden. Einige Aldehyde werden nur in geringem Maßstab (weniger als 1000 Tonnen pro Jahr) hergestellt und als Inhaltsstoffe in Aromen und Parfums wie Chanel No. 5 eingesetzt . Frische, grüne, zitrusartige und nussige Noten in Parfums sind oft auf Aldehyde zurückzuführen ^{[ 24 ]} . Dazu gehören Zimtaldehyd und seine Derivate, Citral und Lilial .

Die Trivialnamen für Aldehyde folgen nicht strikt offiziellen Richtlinien, wie beispielsweise denen der IUPAC , diese Regeln sind jedoch hilfreich. Die IUPAC schreibt folgende Nomenklatur für Aldehyde vor: ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

1. Acyclische aliphatische Aldehyde werden nach dem längsten Kohlenstoffatom benannt _, das die Aldehydgruppe enthält. So ist HCHO ein Derivat von Methan und CH₃CH₂CH₂CHO ein Derivat von Butan _. Die Benennung erfolgt durch _{Ersetzen der} Endung -e des Stammalkans durch -al , sodass HCHO _Methanal und CH₃CH₂CH₂CHO Butanal heißt _.
2. In anderen Fällen, beispielsweise wenn eine −CHO- Gruppe an einen Ring gebunden ist, kann die Endung -carbaldehyd verwendet werden. So _ist C₆H₁₁CHO als Cyclohexancarbaldehyd bekannt . Erfordert das Vorhandensein einer weiteren funktionellen Gruppe _die Verwendung einer Endung, wird die Aldehydgruppe mit dem Präfix Formyl- benannt. Dieses Präfix wird Methanoyl- vorgezogen .
3. Wenn es sich bei der Verbindung um ein Naturprodukt oder eine Carbonsäure handelt , kann das Präfix Oxo- verwendet werden, um anzugeben, welches Kohlenstoffatom Teil der Aldehydgruppe ist; zum Beispiel wird CHOCH ₂ COOH als 2-Oxoethansäure bezeichnet .
4. Wenn der Ersatz der Aldehydgruppe durch eine Carboxylgruppe ( −COOH ) eine Carbonsäure mit einem Trivialnamen ergeben würde, kann der Aldehyd benannt werden, indem die Endung -säure oder -säure in diesem Trivialnamen durch -aldehyd ersetzt wird .

Das Wort Aldehyd wurde von Justus von Liebig als Kurzform des lateinischen al cohol dehyd rogenatus (dehydrierter Alkohol) geprägt . ^{[ 28 ] [ 29 ]} Früher wurden Aldehyde manchmal nach den entsprechenden Alkoholen benannt , zum Beispiel weinartiger Aldehyd für Acetaldehyd . ( Vinös stammt vom lateinischen vinum „Wein“, der traditionellen Quelle von Ethanol , und ist verwandt mit Vinyl .)

Der Begriff Formylgruppe leitet sich vom lateinischen Wort formica „Ameise“ ab. Dieses Wort findet sich im einfachsten Aldehyd, Formaldehyd , und in der einfachsten Carbonsäure, Ameisensäure , wieder .

• Enol
• Keton
• Pseudosäure
• Semialdehyd