Säurekatalysierte Hydratation von Alkenen

Während die direkte Zugabe von Wasser zu einem Alken zu keiner Reaktion führt, wird in Gegenwart einer Säure ein Alkohol durch die Nettozugabe einer Hydroxylgruppe und eines Wasserstoffs über die Doppelbindung erhalten.

Da starke Säuren, wie Schwefelsäure, in einer wässrigen Lösung vollständig dissoziieren, ist die an der Reaktion beteiligte Säure das Hydronium-Ion.

Der erste Schritt ist die langsame Protonierung des weniger substituierten Endes der Doppelbindung, um ein stärker substituiertes Carbokation zu bilden.

Im zweiten Schritt fungiert Wasser, das im Überschuss vorhanden ist, als Nukleophil und greift das Carbokat an, um das Oxoniumion zu erhalten.

Schließlich fungiert Wasser mit einem pK_a von 15,7 als Base und deprotoniert das saurere Oxoniumion mit einem pK_a von etwa -2, um das Endprodukt zu erhalten. Der Prozess wird als säurekatalysiert bezeichnet, da am Ende ein Hydronium-Ion, das die Reaktion auslöst, zurückgewonnen wird.

Die Hydratation von Alkenen und die Dehydratisierung von Alkoholen befinden sich im Gleichgewicht miteinander, und die Gleichgewichtsposition hängt von der Wasserkonzentration und der Temperatur ab.

Nach dem Prinzip von Le Chatelier passt sich das System im Gleichgewicht an, um die vorgenommenen Veränderungen zu reduzieren.

Zum Beispiel ist bei der Reaktion von 2-Methylpropen Wasser auf der linken Seite vorhanden. Die Verwendung einer verdünnten Säure, die mehr Wasser enthält, verschiebt das Gleichgewicht und bildet mehr Alkohol.

Alternativ kehrt konzentrierte Säure, die weniger Wasser enthält, das Gleichgewicht um und bildet das Alken und das Wasser.

Auch Additionsreaktionen sind temperaturabhängig. Hier ist der Enthalpieterm negativ, da die Bindungsbildung exotherm ist. Der Entropieterm, ein Produkt aus einer negativen Entropieänderung und einem positiven Temperaturwert, ist positiv.

Bei niedrigen Temperaturen wird der Entropieterm im Vergleich zum Enthalpieterm kleiner. Daher wird die freie Gibbs-Energie negativ und die Gleichgewichtskonstante größer als eins begünstigt die Bildung des Alkohols.

Im Gegensatz dazu dominiert bei höheren Temperaturen der Entropieterm den Enthalpieterm, und die Änderung der freien Gibbs-Energie wird positiv. Folglich wird die Gleichgewichtskonstante kleiner als eins, was die Bildung des Alkens begünstigt.