Aldehyde

Abgrenzung zu verwandten Verbindungen

Der einfachste Aldehyd ist Formaldehyd, bei dem zwei Wasserstoffatome an die Carbonylgruppe gebunden sind. Bei anderen Aldehyden sind an die Carbonylgruppe ein Wasserstoffatom und ein organischer Rest gebunden.^[10] Verbindungen in denen an beiden Seiten der Carbonylgruppe ein organischer Rest gebunden ist (kein Wasserstoffatom) sind Ketone.^[11] Eine Formylgruppe kommt außer in Aldehyden auch in der Ameisensäure und ihren Derivaten vor, die eine Carbonylgruppe mit einem Wasserstoffatom und einem Heteroatom (beispielsweise Sauerstoff) enthalten. Daher weist Ameisensäure einige Eigenschaften auf, die eigentlich für Aldehyde typisch sind. Beispielsweise wirkt sie im Gegensatz zu anderen Carbonsäuren reduzierend.^[12] Verbindungen, die einen organischen Rest und ein Heteroatom an der Carbonylgruppe tragen werden allgemein als Carbonsäuren und Carbonsäurederivate (Ester, Amide und so weiter) bezeichnet.^[13] Trägt die Carbonylgruppe zwei Heteroatome, handelt es sich um Kohlensäure beziehungsweise deren Derivate (Phosgen, Carbonate, Harnstoff und so weiter).^[14]

Spektroskopische Eigenschaften

In IR-Spektren von Aldehyden und Ketonen findet man die intensive charakteristische Bande der C=O-Valenzschwingung im Bereich von 1690–1750 cm⁻¹. Gesättigte aliphatische Aldehyde haben diese Bande bei 1740–1720 cm⁻¹, Arylaldehyde bei 1715–1585 cm⁻¹ und andere Aldehyde im Bereich von etwa 1790–1625 cm⁻¹. Daneben liefern Aldehyde auch weniger intensive Bänder, zum Beispiel im Bereich 2900–2800 cm⁻¹.^[16]

In ¹³C-NMR-Spektren findet man das Signal des Carbonylkohlenstoffatoms von Aldehyden und Ketonen in einem Bereich von 195 und 210 ppm. Das dazugehörige Proton der Aldehydgruppe ist in ¹H-NMR-Spektren als scharfes Signal bei etwa 10 ppm zu finden. Diese Eigenschaft macht die Identifikation mittels NMR-Spektroskopie besonders einfach, da in diesem hohen Bereich nur wenige Protonen eine Resonanz aufweisen.^[6]

Vertreter

Die Alkanale, also gesättigte, lineare Aldehyde, bilden eine homologe Reihe. Die allgemeine Summenformel der lautet C_nH_2nO (n = 1, 2, 3, 4, …). Die ersten vierzehn Vertreter sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

Weitere Informationen Anzahl (C-Atome), IUPAC- Bezeichnung ...

Anzahl (C-Atome)	IUPAC- Bezeichnung	Trivialnamen	Summenformel	Strukturformel	Siedepunkt in °C[17]
1	Methanal	Formaldehyd	CH2O		0−19,1
2	Ethanal	Acetaldehyd	C2H4O		−020,1
3	Propanal	Propionaldehyd Propylaldehyd	C3H6O		−048
4	Butanal	n-Butyraldehyd	C4H8O		−074,8
5	Pentanal	Valeraldehyd Amylaldehyd n-Pentaldehyd	C5H10O		−103
6	Hexanal	Capronaldehyd n-Hexaldehyd	C6H12O		−131
7	Heptanal	Önanthaldehyd Heptylaldehyd n-Heptaldehyd	C7H14O		−152,8
8	Octanal	Caprylaldehyd n-Octylaldehyd	C8H16O		−171
9	Nonanal	Pelargonaldehyd n-Nonylaldehyd	C9H18O		−191
10	Decanal	Caprinaldehyd n-Decylaldehyd	C10H20O		−208,5
11	Undecanal	Hendecanal n-Undecylaldehyd	C11H22O		−117(18 mbar)
12	Dodecanal	Laurinaldehyd Dodecylaldehyd	C12H24O		−238
14	Tetradecanal	Myristylaldehyd Tetradecylaldehyd	C14H28O		−260

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Neben den Alkanalen gibt es auch viele weitere Gruppen von Aldehyden, für die meistens historische Namen benutzt werden:

• Acrolein leitet sich von Propen – einem Alken – ab.
• Benzaldehyd leitet sich vom Benzol ab, ist also ein Arylaldehyd.
• Furfural (Furfurol, Furan-2-carbaldehyd) leitet sich von Furan ab, ist also ein Heteroarylaldehyd.^[18]

Toxikologie

Acetaldehyd ist kanzerogen und verursacht Mund-, Speiseröhren- und Magenkrebs. Unter anderem ist er bezogen auf die Menge ein wichtiger Inhaltsstoff in Tabakrauch und das wichtigste Karzinogen. Es spielt außerdem eine wichtige Rolle für die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von Alkoholkonsum. Ethanol wird durch verschiedene Mikroorganismen durch Alkoholdehydrogenasen zu Acetaldehyd oxidiert. Viele Mikroorganismen sind aber weniger effizient im Abbau von Acetaldehyd, weshalb sich dieser anreichern kann.^[19]

Allgemeine biologische Bedeutung

Einige Aldehyde übernehmen wichtige biologische Funktionen bei Tieren inklusive Menschen. Pyridoxalphosphat (Vitamin B6) ist ein Cofaktor, der insbesondere eine wichtige Rolle im Metabolismus von Aminosäuren spielt. Bei diesen Reaktionen, zu denen Transaminierungen, Racemisierungen und Decarboxylierungen gehören, wird in der Regel zunächst aus einer Pyridoxalverbindung und einer Aminosäure ein Imin gebildet.^[20]

Retinal ist eine essentielle Verbindung in der Lichtwahrnehmung von Tieren und Mikroorganismen, inklusive der Sehfähigkeit des Menschen. Die Lichtwahrnehmung basiert auf Proteinen, sogenannten Rhodopsinen, an die das Retinal in Form eines Imins gebunden ist. Das gebundene Retinal kann ein Photon aufnehmen, die dabei ausgelöste (E)/(Z)-Isomerisierung setzt dann eine Signalkaskade in Gang, die die Reizverarbeitung ermöglicht.^[21]

Aldehyde spielen weiterhin eine Rolle bei der Quervernetzung von Elastin und Kollagen. Dabei werden Lysin und Hydroxylysin durch Lysin-6-oxidase in die entsprechenden Aldehyde umgewandelt, also Allysin aus Lysin und Hydroxyallysin aus Hydroxylysin. Ersteres tritt bevorzugt in der Haut auf, letzteres in Knochen und Knorpeln. Die Aldehydgruppen ermöglichen dann die Ausbildung kovalenter Bindungen zwischen Proteinsträngen, unter anderem durch Aldolreaktionen. Im Falle von Elastin wird unter anderem aus Allysin das Desmosin und Isodesmosin als Quervernetzter gebildet.^[22]

Semiochemikalien

Die Sexualphermone diverser Insekten aus den Ordnungen Käfer (Coleoptera) und Schmetterlinge (Lepidoptera) sind ungesättigte Verbindungen, wobei aliphatische Kohlenwasserstoffe, Epoxide, Alkohole, Ketone, Carbonsäureester und auch Aldehyde auftreten. Beispielsweise enthalten die Sexualpheromone sowohl von Chrysoteuchia topiaria als auch von Diatraea grandiosella (beide Familie Rüsselzynsler) als Hauptkomponente (Z)-11-Hexadecenal sowie als Nebenkomponente (Z)-9-Hexadecenal.^[23] Weitere Beispiele für aldehydische Bestandteile von Sexualpheromonen sind Nonanal und Undecanal bei der Großen Wachsmotte,^[24] Phytanal bei Eurema mandarina (Familie Weißlinge),^[25] Hexadecanal bei Bicyclus anynana (Familie Edelfalter)^[25] sowie (E, Z)-2,6-Nonadienal und (E)-2-Nonenal bei der Deutschen Skorpionsfliege.^[26] Bei Bettwanzen wirken (E)-2-Hexenal und (E)-2-Octenal sowohl zur Abwehr als auch als Pheromon.^[27] Hexadecanal wurde neben dem Vorkommen in Insekten auch als Semiochemikalie bei Menschen identifiziert, die das Aggressionsverhalten beeinflusst.^[28] trans-4,5-epoxy-(E)-2-decenal ist für den charakteristischen Geruchs des Bluts von Säugetieren mitverantwortlich, der von Menschen typischerweise als „metallisch“ bezeichnet wird und Raubtieren als Hinweis auf Beute dient.^[29]

Lipoxygenaseweg und Oxylipine

Ein wichtiger Prozess, mit dem Pflanzen auf widrige Umgebungsbedingungen reagieren, ist der Lipoxygenase-Pathway. Dabei werden ungesättigte Fettsäuren, insbesondere Linolsäure und α-Linolensäure durch eine Lipoxygenase in Position 9 oder 13 zu einem Hydroperoxid oxidiert, wobei mehr Enzyme bekannt sind, die 13-Hydroperoxide bilden. Diese Hydroperoxide reagieren dann weiter zu diversen oxygenierten Verbindungen, sogenannten Oxylipinen. Dazu gehören beispielsweise Jasmonate oder oxygenierte Fettsäuren. Oxylipine erfüllen verschiedene biologische Funktionen, unter anderem zur Abwehr von Pathogenen. Durch Hydroperoxid-Lyasen werden die Hydroperoxide unter anderem zu Aldehyden und Alkoholen umgesetzt.^[30] Zu den aus den 13-Hydroperoxiden gebildeten Verbindungen gehören die grünen Blattduftstoffe. Dabei handelt es sich um C₆-Aldehyde, -alkohole sowie deren Ester, die für den typischen Geruch beispielsweise beim Schneiden von Blättern verantwortlich sind. Oxidation von Linolensäure ergibt beispielsweise 13-Hydroperoxy-9,11,15-octadecatriensäure, dessen Spaltung durch eine Hydroperoxid-Lyase (Z)-3-Hexenal ergibt, das sich leicht zu (E)-2-Hexenal umlagert. Ausgehend von Linolsäure wird Hexanal gebildet. Die 9-Hydroperoxide der Fettsäuren werden zu je zwei C₉-Verbindungen gespalten, wobei neben anderen Oxidationsprodukten ebenfalls Aldehyde anfallen. Die meisten der auf diesem Weg gebildeten Oxylipine sind stark bakterizid, insbesondere (E)-3-Hexenal und (Z)-3-Hexenal.^[31] Traumatin, das ebenfalls im Lipoxygenaseweg gebildet wird, ist ein Pflanzenhormon, das insbesondere bei Verletzungen freigesetzt wird und die Zellteilung anregt.^[32]

Aromen und ätherische Öle

Viele Aldehyde sind charakteristische Aroma- und Duftstoffe beispielsweise in Früchten und ätherischen Ölen. Die im Lipoxygenase-Weg (siehe oben) gebildeten Aldehyde (C₆- und C₉-Aldehyde) sind auch Aromakomponenten diverser Pflanzen, beispielsweise in Äpfeln.^[33] (Z)-3-Hexenal und (E)-2-Hexenal sind wichtige Aromastoffe in Kirschtomaten und (E, Z)-2,6-Nonadienal ist die Hauptaromakomponente in Gurken.^[34]

Oxidation primärer Alkohole

In der organischen Synthese ist die Oxidation primärer Alkohole die häufigste Synthese für Aldehyde.^[35] Weit verbreitete Oxidationsmethoden zur Herstellung von Aldehyden basieren auf Chrom(VI)-verbindungen, Mangan(IV)-oxid, aktivierten Derivaten von Dimethylsulfoxid, hypervalenten Iod-Verbindungen, Ruthenium-Verbindungen und Nitroxylradikalen.^[36][37.1]

Aktiviertes Dimethylsulfoxid als Oxidationsmittel

Bei der Pfitzner-Moffatt-Oxidation greift Dimethylsulfoxid (DMSO) über das Sauerstoffatom ein protoniertes Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) an und bildet eine Sulfoniumverbindung. Bei einer anschließenden Substitution durch den Alkohol am Schwefel wird das DCC als Dicyclohexylharnstoff wieder abgespalten, wobei ein Schwefel-Ylid entsteht. Aus diesem bildet sich durch intramolekulare Eliminierung von Dimethylsulfid der Aldehyd.^[36.4]

Eine Weiterentwicklung der Pfitzner-Moffatt-Oxidation mit sehr verbreiteter Anwendung ist die Swern-Oxidation, bei der statt DCC Oxalylchlorid verwendet wird. Nachteile sind hier die Bildung von hochgiftigem Kohlenmonoxid und dass die Reaktion zum Erzielen einer guten Selektivität nur bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann. Dafür werden mit der Swern-Oxidation meist sehr gute Ausbeuten erzielt. Andere Varianten sind die Albright-Goldman-Oxidation (mit Acetanhydrid statt DCC), die Parikh-Doering-Oxidation (mit Schwefeltrioxid-Pyridin-Komplex statt DCC), die Albright-Onodera-Oxidation (mit Phosphorpentoxid statt DCC), sowie eine Variante mit Trifluoressigsäureanhydrid statt DCC.^[36.4] Viele weitere Elektrophile können DMSO aktivieren, dazu gehören beispielsweise Mesylchlorid, Phosphortrichlorid, Phosphorylchlorid, Triphenylphosphindichlorid, Triphenylphosphindibromid und Acetylbromid.^[36.5]

Auch bei der Corey-Kim-Reaktion findet ein aktiviertes Derivat von DMSO Verwendung, allerdings wird dieses nicht aus DMSO selbst hergestellt, sondern durch Oxidation von Dimethylsulfid mit elementarem Chlor, wobei Chlordimethylsulfoniumchlorid entsteht (dieselbe Verbindung wie bei der Swern-Oxidation). Eine Variante, die die gefährliche Verwendung von gasförmigem Chlor vermeidet, ist die Oxidation von Dimethylsulfid mit N-Chlorsuccinimid (NCS), wobei das reaktive Intermediat statt einem Chloratom eine Succinimid-Gruppe trägt.^[36.6]

Hypervalente Iod-Verbindungen als Oxidationsmittel

Ein verbreitetes Oxidationsmittel zur Herstellung von Aldehyden sind hypervalente Iodverbindungen, bei denen ein Iodatom in einer hohen Oxidationsstufe vorliegt. Früher bekannte hypervalente Iodverbindungen waren sehr instabil und zudem meist kaum bis gar nicht in organischen Lösungsmittel löslich, was ihre Anwendung stark einschränkte. Das im Jahr 1983 präsentierte Dess-Martin-Periodinan ist eine Verbindung, die beide Probleme löst, weshalb sie oft für die Herstellung von Aldehyden verwendet wird. Die Reaktion wird oft in Dichlormethan durchgeführt. Als Nebenprodukt entsteht aus dem Oxidationsmittel auch Essigsäure, die aber mittels Pyridin oder Natriumhydrogencarbonat neutralisiert werden kann. Eine weitere hypervalente Iodverbindung, Iodoxybenzoesäure ist schon deutlich länger bekannt, ist aber in den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich. Geeignete Reaktionsbedingungen, insbesondere der Einsatz von Dimethylsulfoxid als Lösungsmittel, wurden erst nach der Entdeckung des Dess-Martin-Periodinans entwickelt.^[36.7]

Nitroxylradikale als Oxidationsmittel

Die Anelli-Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen nutzt eine katalytische Menge eines Nitroxylradikals wie TEMPO als direktes Oxidationsmittel, Natriumhypochlorit als stöchiometrisches Oxidationsmittel, Kaliumbromid als Beschleuniger (vermutlich durch Bildung von hypobromiger Säure) und Natriumhydrogencarbonat zum Absenken des pH-Werts, in der Regel in einem zweiphasigen Lösungsmittelgemisch aus Wasser und Dichlormethan. Primäre Alkohole werden bei 0 °C innerhalb von Minuten zu Aldehyden oxidiert. Neben TEMPO sind auch andere Derivate wie 4-Methoxy-TEMPO und 4-Acetamido-TEMPO als Reagenzien geeignet. Auch andere stöchiometrische Oxidationsmittel als Natriumhypochlorit können verwendet werden.^[36.8]

Andere Oxidationsmittel

Perruthenat-Ionen oxidieren Wasser, während Natriumperruthenat und Kaliumperruthenat in organischen Lösungsmitteln unlöslich sind, weshalb vor allem das in organischen Lösungsmitteln lösliche Tetrapropylammoniumperruthenat (TPAP) als gängiges Reagenz für die Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen dient (Ley-Oxidation). In der Regel wird eine katalytische Menge verwendet (zum Beispiel 5 mol-%) und N-Methylmorphin-N-oxid als stöchiometrisches Oxidationsmittel zugesetzt (zum Beispiel 1,5 Äquivalente).^[36.9]

Bei der Fétizon-Oxidation wird Silbercarbonat auf Kieselgur (Fétizon-Reagenz) als Oxidationsmittel verwendet. Es handelt sich um einen Prozess der heterogenen Katalyse, bei dem der zu oxidierende Alkohol am Silbercarbonat adsorbiert wird. Andere polare funktionelle Gruppen und selbst mäßig polare Lösungsmittel wie Ethylacetat können bei der Adsorption mit der Alkoholgruppe konkurrieren, weshalb dei Reaktion in der Regel in kochendem Benzol durchgeführt wird.^[36.10]

Mangan(IV)-oxid als Oxidationsmittel kann durch Umsetzung von Mangan(II)-sulfat mit Kaliumpermanganat und Natriumhydroxid gewonnen werden. Es ist ein selektives Oxidationsmittel für Hydroxygruppen in allylischer oder benzylischer Position. So können Hydroxymethylgruppen an Doppelbindungen und aromatischen Ringen zu Aldehyden oxidiert werden.^[39.1]

Die Oppenauer-Oxidation, bei der ein Alkohol zu einer Carbonylverbindung oxidiert wird, während eine andere Carbonylverbindung als Oxidationsmittel dient, ist für die Herstellung von Aldehyden thermodynamisch ungünstig, da sie im Vergleich zu anderen Carbonylverbindungen höhere Oxidationspotentiale aufweisen.^[36.11]

Oxidation anderer Edukte

Alkylhalogenide

Die Oxidation von Alkylhalogeniden zu Aldehyden und Ketonen mit Dimethylsulfoxid (DMSO) wird Kornblum-Oxidation genannt, aus primären Halogeniden sind Aldehyde zugänglich. Bei hochreaktiven Edukten, beispielsweise Benzylbromiden mit elektronenarmem Ring, findet die Reaktion schon beim Zugeben von DMSO bei Raumtemperatur statt. In den meisten Fällen ist jedoch die Herstellung eines Tosylats (mit Silbertosylat) und Erhitzen nötig. Die Oxidation mit Trimethylamin-N-oxid und DMSO (Ganem-Oxidation) funktioniert ohne Aktivierung bei Raumtemperatur.^[40.1] Primäre Alkylhalogenide können außerdem mit Pyridin-N-oxid oder 2-Picolin-N-oxid zu Aldehyden oxidiert werden.^[41.1] Bei der Hass-Bender-Oxidation dient 2-Nitropropan als Oxidationsmittel zur Oxidation von Benzylhalogeniden zu Aldehyden.^[41.2]

In der Kröhnke-Reaktion wird ein Alkylhalogenid durch Umsetzung mit Pyridin substituiert und mit einer Base in ein Stickstoff-Ylid überführt. Oxidation mit N,N-Dimethyl-4-nitrosoanilin ergibt ein Nitron und dessen Hydrolyse ein Aldehyd. Die Methode ist recht limitiert, was die geeigneten Edukte angeht, sie eignet sich aber gut zur Herstellung enderweitig schwierig zugänglicher heterocyclischer Aldehyde.^[41.3]

Bei der Sommelet-Reaktion (verwandt mit der Duff-Reaktion) werden primäre aromatische Halogenide (Benzylhalogenide) mit Urotropin zu Aldehyden umgesetzt.^[42.1]

Reduktion von Carbonsäurederivaten

Bei der Reduktion von Carbonsäurederivaten kommt es leicht zur Überreaktion unter Bildung eines primären Alkohols. Eine verbreitete Methode, um dies zu vermeiden, ist die Reduktion eines Weinreb-Amids. Dieses wird aus einem Carbonsäurederivat mit N,O-Dimethylhydroxylamin-Hydrochlorid gebildet. Wird ein Hydrid an ein Weinreb-Amid addiert, entsteht ein stabiles tetraedrisches Intermediat. Da zunächst kein Aldehyd ausgebildet wird, ist auch keine weitere Hydrid-Addition und Überreaktion möglich. Bei der wässrigen Aufarbeitung erfolgt dann die Hydrolyse zum Aldehyd, dabei wird auch das eingesetzte Reduktionsmittel zerstört, sofern es nicht vollständig reagiert hat. Die Reduktion eines Weinreb-Amids ist mit Lithiumaluminiumhydrid oder DIBAL möglich.^[49] Tertiäre Amide, sowohl Weinreb-Amide als auch N,N-Dialkylamide, können schnell und in guter Ausbeute mit dem Schwartz-Reagenz zu Aldehyden reduziert werden.^[50]

In der Rosenmund-Reduktion findet eine katalytische Hydrierung von Carbonsäurechloriden zu Aldehyden statt, als Katalysator dient Palladium auf Bariumsulfat, vergiftet mit Chinolin und Schwefel.^[51.1] In der Fukuyama-Reduktion wird ein Thiolester mit Triethylsilan zum Aldehyd reduziert, als Katalysator dient Palladium auf Kohlenstoff.^[52.1] Carbonsäuren können mit DIBAL zu Aldehyden reduziert werden, indem sie zuvor in situ mit Trimethylsilylchlorid zu einem Trimethylsilylester umgesetzt werden.^[53] Bei der McFadyen-Stevens-Reduktion wird ein Aldehyd aus einem gemischten Hydrazid (Carbonsäurehydrazid / Sulfonsäurehydrazid) hergestellt. Unter Einwirkung einer Base wird ein Sulfinat abgespalten, es entsteht eine Azoverbindung. Durch homolytische Bindungsspaltung wird Stickstoff freigesetzt und durch Radikalrekombination ein Aldehyd gebildet.^[54.1]

Nitrile können auf verschiedenen Wegen zu Iminen reduziert werden, deren Hydrolyse leicht Aldehyde ergibt. Diverse Hydride sind hierzu geeignet, wobei DIBAL bei weitem am häufigsten genutzt wird. Alternativen sind andere Aluminiumhydride, Borane sind im Allgemeinen ungeeignet. Eine klassische Methode, deren Nutzung nachgelassen hat, die aber nach wie vor eingesetzt wird, ist die Stephen-Reduktion. Dabei wird das Nitril mit Zinn(II)-chlorid und wasserfreiem Chlorwasserstoff in Diethylether zum Imin reduziert und dann hydrolysiert. Unter geeigneten Bedingungen ist auch eine Reduktion von Nitrilen zu Iminen mit Raney-Nickel als Katalysator möglich, wodurch wiederum Aldehyde zugänglich sind.^[41.4]

Carbonylierung und Formylierung

Die Hydroformylierung von Alkenen ist ein großtechnischer Prozess mit einer Produktionsmenge in der Größenordnung von 10 Millionen Tonnen pro Jahr. Dabei werden Alkene in Gegenwart eines geeigneten Katalysators mit Synthesegas (Kohlenstoffmonoxid / Wasserstoff) zu Aldehyden umgesetzt. Gängige Katalysatoren sind Cobaltcarbonylhydrid, andere verwandte Cobaltkomplexe oder Rhodium mit Triphenylphosphin.^[55]

Primäre Alkylhalogenide und Tosylate können mittels Kaliumtetracarbonylferrat(II) (Collmanns Reagenz) carbonyliert werden. Dabei wird zunächst der organische Rest des Edukts an den Komplex gebunden, Kohlenstoffmonoxid insertiert, das Komplexanion unter Einwirkung von Säure protoniert und ein Aldehyd freigesetzt.^[56]

Eine Formylierung von aromatischen Verbindungen ist auf verschiedenen Wegen möglich. Bei der Gattermann-Synthese erfolgt die Reaktion mit Cyanwasserstoff und Chlorwasserstoff in Gegenwart einer Lewis-Säure, beispielsweise Aluminiumchlorid, ein Spezialfall der Friedel-Crafts-Acylierung. Die Cyanogruppe bildet mit Chlorwasserstoff ein Elektrophil von nicht genau bekannter Struktur und stellt das Kohlenstoffatom für die Formylgruppe zur Verfügung. Elektrophile aromatische Substitution ergibt ein Iminiumion, nach Hydrolyse entsteht ein Aldehyd.^[51.2] Die Formylierung von Phenolen gelingt mit Urotropin in der Duff-Reaktion, dabei entsteht zunächst ein Imin, dessen Hydrolyse dann den Aldehyd ergibt.^[57.1] In der Bouveault-Aldehyd-Synthese wird eine Grignard-Verbindung mit einem disubstituierten Formamid unter Bildung eines Aldehyds formyliert. Ein Beispiel ist die Umsetzung von 2-Bromtoluol über 2-Methylphenylmagnesiumbromid mit N-Methylformanilid zu 2-Methylbenzaldehyd. Eng verwandt ist die Bodroux-Tschitschibabin-Aldehydsynthese, bei der eine Grignard-Verbindung mit einem Orthoformiat umgesetzt wird.^[57.2]

Umlagerungen

Bei der Meyer-Schuster-Umlagerung werden Propargylalkohole durch Umsetzung mit einer Säure zu α,β-ungesättigten Aldehyden (im Falle eines terminalen Alkins) oder Ketonen umgelagert.^[40.2] Allylalkohole können mittels Chloro(cyclopentadienyl)bis(triphenylphosphin)ruthenium oder Tetrapropylammoniumperruthenat zu Aldehyden umgelagert werden.^[58] Epoxide können unter Einwirkung einer Lewis-Säure zu Aldehyden umgelagert werden (Meinwald-Umlagerung), beispielsweise 2-Phenylpropylenoxid mit Kupfer(II)-tetrafluoroborat zu 2-Phenylpropanal.^[59.1]

Chemische Eigenschaften der Aldehyde

Die C=O-Bindung der Carbonylgruppe in Aldehyden ist stark polar mit einer positiven Partialladung (δ+) am Kohlenstoffatom und negativer Partialladung (δ−) am Sauerstoffatom. Polare Reagenzien addieren gemäß Ladungsverteilung and die Carbonylgruppe: Nucleophile reagieren am Kohlenstoffatom, Elektrophile am Sauerstoffatom.^[6.1] Andererseits beobachtet man, dass Wasserstoffatome am zur Carbonylgruppe benachbarten C-Atom deutlich acider sind als Wasserstoffatome an „normalen“ C-Atomen. Dies liegt zum einen daran, dass der Carbonylkohlenstoff sehr elektronenarm ist und einen −I-Effekt auf benachbarte Bindungen ausübt, zum anderen kann nach Deprotonierung die negative Ladung auf den Sauerstoff der Carbonylgruppe delokalisiert werden (−M-Effekt).^[60] Aldehyde mit einem Wasserstoffatom, gebunden an das α-Kohlenstoffatom direkt neben der Carbonylgruppe, können in der Keto- und der Enolform vorliegen – siehe dazu Keto-Enol-Tautomerie.^[61]

Oligomere und Polymere

Verschiedene Aldehyde bilden Oligomere oder Polymere. Formaldehyd polymerisiert zu Paraformaldehyd beziehungsweise Polyoxymethylen. Unter Erhitzung wandelt sich Paraformaldehyd in 1,3,5-Trioxan um. Auch andere Aldehyde wie Acetaldehyd und Isobutyraldehyd können in Gegenwart von Säure trimerisieren.^[62] Die Polymerisation von Formaldehyd zu hochmolekularem Polyoxymethylen gelingt anionisch (beispielsweise mit Bortrifluorid oder Perchlorsäure als Katalysator) oder anionisch (beispielsweise mit Tributylamin, Triphenylphosphin oder Diphenylzink als Katalysator).^[63.1] Acetaldehyd kann zu Polyacetaldehyd polymerisiert werden, Trifluoracetaldehyd zu Polyfluoral, Trichloracetaldehyd zu Polychloral. Letztere beide sind chemisch extrem beständige Verbindungen.^[63.2] Oligomere des Acetaldehyds sind Paraldehyd (Trimer), das sich unter sauren Bedingungen bildet. Metaldehyd (Tetramer) entsteht nur unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise mit trockenem Chlorwasserstoff unter 0 °C.^[64]

Hydrate, Acetale und Thioacetale

Aldehyde stehen in wässriger Lösung mit dem entsprechenden Aldehydhydrat (gem-Diol), das heißt einem Kohlenwasserstoff mit zwei Hydroxygruppen an einem Kohlenstoffatom, im Gleichgewicht. In der Regel liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Aldehyds. Im Falle des Trichloracetaldehyds liegt das Gleichgewicht jedoch auf der Seite des geminalen Diols.^[65] Auch Formaldehyd liegt in wässriger Lösung zu 99,99 % als Aldehydhydrat vor, bei Acetaldehyd sind es 58 %.^[66]

Cyclische Acetale werden beispielsweise mit Ethylenglycol, 1,3-Propandiol oder 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol gebildet. Die Hydrolyse ist im Fall der 1,3-Dioxane (aus 1,3-Propandiol) deutlich schneller, die Bildung am langsamsten.^[67.1] Die wichtigste Schutzgruppe insgesamt sind 1,3-Dioxolane, also cyclische Acetale von Ethylenglycol. Einführung der Schutzgruppe gelingt mit Ethylenglycol und einer Säure am Rückfluss, wobei entstehendes Wasser mit einem Wasserabscheider entzogen wird. Falls die Hitze ein Problem darstellt, kann Wasser auch durch ein wasserentziehendes Reagenz entfernt werden, beispielsweise Trimethylorthoformiat.^[67.2] Acyclische Dithioacetale werden durch Reaktion mit einem Thiol (Methanthiol, Ethanthiol...) unter sauer Katalyse hergestellt.^[67.3] Cyclische Dithioacetale werden mit 1,2-Ethandithiol oder 1,3-Propandithiol hergestellt, oft unter Lewis-Säure-Katalyse, beispielsweise mit Bortifluorid-Diethyletherat.^[67.4]

Analog zur Bildung von Acetalen mit Alkoholen können Aldehyde Dithioacetale (S,S-Acetale) bilden, indem sie mit Thiolen beziehungsweise Dithiolen reagieren. Symmetrische Dithioacetale werden problemlos erhalten, indem Aldehyde und Thiole unter Säurekatalyse zur Reaktion gebracht werden. Unsymmetrische Vertreter, die Gruppen aus zwei unterschiedlichen Thiolen enthalten, sind schwieriger herzustellen. Sind die Thiole in ihren Eigenschaften ausreichend verschieden, ist jedoch eine vergleichsweise selektive Reaktion zu unsymmetrischen Acetalen möglich, indem Camphersulfonsäure als Katalysator eingesetzt wird.^[68] Einfache, symmetrische Dithioacetale sind wichtige Intermediate in diversen Umsetzungen von Aldehyden. Dazu gehören beispielsweise die Takeda-Olefinierung (siehe Abschnitt Alkene), die Thioketal-Reduktion (siehe Abschnitt Alkane) und die Umpolung beziehungsweise Corey-Seebach-Reaktion (siehe unten).

Aldehyde können über ein Dithioacetal in Ketone überführt werden. Dabei wird der Aldehyd zunächst mit 1,3-Propandithiol umgesetzt. Das entstandene Thioacetal kann mittels Butyllithium deprotoniert werden und wird zu einem guten Nucleophil, im Gegensatz zum Aldehyd selbst, der ein Elektrophil ist. Man spricht von einer Umpolung, diese ist das Prinzip der Corey-Seebach-Reaktion. Umsetzung mit Alkylhalogeniden und Entfernung der Dithioacetalgruppe ergibt ein Keton. Zur Spaltung des Thioacetals eignen sich beispielsweise Quecksilber(II)-chlorid oder N-Bromsuccinimid.^[69.1] In einer zweistufigen Reaktion können auch Cycloalkanone hergestellt werden, beispielsweise Cyclobutanon aus Formaldehyd (das umgepolt wird) und 1-Brom-3-chlorpropan. Durch Reaktion mit Kohlenstoffdioxid wird eine α-Oxocarbonsäure erhalten.^[69.2]

Imine, Hydrazone und andere Stickstoffderivate

Aldehyde kondensieren mit primären Aminen (beispielsweise N-Butylamin) zu Iminen, wenn dem Reaktionsgemisch Wasser entzogen wird. Mit sekundären Aminen (beispielsweise Piperidin) bilden sich stattdessen Enamine. In Ausnahmefällen, wenn ein Aldehyd keine α-Wasserstoffatome hat, können sich Aminale bilden, beispielsweise bei der Reaktion von Benzaldehyd mit Piperidin. Mit anderen Stickstoffverbindungen können zu Iminen analoge Verbindungen synthetisiert werden, beispielsweise Oxime aus Hydroxylamin oder Hydrazone aus Hydrazinen.^[70][70.1]

Neben der Kondensation kann auch die Aza-Wittig-Reaktion zur Herstellung von Iminen dienen. Dabei wird ein Iminophosphoran wie N-Phenyliminotriphenylphosphoran mit einer Carbonylverbindung umgesetzt, als Nebenprodukt fällt ein Phosphanoxid an.^[40.3]

Imine und Iminiumsalze können mit diversen Reagenzien zu Aminen reduziert werden. Natriumcyanoborhydrid ist insofern besonders, dass es bei geeignetem pH-Wert praktisch nur Iminiumverbindungen reduziert. Dadurch ermöglicht es die Eintopfsynthese von primären, sekundären und tertiären Aminen aus einem Aldehyd mit Ammoniak, einem primären oder sekundären Amin (reduktive Aminierung). Dabei wird in situ aus Aldehyd und Ammoniak / Amin eine Iminiumverbindung gebildet und diese reduziert, während Natriumcyanoborhydrid mit dem Aldehyd nicht interagiert. Die reduktive Aminierung ist eine zuverlässige Methode mit breitem Anwendungsfeld.^[71.1] Eine Namensreaktion, die ebenfalls der Umwandlung von Aldehyden in Amine dient, ist die Leuckart-Wallach-Reaktion, bei der der Aldehyd mit einem Amin plus Ameisensäure (als Reduktionsmittel) oder schlicht mit Ammoniumformiat umgesetzt wird.^[59.2] Ein Spezialfall ist Eschweiler-Clarke-Reaktion, bei der ein primäres oder sekundäres Amin mit Formaldehyd und Ameisensäure methyliert wird. Im Falle eines primären Amins ist so eine selektive Gewinnung von tertiären N,N-Dimethylaminen möglich.^[42.2]

Im Gegensatz zu Ketonen und Estern werden Aldehyde selten in Enolate überführt, um diese zu alkylieren, da die Zugabe von Base typischerweise zu Aldolreaktionen führt. Dies kann vermieden werden, wenn die Enolatbildung zügig und quantitativ erfolgt, was beispielsweise mit Kaliumhydrid in Tetrahydrofuran oder mit Kaliumamid in flüssigem Ammoniak möglich ist. Allgemein können solche Reaktionen jedoch durchgeführt werden, indem Aldehyde zunächst in ein Enamin oder ein Enamin-Anion (durch Deprotonierung eines Imins) überführt werden.^[72] Das Enders-Reagenz, (S)- oder (R)-1-Amino-2-methoxymethylpyrrolidin (auch SAMP und RAMP), ist ein wichtiges chirales Auxiliar. Mit der Verbindung können Aldehyde in die entsprechenden Hydrazone überführt werden. Metallierung ergibt ein nucleophiles Azaenolat, das in α-Stellung mit Elektrophilen modifiziert werden kann. Die Struktur des Auxiliars ermöglicht dabei eine hohe Stereoselektivität. Eine große Rolle spielt es insbesondere bei stereoselektiven Alkylierungen von Aldehyden und Ketonen, aber auch für Aldoladditionen oder Michael-Additionen.^[73]

Die eher selten genutzt Schützung in Form eines Hydrazons nutzt beispielsweise N,N-Dimethylhydrazin, Phenylhydrazin oder para-Toluolsulfonsäurehydrazid.^[67.5]

Aldolreaktionen

Bei der Aldoladdition wird das CH-acide Wasserstoffatom in der α-Position durch eine Base abgespalten. Das entstandene Enolatanion addiert an den Carbonylkohlenstoff eines weiteren Aldehyd-Moleküls. Es entsteht ein Aldol, ein Additionsprodukt aus Alkohol (OH-Gruppe) und Aldehyd. Auf diese Weise können C-C-Bindungen geknüpft werden. Wird das gebildete Aldol anschließend dehydratisiert, spricht man von Aldolkondensation, dabei entstehen α,β-ungesättigte Aldehyde.^[65] Zwei Moleküle des gleichen Aldehyds können leicht verknüpft werden. Bei gekreuzten Aldolreaktionen werden zwei unterschiedliche Carbonylverbindungen eingesetzt werden, die jeweils als Nucleophil oder Elektrophil wirken können. Dabei kann es schwierig sein, gezielt ein Produkt zu gewinnen, da insgesamt vier Produkte entstehen können. Ist ein Reaktionspartner ein Aldehyd ohne α-Wasserstoffatome, beispielsweise Benzaldehyd fällt dieser Effekt weniger stark aus, da nur zwei Produkte möglich sind, aus dem enolisierbaren Aldehyd mit sich selbst oder mit dem anderen Aldehyd, und das gekreuzte Produkt ist häufig das Hauptprodukt. Eine solche Reaktion wird als Claisen-Schmidt-Kondensation bezeichnet. Unter geeigneten Bedingungen können aber mit allen Aldehyden gezielte Aldolreaktionen durchgeführt werden. Indem ein Aldehyd mit einer Amidbase, beispielsweise bei −78 °C mit Lithiumdiisopropylamid in Tetrahydrofuran, umgesetzt wird, wird er weitgehend deprotoniert. Wird erst dann der zweite Aldehyd zugegeben, ist eine selektive Reaktion möglich. Auch Reaktionen zwischen Aldehyd und Keton sind möglich, einerseits in einer Claisen-Schmidt-Reaktion mit Keton und nicht enolisierbarem Aldehyd oder in der Variante mit einer Amidbase, bei der eines oder beide der Edukte gegen ein Keton ausgetauscht werden können.^[74] In der Nitroaldol-Reaktion wird ein Nitroalkan deprotoniert und an ein Aldehyd oder Keton addiert. Durch Wasserabspaltung entstehen Nitroalkene.^[75]

Alkohole: Reaktionen mit Wasserstoff und Hydriden

Mit geeigneten Reduktionsmitteln wie Natriumborhydrid können Aldehyde zu primären Alkoholen reduziert werden. Als Lösungsmittel für diese Reaktion eignen sich Wasser und Alkohole wie Methanol und Ethanol. Aldehyde lassen sich leichter reduzieren als Ketone, sodass Natriumborhydrid in Gegenwart eines Ketons selektiv einen Aldehyd reduzieren kann.^[76] Die umgekehrte Selektivität wird in der Luche-Reduktion erzielt, bei der ein Keton mit Cer(III)-chlorid aktiviert wird und dann in Gegenwart eines Aldehyds selektiv mit Natriumborhydrid reduziert werden kann.^[77] Natriumborhydrid wird bei weitem am meisten genutzt, diverse andere komplexe Borhydride finden aber ebenfalls Anwendung zur Reduktion von Aldehyden: Kaliumborhydrid hat ähnliche Eigenschaften wie Natriumborhydrid. Zinkborhydrid, das in situ aus Natriumborhydrid und Zinkchlorid hergestellt werden kann, kann selektiv α,β-ungesättigte Aldehyde reduzieren und die chelatisierenden Eigenschaften des Zinks verbessern die Diastereoselektivität, wenn ein Aldehyd eine Hydroxy- oder Alkoxygruppe trägt. Quartäre Ammoniumsalze wie Tetrabutylammoniumborhydrid sind etwas weniger reaktiv als Natriumborhydrid, sind aber sehr stabil und einfach in der Handhabung.^[71][71.2] Ein hochselektives Reagenz, das Aldehyde sehr leicht, Ketone jedoch nur in Ausnahmen reduziert, ist das Natriumtriacetoxyborhydrid.^[78] Das hochreaktive Lithiumaluminiumhydrid reagiert schon bei Raumtemperatur schnell und im Wesentlichen quantitativ mit den meisten Carboxyl- und Carbonylverbindungen inklusive Aldehyden.^[79]

Aldehyde können außerdem zu primären Alkoholen hydriert werden, beispielsweise unter Katalyse mit Mangan, Rhenium oder Ruthenium.^[80][81]

In der Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion wird ein Aldehyd durch Reaktion mit Aluminiumisopropanolat reduziert. Dabei werden die Isopropanolat-Gruppen zu Aceton oxidiert. Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion, jedoch kann das Gleichgewicht verschoben werden, indem während der Reaktion das entstehende Aceton abdestilliert wird.^[82]

Alkohole: Reaktionen mit Organometallverbindungen und andere

Die Addition von Grignard-Reagenzien an Aldehyde ergibt ebenfalls Alkohole. Im Fall von Formaldehyd entsteht dabei ein primärer Alkohol, bei anderen Aldehyden ein sekundärer Alkohol.^[83] In der Reformatzki-Reaktion werden α-halogenierte Carbonsäureverbindungen mit elementarem Zink umgesetzt und an Aldehyde addiert, wodurch eine Alkoholgruppe in einem β-Hydroxyderivat gebildet wird.^[84] Durch Addition von Allyltributylzinn, meist unter Katalyse einer Lewis-Säure, können aus Aldehyden Homoallylalkohole hergestellt werden.^[85] In der Nozaki-Hiyama-Kishi-Reaktion wird ein eine Organohalogenverbindung (Aryl-, Allyl-...) unter Katalyse mit Nickel(II)-chlorid mit Chrom(II)-chlorid zu einer Organochromverbindung umgesetzt, die dann an einen Aldehyd addiert werden kann, um Allylalkohole, Homoallylalkohole und so weiter herzustellen.^[86] Bei der Soai-Reaktion wird Diisopropylzink an einen Pyrimidin-Aldehyd addiert, beispielsweise an Pyrimidin-5-carbaldehyd, wobei als Besonderheit durch Autokatalyse und Enantioselektivität eine Amplifikation eines kleinen Ausgangs-Enantiomerenüberschusses zu deutlich höheren Werten auftritt.^[87]

In der Pinakol-Kupplung bilden zwei Aldehyde eine C-C-Bindung aus, wodurch ein Diol entsteht. Setzt man Aldehyde mit einem Alkalimetall (Beispiel: Natrium) um, so bildet sich ein Radikal-Anion, das schnell dimerisiert. Die Hydrolyse liefert ein Pinakol (traditionelle Bezeichnung für ein 1,2-Diol, also ein Diol mit vicinalen Hydroxygruppen). Ausgehend von einem α,ω-Dialdehyd erhält man analog durch eine intramolekulare Reaktion cyclische 1,2-Diole.^[88]

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Aldehyde sind reaktive Verbindungen und lassen sich sehr leicht zur Carbonsäure oxidieren.^[65] Eine Autoxidation von Aldehyden zu Carbonsäuren durch Luftsauerstoff tritt häufig auf, hat aber keine synthetische Bedeutung. Historische Oxidationsmethoden sind die nach Fehling mit Kupfer(II) oder nach Tollens mit Silber(I). Die Jones-Oxidation mit Chrom(VI) wird nach wie vor genutzt. Neuere Methoden sind die nach Lindgren und ihre Weiterentwicklung nach Pinnick, die beide Natriumchlorit als Oxidationsmittel nutzen.^[89][89.1] Bei der Delépine-Reaktion werden Aldehyde mit Silber(I)-oxid in Natronlauge zu Carbonsäuren oxidiert.^[48.2] Geeignete Reagenzien sind zum Beispiel Silber(I)-oxid (das entstehende elementare Silber dient dem Nachweis von Aldehyden in der Silberspiegelprobe) oder Peroxycarbonsäuren wie meta-Chlorperbenzoesäure.^[90]

In der Tischtschenko-Reaktion werden Aldehyde zu symmetrischen Carbonsäureestern dimerisiert. Beispielsweise kann Benzylbenzoat aus Benzaldehyd hergestellt werden. Als Katalysator kommen Aluminiumalkoholate wie Aluminiumtriethanolat zum Einsatz.^[91] Die Corey-Gilman-Ganem-Oxidation ist eine Methode um α,β-ungesättigte Aldehyde zu oxidieren und direkt in entsprechende Carbonsäuremethylester umzusetzen. Dazu wird das Edukt in Methanol in Gegenwart von Cyanwasserstoff mit Mangan(IV)-oxid zur Reaktion gebracht. Es entsteht ein Cyanhydrin, das zu einem Acylcyanid oxidiert wird und dann mit Methanol zum Ester reagiert.^[92]

Durch die Reaktion mit tert-Butylhypochlorit können Aldehyde direkt in Carbonsäurechloride überführt werden.^[93] In Gegenwart von Natriumazid können so auch Carbonsäureazide hergestellt werden.^[94] Durch eine radikalische Reaktion mit Ethyltribromacetat und Dibenzoylperoxid können Aldehyde in Carbonsäurebromide umgewandelt werden,^[95] durch Reaktion mit Trichlorisocyanursäure und Caesiumfluorid können Aldehyde in Carbonsäurefluoride umgewandelt werden.^[96]

Die Herstellung von Nitrilen aus Aldehyden verläuft in der Regel über Aldoxime (siehe Abschnitt Herstellung von Iminen und verwandten Verbindungen). Diese werden durch Reaktion des Aldehyds mit Hydroxylaminhydrochlorid hergestellt und anschließend beispielsweise mit Oxalylchlorid dehydratisiert.^[97] Die direkte Umsetzung von Aldehyden zu Nitrilen ist unter anderem mit Hydroxylamin-O-sulfonsäure^[98] möglich oder indem die Reaktion mit Hydroxylamin in Gegenwart von Titan(IV)-chlorid durchgeführt wird.^[99]

Die Cannizzaro-Reaktion ist die Disproportionierung eines nicht-enolisierbaren Aldehyds zu einem Alkohol und einem Carboxylat. Im ursprünglichen Beispiel von Cannizzaro ergab die Reaktion von Benzaldehyd mit Kaliumhydroxid als Produkte Benzylalkohol und Kaliumbenzoat.^[100]

Alkane

Durch einige Methoden kann die Aldehyd-Funktion zu einer Methylgruppe reduziert werden. Eine solche Methode ist die Wolff-Kishner-Reduktion. Hierzu muss der Aldehyd in ein Hydrazon umgewandelt werden, dies ist jedoch auch in situ möglich. In dem Fall wird das Edukt mit Hydrazinhydrat und einer Base (Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid) in einem hochsiedenden Lösungsmittel (beispielsweise Diethylenglycol) für mehrere Stunden auf 180 °C bis 200 °C erhitzt.^[101] Eine verwandte Methode ist die Clemmensen-Reduktion, bei der die Aldehydgruppe mit Zinkamalgam und Salzsäure reduziert wird. Wolff-Kishner-Reduktion und Clemmensen-Reduktion sind komplementär, da im einen Fall im Basischen und im anderen im Sauren gearbeitet wird.^[102] Eine weitere Methode, die Thioketal-Reduktion, verläuft über die Thioacetale, meist mit Ethandithiol. Diese können durch diverse Reduktionsmittel reduziert werden, ursprünglich mit Raney-Nickel. Andere geeignete Reagenzien sind Komplexe aus Nickel(II)-acetat, Natriumhydrid und tert-Amylalkohol sowie Dinickelborid, das aus Nickel(II)-chlorid und Natriumborhydrid hergestellt wird.^[103] Weitere Methoden verwenden Amminboran mit Titanocendichlorid und Lithiummethanolat^[104] oder Polymethylhydrosiloxan mit Tris(pentafluorphenyl)boran.^[105]

Durch Decarbonylierung von Aldehyden wird ebenfalls eine Kohlenwasserstoff-Verbindung erhalten. Durch die Abspaltung von Kohlenmonoxid besitzt diese jedoch ein Kohlenstoffatom weniger als das Edukt. Die Decarbonylierung ist beispielsweise durch Reaktion mit dem Wilkinson-Katalysator, einem Rhodium-Komplex, möglich.^[106] Mit Dichlordimethyltitan können aromatische Aldehyde zweifach methyliert werden.^[107]

Alkene

Die Wittig-Reaktion ist eine sehr bedeutende Methode der organischen Synthese, bei der ein Aldehyd oder Keton mit einem Phosphor-Ylid zu einem Alken umgesetzt wird. Ein Aldehyd kann mit dem Phosphor-Ylid ein Oxaphosphetan, einen Vierring mit P-O-Bindung, als Zwischenstufe bilden. Dieses zerfällt dann in ein Alken und Triphenylphosphanoxid. Einen wichtigen Beitrag zur Triebkraft der Reaktion stellt die Ausbildung einer Phosphor-Sauerstoff-Bindung.^[108] Die nötigen Ylide werden allgemein ausgehend von Triphenylphosphin und einem Alkylhalogenid hergestellt. Durch nukleophile Substitution wird zunächst ein Phosphoniumsalz hergestellt. Die Deprotonierung mit einer starken Base, oft eine Organolithium-Verbindung, ergibt dann das Ylid.^[109] Eine abgeleitete Methode, mit der ebenfalls Aldehyde zu Alkenen umgesetzt werden, ist die Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion. Hier ist das Reagenz ein Phosphanoxid mit zwei Phenylgruppen und einer Alkylgruppe, die übertragen wird. Dieses wird beispielsweise mit Butyllithium zu einem Carbanion deprotoniert. Das Nebenprodukt ist ein Salz der Diphenylphosphinsäure.^[110] Eine wesentlich wichtigere Weiterentwicklung ist die Horner-Wadsworth-Emmons-Reaktion (HWE-Reaktion). Hier ist das Reagenz ein Phosphonat, das mittels Arbusow-Reaktion hergestellt werden kann und durch Deprotonierung ebenfalls ein Carbanion bildet. Als Base eignen sich Natriumhydrid, Kaliumhydrid, Lithium-, Natrium- und Kaliumhexamethyldisilazid oder Kalium-tert-butanolat. Gegenüber der ursprünglichen Wittig-Reaktion hat diese Methode insbesondere den Vorteil, dass als Nebenprodukt ein Phosphorsäureester entsteht, der im Gegensatz zum Triphenylphosphanoxid wasserlöslich ist und leicht entfernt werden kann.^[111]

In der Julia-Lythgoe-Olefinierung kommt als Olefinierungsreagenz ein Sulfon zum Einsatz. Dieses wird mit einer Organometallverbindung wie Butyllithium deprotoniert und kann dann einen Aldehyd unter Bildung einer C-C-Einfachbindung angreifen. Die aus dem Aldehyd gebildete Alkoholat-Gruppe wird acyliert, beispielsweise mit Acetanhydrid. Im letzten Schritt wird mit einem Reduktionsmittel wie Natriumamalgam eine reduktive Eliminierung durchgeführt, wobei Sulfon- und Estergruppe entfernt werden und trans-selektiv eine C=C-Doppelbindung gebildet wird.^[112] Bei der verwandten Julia-Kociensky-Olefinierung wird ein Sulfon verwendet, das eine Arylgruppe mit Elektronenakzeptor-Eigenschaften trägt, beispielsweise Benzothiazol. Wird ein solches Sulfon deprotoniert und mit einem Aldehyd umgesetzt, sind keine weiteren Reaktionsschritte nötig. Es kommt zu einer Umlagerung der Arylgruppe auf das Sauerstoffatom, das zu Aldehyd gehörte und diese Gruppe wird durch Eliminierung abgespalten. Daneben entsteht Schwefeldioxid.^[113] In der Peterson-Olefinierung wird das α-Carbanion einer Silylverbindung an einen Aldehyd addiert. Durch Eliminierung bildet sich ein Alken und ein Silanol, das Sauerstoffatom wird auf das Siliciumatom übertragen.^[114]

Für die Methylenierung von Aldehyden, das heißt den Austausch des Sauerstoff-Atoms gegen eine CH₂-Gruppe sind eine große Zahl an Reagenzien beziehungsweise Reaktionen bekannt. Besonders bekannt ist das Tebbe-Reagenz.^[115][116] Verwandt mit dem Tebbe-Reagenz beziehungsweise davon abgeleitet sind das Grubbs-Reagenz und das Petasis-Reagenz.^[116] Bei der Takai-Lombardo-Reaktion wird Dibrommethan mit elementarem Zink und Titan(IV)-chlorid verwendet. Ein Carben des Molybdäns, das aus Molybdän(V)-chlorid und Methyllithium hergestellt wird, ist besonders selektiv für Aldehyde.^[115]

Eine neuere Method ist die Takeda-Olefinierung. Dabei wird ein Dithioacetal mit einem Derivat des Titanocens zu einem Carbenkomplex umgesetzt. Dieser reagiert dann mit einer Carbonylgruppe, beispielsweise in einem Aldehyd, unter Ausbildung einer C=C-Doppelbindung. Auch das Dithioacetal kann aus einem Aldehyd hergestellt werden.^[116] Mit der McMurry-Reaktion können zwei Aldehyd-Moleküle durch Reaktion mit Titan(III)-chlorid direkt über eine C=C-Doppelbindung verbunden werden.^[117]

Alkine

Es sind mehrere Reaktionen bekannt, durch die aus Aldehyden Alkine hergestellt werden können, wobei jeweils ein zusätzliches Kohlenstoffatom eingeführt wird. In der Corey-Fuchs-Reaktion wird aus dem Aldehyd ein gem-Dibromolefin hergestellt, indem es mit Triphenylphosphin und Tetrabrommethan umgesetzt wird. Reaktion mit Butyllithium ergibt ein Lithiumacetylid, aus dem durch Hydrolyse ein terminales Alkin entsteht. Alternativ kann das Lithiumaceylid durch Reaktion mit einem Elektrophil wie Kohlenstoffdioxid, einem Alkylhalogenid, einem weiteren Aldehyd oder einem Epoxid weiter modifiziert werden.^{[118][119][120]}

Bei der Seyferth-Gilbert-Homologisierung wird das zusätzliche Kohlenstoffatom mittels Dimethyldiazomethylphosphonat (DAMP) eingeführt. Als Base kommt hier Kalium-tert-butanolat zum Einsatz. Bei der Weiterentwicklung nach Ohira und Bestmann wird das Ohira-Bestmann-Reagenz eingesetzt. Aus diesem wird durch Reaktion mit Kaliumcarbonat in situ DAMP hergestellt.^[118]

Heterocyclen

Aldehyde sind häufige Edukte für die Synthese von Heterocyclen. Dazu gehört beispielsweise die Herstellung von Pyridinen aus Ammoniak und Aldehyden mittels Chichibabin-Reaktion^[121] oder aus Ammoniak, einem Aldehyd und einer Dicarbonylverbindung in der Hantzsch-Pyridinsynthese.^[122] Aldehyde dienen als Edukte in der Herstellung von Chinolinen mittels Friedländer-Chinolin-Synthese.^[123] In der Skraup-Synthese wird Chinolin aus Anilin und Glycerin gebildet. Letzteres wird in situ in Acrolein umgewandelt. Die Doebner-Miller-Reaktion ist eine Verallgemeinerung, in der andere Glycole oder ungesättigte Aldehyde eingesetzt werden, um substituierte Chinoline zu erzeugen.^[124] In der Paal-Knorr-Synthese können 1,4-Dicarbonylverbindungen (sowohl Ketone als auch Aldehyde) zu Furanen cyclisiert werden.^[125] Mit Abwandlungen kann die Methode auch zur Herstellung von Thiophenen und Pyrrolen dienen. Erstere können gebildet werden, wenn Phosphorpentasulfid oder Lawessons Reagenz eingesetzt wird,^[126] letztere, wenn ein primäres Amin eingesetzt wird.^[127] Imidazole können aus einem Imidoester und einem Aminoaldehyd (aus Aminosäuren mittels Akabori-Reduktion) gewonnen werden, wobei beide Verbindungen zunächst zu einem Amidin reagieren und dann cyclisieren.^[128] In der Asinger-Reaktion werden aus zwei Molekülen einer Carbonylverbindung (Keton oder Aldehyd) sowie Ammoniak und Schwefel Thiazoline gebildet.^[129] In der Corey-Chaykovsky-Reaktion wird Dimethylsulfoniummethylid oder Dimethylsulfoxoniummethylid unter Bildung eines Dreirings an eine Doppelbindung addiert, im Falle der C=O-Doppelbindung eines Aldehyds wird so ein Epoxid erhalten.^[130]

Chalkogen-Analoga, Bisulfit-Addukte und Halogenide

Mit geeigneten Reagenzien können Aldehyde direkt in ihre Analoga mit den höheren Chalkogenen umgewandelt werden. Die Umwandlung in Selenoaldehyde gelingt mit Bis(trimethylsilyl)selenid in Gegenwart einer katalytischen Menge Butyllithium. Die Triebkraft ist die Ausbildung einer Silicium-Sauerstoff-Bindung. Die gebildeten Selenoaldehyde sind sehr instabil, können aber in einer Diels-Alder-Reaktion mit Cyclopentadien abgefangen werden. Eine analoge Herstellung von Thioaldehyden gelingt mit Bis(trimethylsilyl)sulfid.^[131] Telluroaldehyde können mittels Bis(dimethylaluminium)tellurid hergestellt werden.^[132]

In der Bisulfit-Reaktion mit Natriumhydrogensulfit bilden Aldehyde wasserlösliche Addukte, die von einem Gemisch abfiltriert werden können. Durch Reaktion mit Natriumcarbonat oder Salzsäure können die Aldehyde dann zurückgewonnen werden.^[133] Die Addukte sind strukturell die α-hydroxylierten Derivate von Sulfonsäuren.^[134]

Mit Diethylaminoschwefeltrifluorid können Aldehyde in geminale Difluoride umgewandelt werden,^[135] mit 2,2,2-Tribrom-1,3,2-benzodioxaphosphol in geminale Dibromide.^[136]

Cyanhydrine

Durch Addition von Cyanid (beispielsweise aus Natriumcyanid) im Sauren (beispielsweise in Essigsäure) können aus Aldehyden Cyanhydrine hergestellt werden.^[137] Anderes Reagenzien zur Herstellung von Cyanhydrinen sind Diethylaluminiumcyanid^[138] und Acetoncyanhydrin, dessen Cyanwasserstoff-Einheit auf andere Aldehyde und Ketone übertragen werden kann.^[139] Cyanhydrine kommen als Intermediate bei der Stetter-Reaktion (siehe Abschnitt Herstellung von Carbonylverbindungen) und bei der Corey-Gilman-Ganem-Oxidation von Aldehyden (siehe Abschnitt Herstellung von Carbonsäuren und deren Derivaten) vor.

Eine weitere Alternative für die Schützung sind Derivate von Cyanhydrinen, beispielsweise Acetate herstellbar mit Acetoncyanhydrin / Acetanhydrid oder mit Acetylcyanid, sowie Silylether, beispielsweise herstellbar mit Trimethylsilylcyanid.^[67.6]

Auch in der Strecker-Synthese wird Cyanwasserstoff beziehungsweise Cyanid an Aldehyde addiert, in diesem Fall in Gegenwart von Ammoniak. Dabei entsteht zunächst ein α-Aminonitril, das zu einer Aminosäure hydrolysiert werden kann. Aminosäuren sind sowohl in biologischen Prozessen als auch in der Industrie sehr wichtige Verbindungen, was die historische Bedeutung der Methode begründet. Allerdings wird die Reaktion nach wie vor verbreitet verwendet.^[140]

In der Stetter-Reaktion werden Aldehyde an α,β-ungesättigte Ketone, Ester oder Nitrile addiert, wodurch eine entsprechende 4-Oxoverbindung erhalten wird. Katalysiert wird die Reaktion durch N-Heterocyclische Carbene, die durch Deprotonierung von Thiazolen und Imidazolen erhalten werden.^[141] Alternativ kann auch Cyanid (beispielsweise als Natriumcyanid) als Katalysator eingesetzt werden, wodurch als Intermediat das Cyanhydrin des Aldehyds entsteht.^[142]

Schutzgruppen für Aldehyde

Die wichtigsten Schutzgruppen für Aldehyde sind Acetale, inklusive O,O-Acetale, Dithioacetale und O,S-Acetale, die cyclisch oder acyclisch sein können. Eingeführt werden sie durch Reaktion der zu schützenden Verbindung mit Alkoholen, Thiolen, Diolen und so weiter unter sauren Bedingungen. O,O-Acetale sind stabil gegen Basen, Organometallverbindungen und anderen Nucleophile. gegen Reduktion durch Hydride und gegen viele Oxidationsmittel. Dithioacetale sind hingegen gegen viele Oxidationsmittel empfindlich und werden durch sehr starke Basen wie Butyllithium deprotoniert. O,O-Acetale können leicht durch saure Hydrolyse entschützt werden, Dithioacetale können unter oxidativen Bedingungen entschützt werden oder mit geeigneten Metallsalzen (Quecksilber, Silber, Kupfer). Andere weniger genutzte Schutzgruppen sind beispielsweise Cyanhydrine und Hydrazone.^[67][67.7]

Weiterhin können Aldehyde in Form verschiedener Addukte geschützt werden. Ein Diethylamin-Addukt kann in situ mit Titantetrakis(diethylamid) hergestellt werden, separate Reaktionsschritte für Schützung / Entschützung entfallen. Mit Pyrrollithium wird ein Pyrrol/Alkohol gebildet, die Hydroxygruppe kann zusätzlich als Silylether geschützt werden. Die Bildung von Bisulfit-Addukten mit Natriumhydrogensulfit eignet sich sowohl zur Schützung als auch zur Aufreinigung, da sich praktische kristalline Verbindungen bilden.^[67.8]

Intermediate in der chemischen Industrie

Die wichtigste Anwendung von Acetaldehyd ist als Zwischenprodukt bei der Herstellung anderer Chemikalien, unter anderem Pyridin und seine Derivate, sowie Pentaerythrit und Peressigsäure.^[143] Pentaerythrit wird aus Acetaldehyd und Formaldehyd unter basischer Katalyse hergestellt.^[144] Als Basen eignen sich beispielsweise Natriumhydroxid oder Calciumhydroxid.^[1] Verschiedene Pyridine werden aus Acetaldehyd und Ammoniak sowie jeweils einem weiteren Aldehyd nach der Tschitschibabin-Pyridinsynthese hergestellt.^[145] Eine Herstellungsmethode von Ethylacetat ist durch Tischtschenko-Reaktion von Acetaldehyd. Die Bedeutung von Acetaldehyd als chemisches Intermediat hat aber insgesamt nachgelassen; für einige Verbindungen, beispielsweise Essigsäure und Acetanhydrid, die früher aus Acetaldehyd hergestellt wurden, gibt es heute andere bevorzugte Verfahren, beispielsweise den Monsanto-Prozess für Essigsäure.^[1] Formaldehyd ist ein sehr wichtiger C1-Baustein und dient unter anderem zur Herstellung von 1,4-Butandiol, Nitrilotriessigsäure und EDTA, Pentaerythrit und Methylendiphenyldiisocyanat.^[146]

Butanal wird insbesondere zu 1-Butanol reduziert,^[147] der wiederum zu Butylacrylat, Butylacetat und Weichmachern weiterverarbeitet wird oder als Lösungsmittel eingesetzt wird, z. B. in Farben.^[148] Ein weiteres wichtiges Folgeprodukt von Butanal ist 2-Ethylhexanol.^[147] 2-Ethylhexanol wird vor allem zu Weichmachern weiterverarbeitet.^[149] Zu den 2-Ethylhxylestern, die als Weichmacher verwendet werden, gehören z. B. Bis(2-ethylhexyl)phthalat, Bis(2-ethylhexyl)terephthalat und Bis(2-ethylhexyl)adipat.^[150] Neben Butanal werden auch diverse andere Aldehyde zur Herstellung von Alkoholen durch Reduktion verwendet. Aus Pentanalen hergestellte Pentanole dienen ebenfalls als Lösungsmittel sowie zur Herstellung von Weichmachern und anderen Estern. Auch längerkettige Aldehyde werden zu Weichmacheralkoholen umgesetzt, beispielsweise Isooctanal zu Isooctanol. Citral ist der Ausgangsstoff für die synthetische Herstellung von Vitamin A.^[1] Phenylacetaldehyd wird zur Herstellung von Phenylalanin über die Strecker-Synthese verwendet, das wiederum zu dem Süßstoff Aspartam umgesetzt wird.^[1] Eine weitere Aminosäure, die in großen Mengen hergestellt und insbesondere als Zusatz in Tierfutter verwendet wird, ist Methionin. Es wird durch Strecker-Synthese aus Acrolein, Schwefelwasserstoff und Cyanwasserstoff hergestellt.^[151][152]

Kunststoffe

Die Produktionsmenge von Formaldehyd betrug 2022 etwa 23 Millionen Tonnen. Der Hauptanwendungsbereich von Formaldehyd ist die Herstellung von Polymeren: Harnstoffharze (Aminoplaste), Phenolharze (Phenoplaste) und Polyoxymethylen (POM).^[153] Aminoplaste werden überwiegend durch Polykondensation von Formaldehyd und Harnstoff hergestellt. Ihre Hauptanwendung ist als Klebstoff für die Herstellung von Spanplatten und Sperrholz.^[154] Aus POM werden beispielsweise Bauteile für Autos hergestellt, um deren Gewicht zu reduzieren.^[146]

Butanal wird in der Herstellung von Polyvinylbutyral eingesetzt.^[147] Polyvinylbutyral wird durch Polymerisation von Vinylacetat zu Polyvinylacetat, Hydrolyse zu Polyvinylalkohol und anschließende Acetalbildung mit Butanal hergestellt. Verwendet wird es hauptsächlich als Zwischenschicht in Sicherheitsglas, die für Bruchfestigkeit und Splitterschutz sorgt. Verwendet wird solches Glas für diverse Anwendungen inklusive Autofenstern, Glastüren und Duschwänden.^[155]

Aromen und Duftstoffe

Acetaldehyd wird als Aromastoff verwendet.^[156] Citronellal wird als Duftstoff beispielsweise in Seife und Waschmitteln eingesetzt. Citral wird selbst als Duftstoff eingesetzt, aber auch zu Acetalen weiterverarbeitet, die ebenfalls als Duftstoffe dienen. Längerkettige Alkanale wie Octanal werden insbesondere als Duftstoffe für Zitrusnoten verwendet. Phenylacetaldehyd hat einen Duft nach Rosen oder Hyazinthen, (E)-2-Hexenal einen blumigen Duft.^[1]

Sonstige Verwendung

Formaldehyd wird weit überwiegend in der Herstellung von anderen Chemikalien und Kunststoffen verwendet (siehe oben). Die wichtigste Anwendung ohne Weiterverarbeitung ist als Desinfektions- und Konservierungsmittel, beispielsweise im medizinischen Bereich.^[146] In der Medizin werden Formaldehyd und Glutaraldehyd als Flächen- und Instrumentendesinfektionsmittel eingesetzt. Beide Aldehyde haben eine gute Wirksamkeit gegen viele verschiedene Mikroorganismen. Insbesondere unbehüllte Viren und sporenbildende Bakterien (z. B. Milzbrand), die nur wenigen Desinfektionsmitteln zugänglich sind, können so erreicht werden. Da Aldehyde irritierend auf Haut und Schleimhäute wirken und gelegentlich Allergien auslösen, muss mit diesen Mitteln sorgfältig umgegangen werden.^[157] Formaldehyd selbst wird als Konservierungsmittel in Kosmetika praktisch nicht mehr verwendet. Stattdessen kommen Formaldehyd-Abspalter, beispielsweise 2-Brom-2-nitropropan-1,3-diol, zum Einsatz, die länger wirken, aber nur eine geringe Konzentration an Formaldehyd erzeugen.^[158] Eine standardmäßig als Fixierungsmittel verwendete Lösung ist 10%iges Formalin, was einer wässrigen Lösung mit 3,7 % Formaldehyd und 1 % Methanol entspricht.^[159]