8.5 : Säurekatalysierte Hydratation von Alkenen

Alkene reagieren mit Wasser in Gegenwart einer Säure zu einem Alkohol. In Abwesenheit von Säure findet die Hydratation von Alkenen nicht in nennenswertem Maße statt und die Säure wird bei der Reaktion nicht verbraucht. Daher ist die Alkenhydratisierung eine säurekatalysierte Reaktion.

Starke Säuren wie Schwefelsäure dissoziieren in wässriger Lösung vollständig und die an der Reaktion beteiligte Säure ist das Hydroniumion.

Der erste Schritt ist die langsame Protonierung eines Alkens am weniger substituierten Ende, um das stärker substituierte Carbokation zu bilden.

Der zweite Schritt ist der nukleophile Angriff von Wasser auf das Carbokation, wodurch ein Oxoniumion entsteht.

Im letzten Schritt fungiert Wasser mit einem pK_a-Wert von 15,7 als Base und deprotoniert das saure Oxoniumion (protonierter Alkohol), das einen pK_a-Wert von etwa –2 hat, um das Endprodukt zu ergeben.

Die beiden Prozesse, die Hydratisierung von Alkenen zu Alkoholen und die Dehydratisierung von Alkoholen zu Alkenen, stehen im Gleichgewicht miteinander. Die Kontrolle über dieses Gleichgewicht kann durch das Prinzip von Le Chatelier erklärt werden, das besagt, dass sich ein System im Gleichgewicht anpasst, um jegliche Belastung, die auf das System ausgeübt wird, zu minimieren.

Bei der Hydratisierung von 2-Methylpropen befindet sich Wasser auf der linken Seite der Reaktion. Bei steigender Wassermenge verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts und es entsteht mehr Alkohol. Im Gegensatz dazu verschiebt die Eliminierung von Wasser aus dem System das Gleichgewicht, sodass mehr Alken entsteht. So begünstigt die Anwesenheit verdünnter Säuren die Bildung von Alkoholen aus Alkenen, während in Gegenwart konzentrierter Säuren, die sehr wenig Wasser enthalten, das Gegenteil der Fall ist.

Additionsreaktionen sind temperaturabhängig. Der Enthalpieterm für diese Reaktionen ist negativ, da während des Prozesses neue Bindungen gebildet werden. Im Gegensatz dazu ist der Entropieterm positiv, da die beiden Reaktantenmoleküle ein Produktmolekül ergeben.

Bei niedrigen Temperaturen ist der Entropieterm klein und der Enthalpieterm dominiert. Somit ist die freie Gibbs-Energie negativ und eine Gleichgewichtskonstante größer als eins begünstigt die Bildung von Produkt gegenüber Reaktanten.

Bei hohen Temperaturen dominiert jedoch der große Entropieterm den Enthalpieterm und die freie Gibbs-Energie ist positiv. Wenn die Gleichgewichtskonstante kleiner als eins ist, kehrt sich die Reaktion um, was bedeutet, dass die Reaktanten gegenüber den Produkten bevorzugt werden.