Keto-Enol-Tautomerie

Keto-Enol-Tautomerie einfach erklärt

Die Keto Enol Tautomerie beschreibt ein chemisches Gleichgewicht zwischen zwei Konstitutionsisomeren eines Ketons beziehungsweise Aldehyds. Die Keto- und Enolform unterscheiden sich in der Position eines Wasserstoffatoms und einer Doppelbindung.

Einfach erklärt, kannst du dir merken:

1. In der Ketoform zieht das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe das Elektron des benachbarten α-Kohlenstoffatoms an.
2. Dadurch wird das Wasserstoffatom vom nun negativ geladenen α-Kohlenstoffatom freigesetzt (Carbanion).
3. Die Doppelbindung der Carbonylgruppe (C=O) löst sich auf. Gleichzeitig entsteht eine neue Doppelbindung zwischen α-Kohlenstoffatom und der Carbonylgruppe (C=C). Das Sauerstoffatom ist jetzt negativ geladen (Enolat).
4. Ein Wasserstoffatom bindet an das negativ geladene Sauerstoffatom und die Enolform ist gebildet.

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Durch Brønsted-Basen kann die Reaktion katalysiert werden, wobei das Gleichgewicht meistens zugunsten der Ketoform steht.

Tautomerie, Ketone und Enole

In der organischen Chemie beschreibt der Begriff Keto-Enol-Tautomerie die Konstitutionsisomerie, die zwischen Ketonen oder Aldehyden und den Enolen herrscht.

Ein Keton bzw. Aldehyd kann sich also in ein Enol umwandeln oder wieder zurück zu einem Keton bzw. Aldehyd. Welche Form, Ketoform oder Enolform, überwiegend vorhanden ist, definierst du mit dem chemischen Gleichgewicht . In den meisten Fällen überwiegt die Ketoform.

Tautomerie

Der Begriff Tautomerie beschreibt ein chemisches Gleichgewicht, das sich zwischen Konstitutionsisomeren einstellt. Isomere sind Verbindungen, welche die gleiche Anzahl an Atomen, aber unterschiedliche Molekülstrukturen besitzen. Tautomere sind Isomere , die zwischen diesen unterschiedlichen Molekülstrukturen schnell hin und her wechseln – zum Beispiel also Ketone und Enole. 

Ketone und Aldehyde

Ketone und Aldehyde sind sogenannte Carbonylverbindungen. Ketone zeichnen sich durch eine Carbonylgruppe (C=O-Doppelbindung) und zwei organische Resten aus. Aldehyde dagegen tragen ein Wasserstoffatom an ihrer Carbonylgruppe und nur einen organischen Rest.

Für die Keto Enol Tautomerie ist wichtig, dass direkt neben der Carbonylgruppe ein Kohlenstoffatom vorhanden ist, das mindestens ein Wasserstoffatom besitzt. Die allgemeine Formel von Ketonen, bei denen die Keto Enol Tautomerie eine Rolle spielt, lautet R¹(C=O)CH₂R² . Bei Aldehyden lautet sie H(C=O)CH₂R .

Enole

Enole (oder Alkenol) sind organische Verbindungen, bei denen eines der Kohlenstoffe der C=C-Doppelbindung eine Hydroxygruppe (OH-Gruppe) trägt. Der Wortteil „En-“ weist auf die Stoffklasse der Alkene (definiert durch C=C-Doppelbindung) und der Wortteil „-ol“ auf die Stoffklasse der Alkohole (definiert durch Hydroxygruppe ) hin. Die allgemeine Formel für Enole ist R¹(C-OH)CHR² .

Keto-Enol-Tautomerie Prozess

Bei der Keto Enol Tautomerie spielt die hohe Elektronegativität von Sauerstoff eine entscheidende Rolle. Elektronegativität bedeutet, dass Sauerstoff Elektronen stärker anzieht als Kohlenstoff.

Dadurch entsteht eine negative Partialladung beim Sauerstoffatom (negativ polarisiert) und eine positive Partialladung beim α-Kohlenstoffatom (positiv polarisiert). Das schwächt die Bindung zwischen dem α-Kohlenstoffatom und seinem Wasserstoffatom. Daraus resultiert, dass in der Ketoform ein Proton (H⁺) abgegeben wird.

Dadurch hat das α-Kohlenstoffatom eine negative Ladung. Du bezeichnest deswegen ein organisches Kohlenstoffanion als Carbanion. Die negative Ladung verteilt sich zwischen dem α-Kohlenstoffatom und der Carbonylgruppe, sodass du das Elektron nicht eindeutig zuordnen kannst. Es können hier zwei Schritte passieren:

• Entweder nimmt das Carbanion das abgespaltene Proton wieder auf und bildet die Ketoform.
• Oder das Carbanion geht eine Doppelbindung mit dem Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe ein.

Passiert Letzteres, löst sich die Doppelbindung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffatom, sodass das Sauerstoffatom nun negativ geladen ist. Das bezeichnest du als Enolat. 

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Nimmt das Sauerstoffatom jetzt ein Proton aus der Umgebung auf (z. B. das abgespaltene Proton) erhältst du die Enolform der jeweiligen Verbindung.

Keto-Enol-Tautomerie Katalysation  

Basenkatalysierte Isomerisierung

In der Gegenwart von Brønsted-Basen stellt sich das Gleichgewicht in der Keto Enol Tautomerie schneller ein, da die Abspaltung des Protons im ersten Schritt durch die Base erleichtert wird. Basen wirken also bei dieser Gleichgewichtsreaktion als Katalysatoren. 

Säurekatalysierte Isomerisierung

Auch von Brønsted-Säuren kann die Einstellung des Gleichgewichts katalysiert werden. Der Prozess unterscheidet sich allerdings zur basenkatalysierten Isomerisierung.

Im ersten Schritt bindet das Sauerstoffatom in der Carbonylgruppe ein Proton und wird dadurch positiv geladen. Die Ladung wird nun in der Carbonylgruppe aufgeteilt. Zum Ausgleich der positiven Ladung kann dann ein Proton am benachbarten Kohlenstoff abgespalten werden. Dadurch entsteht die C=C-Doppelbindung und die Enolform der Verbindung.

Isomerie von Glucose und Fructose

Die Keto-Enol-Tautomerie spielt in der Biochemie eine wichtige Rolle. Im Körper zum Beispiel kann mithilfe von Enzymen Fructose zu Glucose  isomerisiert werden. Die Umwandlung zwischen Keto- und Enolform findet hier sogar zweimal statt. 

Zuerst wandelt sich die Fructose (Ketoform) zu einem Endiol (Enolform) um. Endiol bedeutet, dass es im Gegensatz zum Enol zwei (deswegen -di) Hydroxygruppen hat. Die Doppelbindung zwischen α-Kohlenstoffatom und Carbonylgruppe kann sich jetzt auflösen. Dadurch entsteht eine Doppelbindung zwischen α-Kohlenstoffatom und Hydroxygruppe. Von der Hydroxygruppe wird ein Proton abgegeben und es entsteht Glucose (Ketoform). 

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Die Umwandlung von Fructose zu Glucose und Mannose ist auch der Grund, warum die Fehling-Probe bei Fructose positiv ausfällt, obwohl Fructose ein Keton ist.

Fehling-Probe

Jetzt hast du die Keto Enol Tautomerie und ihre Wichtigkeit in der Biochemie verstanden! Aber möchtest du mehr über die Fehling-Probe erfahren? Dann schau dir unser Video an!