Aceton

Aceton oder Azeton [at͡səˈtoːn] ist der Trivialname für die organisch-chemische Verbindung Propanon bzw. Dimethylketon. Es ist mit seinem Strukturmerkmal der Carbonylgruppe (>C=O), die zwei Methylgruppen trägt, das einfachste Keton.

Strukturformel
Allgemeines
Name	Aceton
Andere Namen	Propan-2-on (IUPAC) Propanon 2-Propanon Dimethylketon Acetonum (pharm.) Spiritus pyroaceticus ACETONE (INCI)[1]
Summenformel	C3H6O
Kurzbeschreibung	farblose Flüssigkeit mit süßlichem Geruch[2]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 67-64-1 EG-Nummer 200-662-2 ECHA-InfoCard 100.000.602 PubChem 180 ChemSpider 175 Wikidata Q49546
Eigenschaften
Molare Masse	58,08 g·mol−1
Aggregatzustand	flüssig
Dichte	0,79 g·cm−3 (20 °C)[2]
Schmelzpunkt	−95 °C[2][3]
Siedepunkt	56 °C[2]
Dampfdruck	246 hPa (20 °C)[2] 378 hPa (30 °C)[2] 563 hPa (40 °C)[2] 815 hPa (50 °C)[2]
pKS-Wert	19,16 (H2O)[4] 26,5 (DMSO)[5]
Löslichkeit	mischbar mit Wasser[2] und vielen organischen Lösungsmitteln[6]
Dipolmoment	2,88(3) D[7] (9,6·10−30 C·m)
Brechungsindex	1,3588 (20 °C)[8]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[9] ggf. erweitert[2] Gefahr H- und P-Sätze H: 225​‐​319​‐​336 EUH: 066 P: 210​‐​233​‐​240​‐​241​‐​242​‐​305+351+338[2]
MAK	DFG/Schweiz: 500 ppm bzw. 1200 mg·m−3[2][10]
Toxikologische Daten	5800 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)[2]
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−248,4 kJ/mol (Flüssigkeit)[11] −217,1 kJ/mol (Gas)[11]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Aceton ist eine farblose, brennbare, niedrigviskose Flüssigkeit und findet Verwendung als polares aprotisches Lösungsmittel und als Ausgangsstoff für die Herstellung anderer Chemikalien.

Geschichte

Aceton wurde erstmals 1606 von Andreas Libavius durch Erhitzen von Blei(II)-acetat hergestellt. Robert Boyle stellte es 1661 aus Holzessig dar, der durch trockene Destillation von Holz gewonnen wurde.^[12][13] Beschrieben wurde es erstmals 1610 im Tyrocinium Chymicum von Jean Beguin.

1858 wurde die trockene Destillation von Calciumacetat („Kalksalzdestillation“) zur Herstellung von Aceton beschrieben. Dabei wird das Edukt zum Keton decarboxyliert, als Nebenprodukt fällt Calciumoxid an.^[14]

Bis ins frühe 20. Jahrhundert war die Herstellung aus Calciumacetat das wichtigste Herstellungsverfahren, wurde jedoch in der ersten Hälfte des Jahrhunderts von der Dehydrierung von Isopropanol verdrängt.^[15]

Anfang des 20. Jahrhunderts beschäftigte sich Chaim Weizmann mit der biotechnologischen Herstellung von 1-Butanol. Er untersuchte verschiedene Mikroorganismen und entdeckte ein Bakterium, das später Clostridium acetobutylicum genannt wurde und das in guter Ausbeute Butanol und Aceton aus stärkehaltigem Material erzeugen konnte, was als Aceton-Butanol-Gärung bezeichnet wurde. 1913 wurde in Rainham eine Anlage in Betrieb genommen, die beide Chemikalien produzierte. Dieses Verfahren wurde im Ersten Weltkrieg für Großbritannien wichtiger, als große Mengen Aceton für die Herstellung von Kordit benötigt wurden. In den folgenden Jahrzehnten wurde das Verfahren weiterentwickelt und im großen Stil eingesetzt. Im Zweiten Weltkrieg kam es wieder zu einem erhöhten Bedarf an Aceton, das nach wie vor oft durch Fermentation hergestellt wurde, wobei größere Mengen aus den USA an die Verbündeten in Europa geliefert wurden. Zusätzlich wurde im Carbidverfahren hergestelltes Acetylen als Edukt für die Acetonherstellung erwogen, jedoch war der Bedarf an Acetylen zum Schweißen so hoch, dass dies letztendlich nicht passierte. Ab den 1950er-Jahren wurde die Fermentation als Herstellungsmethode von Aceton weitgehend durch die petrochemische Industrie verdrängt.^[16]

1917 wurde Aceton erstmals großindustriell von Wacker in Burghausen hergestellt.^[17] Dabei wurde das Aceton nach einem Kontaktverfahren durch Überleiten von Essigsäuredampf über erhitztes Metalloxid (Cersalz^[17]) gewonnen.^[18]

Vorkommen

Aceton kommt natürlich in vielen Pflanzen vor. Im menschlichen Metabolismus entsteht es insbesondere beim Abbau von Fetten.^[15]

Aceton ist ein in der Leber gebildeter Ketonkörper, der nicht in nennenswertem Umfang verstoffwechselt werden kann. Er wird deshalb über die Lunge oder im Ausnahmefall über den Harn abgegeben (Acetonurie, ein Symptom des Diabetes mellitus). Im Jahr 1857 hatte Wilhelm Petters (1820–1875) das Azeton im Harn und Blut bei Diabetes an dem an Chloroform erinnernden Geruch entdeckt, was Joseph Kaulich (1830–1886) 1860 durch chemische Analyse bestätigen konnte.^[19] Andere Ketonkörper sind Acetessigsäure und 3-Hydroxybutansäure. Diese können im Stoffwechsel verarbeitet werden und sind beteiligt an der Energiebereitstellung für die Muskeln.

Gewinnung und Darstellung

Das wichtigste Herstellungsverfahren von Aceton ist heutzutage das Cumolhydroperoxid-Verfahren, das auch als Phenolsynthese nach Hock bekannt ist:^[15]

Cumolhydroperoxidverfahren (Hock-Verfahren) zur Herstellung von Aceton

Hier werden Benzol und Propen zunächst durch eine Friedel-Crafts-Alkylierung im Sauren in Isopropylbenzol (Cumol) überführt. Dieses reagiert dann mit Sauerstoff in einer Radikalreaktion zum Hydroperoxid, das sich während der sauren Aufarbeitung zu Phenol und Aceton zersetzt. Das Cumolhydroperoxid-Verfahren dominiert die Acetonproduktion mit einem Anteil von etwa 95 % an der Produktionsmenge und einer Weltjahresproduktion von mehr als sechs Millionen Tonnen.^[15]

Ein anderes Herstellungsverfahren ist die Hydratisierung von Propylen und anschließende Dehydrierung, meist mit einem Kupfer-Katalysator. Dies war bis in die 1970er-Jahre der wichtigste Prozess. Weitere Methoden von untergeordneter Bedeutung sind die Wacker-Oxidation von Propylen mit Palladium(II)-chlorid und Kupfer(II)-chlorid; die Oxidation von Diisopropylbenzolen analog zum Cumolhydroperoxid-Verfahren und die biotechnologische Herstellung (Aceton-Butanol-Ethanol-Gärung).^[15]

Im Jahr 2007 betrug die weltweite Produktion etwa 6,4 Millionen Tonnen, wovon etwa 1,9 Millionen Tonnen auf die USA entfielen und je etwa 2,1 Millionen Tonnen auf Europa und Asien.^[15]

Im Laborbereich entsteht Aceton als Nebenprodukt der Meerwein-Ponndorf-Verley-Reduktion. Durch diese können Aldehyde und Ketone mittels Aluminiumtriisopropanolat reduziert werden, wobei Isopropanolat zu Aceton oxidiert wird.^[20]

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Aceton besitzt aufgrund der elektronenziehenden Ketogruppe eine relativ starke CH-Acidität an den Methylgruppen. Folglich kann es durch starke Basen (hier als B⁻ dargestellt) deprotoniert werden, wobei ein resonanzstabilisiertes Carbanion gebildet wird:

Bildung des Enolats aus Aceton

Physikalische Eigenschaften

Es ist eine farblose, niedrigviskose Flüssigkeit mit charakteristischem, leicht süßlichem Geruch. Der Siedepunkt bei Normaldruck beträgt 56 °C, mit einer relativen Dampfdichte von 2,01 ist gasförmiges Aceton schwerer als Luft.^[21] Es ist in jedem Verhältnis mit Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln mischbar. Das Acetonmolekül zeigt Keto-Enol-Tautomerie. Aceton kann aufgrund seiner polaren Carbonylgruppe mit Kationen auch Komplexverbindungen bilden.

Keto-Enol-Tautomerie

Die Verbindung bildet mit einer Reihe anderer Lösungsmittel azeotrop siedende Gemische. Die azeotropen Zusammensetzungen und Siedepunkte finden sich in der folgenden Tabelle. Keine Azeotrope werden mit Wasser, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, n-Butanol, Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Diethylether, Ethylacetat und Acetonitril gebildet.^[22]

Azeotrope mit verschiedenen Lösungsmitteln[22]
Lösungsmittel		n-Pentan	n-Hexan	n-Heptan	Cyclohexan	Methanol	Chloroform	Tetrachlormethan	Diisopropylether	Methylacetat
Gehalt Aceton	in Ma%	21	59	90	67	88	22	89	61	50
Siedepunkt	in °C	32	50	56	53	55	64	56	54	55

Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log₁₀(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 4,42448, B = 1312,253 und C = −32,445 im Temperaturbereich von 259,2 bis 507,6 K.^[23]

Zusammenstellung der wichtigsten thermodynamischen Eigenschaften

Eigenschaft	Typ	Wert [Einheit]	Bemerkungen
Standardbildungsenthalpie	ΔfH0liquid ΔfH0gas	−249,4 kJ·mol−1[24] −218,5 kJ·mol−1[24]	als Flüssigkeit als Gas
Verbrennungsenthalpie	ΔcH0gas	−1821,4 kJ·mol−1[25]
Wärmekapazität	cp	125,45 J·mol−1·K−1 (25 °C)[26] 2,16 J·g−1·K−1 (25 °C)[26] 75,02 J·mol−1·K−1 (25 °C)[27] 1,29 J·g−1·K−1 (25 °C)[27]	als Flüssigkeit als Gas
Kritische Temperatur	Tc	508,15 K[28]
Kritischer Druck	pc	47,582 bar[28]
Kritische Dichte	ρc	4,63 mol·l−1[28]
Azentrischer Faktor	ωc	0,30653[29]
Schmelzenthalpie	ΔfH	5,72 kJ·mol−1[30]	beim Schmelzpunkt
Verdampfungsenthalpie	ΔVH	29,1 kJ·mol−1[31]	beim Normaldrucksiedepunkt

Die Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie lässt sich entsprechend der Gleichung Δ_VH⁰=A·e^(−βT_r)(1−T_r)^β (Δ_VH⁰ in kJ/mol, T_r =(T/T_c) reduzierte Temperatur) mit A = 46,95 kJ/mol, β = 0,2826 und T_c = 508,2 K im Temperaturbereich zwischen 298 K und 363 K beschreiben.^[31] Die spezifische Wärmekapazität kann im Temperaturbereich zwischen 5 °C und 50 °C über eine lineare Funktion mit c_p = 1,337 + 2,7752·10⁻³ ·T (mit c_p in kJ·kg⁻¹·K⁻¹ und T in K) abgeschätzt werden.^[26]

• 
  Dampf­druck­funk­tion von Aceton
• 
  Tem­pera­tur­ab­hängig­keit der Ver­dampfungs­enthalpie von Aceton
• 
  Spezi­fische Wärme­kapa­zität von Aceton

Sicherheitstechnische Kenngrößen

Aceton bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt unterhalb von −20 °C. Der Explosionsbereich liegt zwischen 2,5 Vol.‑% (60 g/m³) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 14,3 Vol.‑% (345 g/m³) als obere Explosionsgrenze (OEG).^[32] Eine Korrelation der Explosionsgrenzen mit der Dampfdruckfunktion ergibt einen unteren Explosionspunkt von −23 °C sowie einen oberen Explosionspunkt von 8 °C. Die Explosionsgrenzen sind druckabhängig. Eine Verringerung des Drucks führt zu einer Verkleinerung des Explosionsbereiches. Die untere Explosionsgrenze ändert sich bis zu einem Druck von 100 mbar nur wenig und steigt erst bei Drücken kleiner als 100 mbar an. Die obere Explosionsgrenze verringert sich mit sinkendem Druck analog.^[33]

Explosionsgrenzen unter reduziertem Druck (gemessen bei 100 °C)[33]
Druck	in mbar	1013	800	600	400	300	250	200	150	100	50	25
Untere Explosionsgrenze (UEG)	in Vol.‑%	2,2	2,2	2,3	2,3	2,4	2,4	2,5	2,6	2,7	3,6	5,0
	in g·m−3	53	53	53	55	57	58	59	61	63	86	119
Obere Explosionsgrenze (OEG)	in Vol.‑%	14,3	14,0	13,7	13,4	13,2	13,1	13,1	13,1	12,5	10,3	9,0
	in g·m−3	345	338	331	324	319	316	316	316	302	249	217

Maximaler Explosionsdruck unter reduziertem Druck [33]
Druck	in mbar	1013	800	600	400	300	200	100
Maximaler Explosionsdruck (in bar)	bei 20 °C	9,3	7,5	5,5	3,6	2,7	1,8	0,8
	bei 100 °C	7,4		4,5

Der maximale Explosionsdruck beträgt 9,7 bar.^[32] Mit steigender Temperatur und sinkendem Ausgangsdruck sinkt der maximale Explosionsdruck.^[33] Die Grenzspaltweite wurde mit 1,04 mm (50 °C) bestimmt.^[32] Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIA.^[32] Die Sauerstoffgrenzkonzentration wurde mit 9,6 Mol.–% unter Stickstoff und 12,8 Mol.–% unter Kohlendioxid als Inertgas bestimmt.^[34] Mit einer Mindestzündenergie von 0,74 mJ sind Dampf-Luft-Gemische extrem zündfähig.^[35] Die Zündtemperatur beträgt 535 °C.^[32] Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T1. Unter erhöhtem Druck wird ein starkes Absinken der Zündtemperatur beobachtet.^[2] Aceton wird mit 4,9·10⁻⁷ S·m⁻¹ als Flüssigkeit mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eingestuft.^[36]

Zündtemperaturen unter erhöhtem Druck[2]
Druck	in bar	1	2	4	6,8	16,5
Zündtemperatur	in °C	535	345	290	265	250

Reaktionen (Auswahl)

Charakteristisch für die Reaktivität von Aceton ist die Elektrophilie des Carbonyl-Kohlenstoffs, weshalb viele typische Reaktionen einen nucleophilen Angriff dort umfassen. Eine andere wichtige Eigenschaft ist die C-H-Acidität der alpha-Kohlenstoffatome, das die Bildung eines Enolats ermöglicht.^[15]

Addition von C- und H-Nucleophilen

Aceton kann durch Natriumborhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid zu Isopropanol reduziert werden. Mit Grignard-Verbindungen reagiert es zu tertiären Alkoholen. Die Addition von Cyanwasserstoff beziehungsweise Cyanid unter Basenkatalyse (beispielsweise Kaliumhydroxid) ergibt Acetoncyanhydrin.^[15]

Addition von O-Nucleophilen

Durch Addition eines Alkohols an Aceton unter saurer Katalyse entsteht ein Halbacetal. Dieses kann weiter zu einem Acetal reagieren. Mit Wasserstoffperoxid reagiert Aceton in Gegenwart von verdünnter Säure zum Acetonperoxid:^[15]

Addition von N-Nucleophilen

Durch Addition von Stickstoffnukleophilen und Kondensation ergeben sich unterschiedliche Derivate: Imine durch Reaktion mit primären Aminen, Acetonoxim durch Reaktion mit Hydroxylamin, Acetonhydrazon durch Reaktion mit Hydrazin und Aceton-N-phenylhydrazon durch Reaktion mit Phenylhydrazin.^[15]

Halogenierung

Als besondere Reaktion sei hier die Iodierung von Aceton als klassisches Beispiel für eine Reaktionskinetik pseudo-nullter Ordnung genannt. Da sich nur die Enolform iodieren lässt, Aceton aber nahezu zu 100 % als Keton vorliegt, kann man bei der Reaktion die Konzentration an 2-Propenol als konstant ansehen. Dessen C=C-Doppelbindung reagiert mit Iod unter Abspaltung eines Iodidions zu einem mesomeren Kation, das anschließend ein Proton auf ein Iodidion überträgt.^[37]

Iodierung von Aceton

Die Einstellung des Keto-Enol-Gleichgewichts ist säure- (und auch basen-) -katalysiert. Durch den entstehenden Iodwasserstoff wird die Iodierung daher stark beschleunigt (Autokatalyse).

Bei Zugabe von Base läuft hingegen die Iodoformreaktion ab:

Iodoform

Aldolreaktionen

Aceton reagiert in Gegenwart von Benzaldehyd in alkalischer Lösung zum Dibenzalaceton. Die Reaktion findet nach dem allgemeinen Mechanismus der Aldol-Kondensation statt.

Dibenzalaceton

Auch Benzalanilin ist synthetisierbar – dabei reagiert das Anilin mit dem sich in alkalischer Lösung befindenden Aceton unter Wasserabspaltung zur Schiffschen Base (Azomethin). Sowohl Dibenzalaceton als auch Benzalanilin sind wertvolle Substanzen, da sie sehr reaktive Doppelbindungen besitzen, die von Nucleophilen angegriffen werden können.

Lässt man je zwei Acetonmoleküle unter dem Einfluss basischer Reagenzien aldolartig dimerisieren, so entsteht Diacetonalkohol:

synthesis of diacetone alcohol

Reaktion mit Chloroform

Aceton und Chloroform dürfen nicht in höheren Konzentrationen gemischt werden, weil es in Gegenwart von Spuren von basisch reagierenden Stoffen zu einer sehr heftigen Reaktion kommt, bei der 1,1,1-Trichlor-2-methyl-2-propanol entsteht. Auch aus diesem Grund sollen im Labor chlorierte und nicht chlorierte Lösemittelabfälle getrennt gesammelt werden.^[38]

Reaktion von Aceton mit Chloroform

Verwendung

In der chemischen Industrie wird Aceton als Edukt für die Herstellung unter anderem von Bisphenol A, Methylmethacrylat sowie Diacetonalkohol, Mesityloxid und Methylisobutylketon verwendet. Im Jahr 2010 entfielen 29 % des Acetons auf die Verwendung als Lösungsmittel, 24 % auf die Herstellung von Acetoncyanhydrin und dessen Folgeprodukt Methylmethacrylat sowie 22 % auf die Herstellung von Bisphenol A.^[15]

Chemische Industrie

Die Herstellung von Methylmethacrylat beginnt mit der Bildung von Acetoncyanhydrin aus Aceton und Cyanwasserstoff. Durch Reaktion mit Schwefelsäure wird das Cyanhydrin zu Methacrylamid umgesetzt und dann mit Methanol zum Ester. Methylmethacrylat wiederum dient zur Herstellung des Polymers Polymethylmethacrylat.^[15]

Die Kondensation von Aceton mit zwei Molekülen Phenol ergibt Bisphenol A. Dieses dient hauptsächlich zur Herstellung von Polycarbonaten. Daneben wird aber auch zur Herstellung von Epoxidharzen, anderen Polymerharzen (Polyester, Polyacrylate, Polyetherimide und Polysulfone) sowie von Flammschutzmitteln verwendet.^[15]

Durch Aldolkondensation von Aceton entsteht Diacetonalkohol, welcher zu Mesityloxid dehydratisiert werden kann. Dessen Hydrierung ergibt Methylisobutylketon (Weltjahresproduktion 2008 etwa 500.000 Tonnen). Die Reduktion von Diacetonalkohol und Methylisobutylketon ergibt 2-Methyl-2,4-pentandiol und 4-Methyl-2-pentanol. Die Kondensation von drei Molekülen Aceton ergibt Isophoron. Alle diese Produkte werden überwiegend als Lösungsmittel eingesetzt.^[15]

Lösungsmittel

Styropor, angelöst durch einen Tropfen Aceton

Ferner wird Aceton in Kleinmengen als nützliches Lösungsmittel für Harze, Fette und Öle, Kolophonium, Celluloseacetat sowie als Nagellackentferner und Plastikkleber eingesetzt. Des Weiteren wird es zum Entfernen von durch Bauschaum entstandenen Verunreinigungen zum Beispiel der Reinigung von PU-Schaum-Pistolen eingesetzt. Es löst ein Vielfaches seines Volumens an Ethin (Acetylen).

Weitere Verwendungen

In einigen Ländern wird Aceton in kleinen Anteilen (1:2000 – 1:5000) Benzin oder Diesel zugesetzt, um eine effektivere Verbrennung des Treibstoffs zu erreichen.

In der photochemischen Leiterplattenherstellung wird Aceton zur abschließenden Entfettung der Leiterplatte vor dem Löten eingesetzt.

Acetonhaltige Lösungen finden in der Zahnmedizin Verwendung zur Reinigung präparierter Dentinflächen und Wurzelkanäle.

Toxikologie

Auf der Haut verursacht Aceton Trockenheit, da es die Haut entfettet. Deshalb sollte man betroffene Stellen nach Kontakt einfetten. Inhalation größerer Dosen erzeugt Bronchialreizung, Müdigkeit und Kopfschmerz. Sehr hohe Dosen wirken narkotisch.

Hexadeuteroaceton

Aceton-d6
Eigenschaft	Wert	Quelle
Schmelzpunkt	−94 °C	[39]
Siedepunkt	57 °C	[39]
Dichte	0,872 g/ml (25 °C)	[40]
Brechungsindex	1,355 (20 °C)

Deuteriertes Aceton^{[S 1]} (Summenformel: C₃D₆O), auch Aceton-d₆ genannt, findet in der Kernresonanzspektroskopie (NMR) als Lösungsmittel Verwendung.^[39]

Aceton-d₆ kann durch Reaktion von Aceton mit schwerem Wasser in Gegenwart von Lithiumhydroxid-d (aus schwerem Wasser und Lithium) gewonnen werden. Der Prozess der Deuterierung muss mehrmals mit frischem schwerem Wasser wiederholt werden, wobei das umgesetzte Aceton jeweils abdestilliert wird.^[41]

Weblinks

Wiktionary: Aceton – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Acetone in der Consumer Product Information Database