Aldehydy i ketony - notatki

Aldehydy i Ketony - Budowa

• Aldehydy i ketony zawierają grupę karbonylową (C=O), czyli wiązanie podwójne węgla z tlenem ($C=O$).
• Różnią się strukturą i odgrywają kluczową rolę w wielu procesach biologicznych i przemysłowych.

Budowa i Wzory Ogólne

• Aldehydy mają grupę karbonylową (—CHO) na końcu łańcucha węglowego.
• Ketony mają grupę karbonylową schowaną w środku łańcucha.
• Wzór ogólny aldehydów: RCHO, gdzie R to grupa alkilowa, arylowa lub wodór.
  • Grupa alkilowa: Fragment cząsteczki pochodzący od alkanu, z którego usunięto jeden atom wodoru.
  • Grupa arylowa: Fragment cząsteczki pochodzący od związku aromatycznego, z którego usunięto jeden atom wodoru.
• Wzór ogólny ketonów: RCOR’, gdzie R i R’ to fragmenty łańcucha węglowego połączone z grupą karbonylową.

Reaktywność

• Aldehydy są reaktywne z powodu obecności grupy karbonylowej na końcu łańcucha, co ułatwia utlenianie.
• Ketony są bardziej stabilne, ponieważ grupa karbonylowa znajduje się w środku łańcucha węglowego.
• Aceton (keton) jest polarnym rozpuszczalnikiem dzięki silnie spolaryzowanemu wiązaniu C=O.
  • Atom tlenu posiada cząstkowy ładunek ujemny.
  • Atom węgla uzyskuje cząstkowy ładunek dodatni.

Otrzymywanie Aldehydów i Ketonów

• Otrzymywanie aldehydów i ketonów polega na utlenianiu alkoholi.

• Aldehydy otrzymuje się przez utlenianie alkoholi pierwszorzędowych.

  • Grupa hydroksylowa (—OH) przekształcana jest w grupę aldehydową (—CHO) za pomocą utleniacza.
  • Ważne jest, aby reakcja nie poszła zbyt daleko, aby uniknąć utlenienia aldehydu do kwasu karboksylowego.
  • Można użyć tlenku miedzi(II) (CuO) jako utleniacza.

• Ketonów NIE można otrzymać z alkoholi pierwszorzędowych.

• Ketony otrzymuje się przez utlenianie alkoholi drugorzędowych.

• Reakcja utleniania alkoholi drugorzędowych do ketonów z użyciem $CuO$:

  $R-CH-R' + CuO \rightarrow R-C=O-R' + Cu + H_2O$
  $\ \ \ \ \ |$
  $\ \ \ \ \ OH$

  • Miedź redukuje się z +II stopnia utlenienia w tlenku miedzi(II) do metalicznej miedzi na stopniu utlenienia 0.
  • Atom węgla utlenia się ze stopnia utlenienia 0 do atomu węgla na +II stopniu utlenienia w grupie karbonylowej.

• Przykład utleniania propan-2-olu do propan-2-onu (acetonu):

  $H<em>3C-CH-CH</em>3 + CuO \rightarrow H<em>3C-C=O-CH</em>3 + Cu + H_2O$
  $\ \ \ \ |$
  $\ \ \ \ OH$

• Inna metoda otrzymywania ketonów to hydratacja alkinów (metoda Kuczerowa).

  • Proces ten przebiega w dwóch etapach, w obecności $Hg^{2+}$ i $H^+$.

$R-C≡C-R + H<em>2O \rightarrow [R-CH=C(OH)-R] \rightarrow R-C(=O)-CH</em>2-R$

• Przegrupowanie wiązań - tautomeryzacja keto-enolowa

$H-C≡C-CH<em>3 + H</em>2O \rightarrow [H<em>2C=C(OH)-CH</em>3] \rightarrow H<em>3C-C(=O)-CH</em>3$

Nazewnictwo Aldehydów

• Do nazwy głównego łańcucha węglowego dodaje się końcówkę „-al”.
  • Przykłady: metanal, etanal, propanal.
  • Wyjątki (nazwy zalecane przez IUPAC): metanal (formaldehyd), etanal (acetaldehyd).
• Ustala się najdłuższy łańcuch węglowy zawierający grupę aldehydową.
• Numerację łańcucha głównego rozpoczyna się od atomu węgla w grupie aldehydowej (zawsze pierwszy atom).
• W przypadku aldehydów rozgałęzionych identyfikuje się podstawniki, podaje ich położenie i wymienia alfabetycznie.
• Określa się położenie wiązania podwójnego lub potrójnego, jeśli występuje w łańcuchu głównym.
• Aldehydy pierścieniowe, w których grupa aldehydowa jest połączona bezpośrednio z atomem węgla w pierścieniu, nazywa się z użyciem przyrostka „-karboaldehyd”.
  • Dotyczy to również sytuacji, gdy grupa karbonylowa połączona jest z heteroatomem.
• Dla benzaldehydu nazwa zalecana przez IUPAC to benzaldehyd.
• Jeśli grupa aldehydowa nie znajduje się bezpośrednio przy pierścieniu, pierścień staje się podstawnikiem, a numerację atomów węgla zaczyna się od atomu węgla, przy którym znajduje się grupa aldehydowa.
• Aldehydy alifatyczne z dwiema grupami aldehydowymi: dodaje się literę „o” za nazwą rdzenia i przedrostek „di-” przed przyrostkiem „-al”.
• Dla cząsteczek zawierających łańcuch alifatyczny z trzema lub więcej grupami aldehydowymi:
  • Określa się ich położenie i ilość.
  • Stosuje się przyrostek „-karboaldehyd”.
  • Węgle będące częścią grupy aldehydowej nie wchodzą w skład nazwy rdzenia łańcucha głównego aldehydu.
  • „Karbo-” (z łac. carbo) oznacza węgiel i informuje o jego obecności w grupie aldehydowej.
• Dla związków z dwiema lub więcej grupami aldehydowymi przyłączonymi do pierścienia stosuje się przyrostek „-karboaldehyd”.

Nazewnictwo Ketonów

• Końcówka „-on” oznacza keton.
  • Propanon (aceton) jest najprostszym ketonem.
• Ustalenie najdłuższego łańcucha węglowego zawierającego grupę karbonylową.
• Rdzeń nazwy pochodzi od ilości atomów węgla w łańcuchu zawierającym grupę karbonylową, a do nazwy rdzenia dodaje się przyrostek „-on”.
• Numeracja łańcucha węglowego tak, aby grupa karbonylowa była związana z atomem węgla o najniższym możliwym lokancie.
  • Numer atomu węgla, przy którym znajduje się grupa karbonylowa, podaje się przed końcówką „-on”, oddzielając myślnikiem litery od cyfr.
• W przypadku ketonów rozgałęzionych identyfikuje się podstawniki wraz z ich położeniem (lokantami) i wymienia alfabetycznie.
• Określa się położenie wiązania podwójnego lub potrójnego, numerując atomy węgla tak, aby grupa karbonylowa miała jak najniższy lokant.
• Dla ketonów cyklicznych do nazwy rdzenia dodaje się końcówkę „-on”.
  • Gdy grupa ketonowa jest częścią pierścienia (pełni funkcję najstarszej grupy), otrzymuje lokant o wartości 1.
• Ketony, w których grupa karbonylowa związana jest bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym, nazywane są alkilofenonami.

Właściwości Aldehydów i Ketonów

• Aldehydy i ketony mają podobieństwa i różnice we właściwościach fizycznych i chemicznych wynikające z różnic w strukturze chemicznej.
• Obecność grupy karbonylowej (—C=O) sprawia, że związki są polarne.

Właściwości Fizyczne

• Aldehydy o krótkich łańcuchach (formaldehyd, acetaldehyd) są dobrze rozpuszczalne w wodzie.
• Rozpuszczalność aldehydów w wodzie maleje wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.
• Ketony zachowują się podobnie jak aldehydy w obecności wody, ale nie reagują tak łatwo.
• Krótkie ketony (aceton) są doskonale rozpuszczalne w wodzie i stosowane jako rozpuszczalniki w chemii organicznej.
• Rozpuszczalność ketonów w wodzie maleje wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.
• Aldehydy i ketony mają wyższe temperatury wrzenia niż związki o podobnej masie cząsteczkowej, ale niższe niż alkohole.

Właściwości Chemiczne

• Aldehydy są bardziej reaktywne niż ketony z powodu obecności grupy karbonylowej na końcu łańcucha węglowego, co ułatwia utlenianie.
• Aldehydy utleniają się do kwasów karboksylowych.
• Aldehydy reagują z odczynnikami Tollensa i Trommera, co pozwala odróżnić je od ketonów.
• Reakcja Tollensa:
  • Służy do wykrywania aldehydów.
  • Odczynnik Tollensa to amoniakalny roztwór tlenku srebra(I).
  • W reakcji odczynnik Tollensa redukuje się do metalicznego srebra, tworząc tzw. lustro srebrne, a aldehydy utleniają się do kwasów karboksylowych.

$RCHO + 2[Ag(NH<em>3)</em>2]OH \rightarrow RCOONH<em>4 + 2Ag + H</em>2O +3NH_3$

• Próba Trommera:
  • Służy do wykrywania aldehydów i odróżniania ich od ketonów.
  • Odczynnik Trommera to świeżo strącony wodorotlenek miedzi(II).
  • W próbie Trommera wodorotlenek miedzi(II) pełni rolę utleniacza, a aldehyd (RCHO) utlenia się do kwasu karboksylowego (RCOOH), natomiast wodorotlenek miedzi(II) redukuje się do ceglastoczerwonego tlenku miedzi(I).

$RCHO + 2Cu(OH)<em>2 \rightarrow RCOOH + Cu</em>2O + 2H_2O$

• Próba jodoformowa (haloformowa):
  • Reakcja utleniania ketonów w określonych warunkach.
  • Charakterystyczna dla metyloketonów (CH3CO—R, gdzie R to grupa alkilowa, arylowa lub wodór).
  • Odczynnikiem jest roztwór jodu w jodku potasu (płyn Lugola) z wodnym roztworem wodorotlenku sodu.
  • Powstaje żółty osad trijodometanu ($CHI_3$), zwanego jodoformem, o charakterystycznym zapachu.
    *Pozytywny wynik tej próby dają również: etanal, kwas octowy oraz etanol, a także wszystkie alkohole zawierające grupę hydroksylową przy atomie węgla połączonym z grupą metylową.
• Redukcja:
  • Aldehydy można zredukować do alkoholi pierwszorzędowych.
  • Ketony można zredukować do alkoholi drugorzędowych.
• Reakcja z alkoholami:
  • Aldehydy i ketony mogą reagować z alkoholami, tworząc odpowiednio hemiacetale lub acetale (w przypadku aldehydów) oraz hemiketale lub ketale (w przypadku ketonów).
  • Reakcja odwracalna, katalizowana kwasami.

Zastosowanie Aldehydów i Ketonów

• Aldehydy i ketony są szeroko stosowane w przemyśle i w życiu codziennym.
• Aldehydy:
  • Formaldehyd jest używany w produkcji żywic syntetycznych (formaldehydowych, fenolowo-formaldehydowych) do laminatów (meble, blaty kuchenne, panele ścienne).
  • Formaldehyd nadaje materiałom trwałość, odporność na ścieranie i wytrzymałość mechaniczną.
  • Zdolności konserwujące formaldehydu są wykorzystywane w laboratoriach do przechowywania próbek biologicznych.
• Ketony:
  • Aceton jest stosowany jako składnik zmywacza do paznokci i jako rozpuszczalnik w procesach chemicznych (produkcja tworzyw sztucznych, medycyna).
  • Ketony są niezbędne w produkcji farmaceutyków i w badaniach nad metabolizmem.
• Przemysł spożywczy:
  • Aldehydy są odpowiedzialne za zapachy owoców i warzyw.
  • W perfumerii aldehydy są używane do tworzenia zapachów.
  • Ketony znajdują zastosowanie w aromatach spożywczych, dodając głębi i intensywności smakom.