Związki karbonylowe

Związki karbonylowe - związki organiczne zawierające w swych cząsteczkach grupę, w której atom tlenu połączony jest z atomem węgla podwójnym wiązaniem =C=O. Taki układ atomów nazywamy grupą karbonylową. Jest ona grupą funkcyjną dwóch ważnych związków: aldehydów (np. formaldehyd, etanal )
i ketonów (np. aceton).

Uwaga - grupa karbonylowa - grupa funkcyjna aldehydów i ketonów, ponadto wchodzi w skład złożonych grup funkcyjnych charakterystycznych dla kwasów karboksylowych, estrów i amidów. Jej budowa elektronowa podobna jest do wiązania podwójnego C=C. Pary tworzące wiązanie C=O nie są równocenne. Jedna z nich jest trwałą parą typu σ, druga zaś jest znacznie bardziej podatną na rozerwanie parą typu π.

Właściwości chemiczne - aldehydy i ketony dają szereg reakcji uwarunkowanych obecnością grupy karbonylowej C=O. Jest to grupa silnie spolaryzowana. Aldehydy i ketony podlegają reakcjom

utleniania i redukcji

addycji związków Grignarda, alkoholi i wody, pochodnych amoniaku, wodorosiarczanu, hydroksyloaminy, hydrazyny, cyjanków

kondensacja aldolowa

reakcji Cannizaro.

Utlenianie aldehydów i ketonów - utleniaczem może być KMnO₄, K₂Cr₂O₇ lub  (Ag(NH₃)₂)⁺

RCHO lub ArCHO --> RCOOH lub ArCOOH

najbardziej znana reakcja jest reakcja 'lustra srebrnego', wykorzystywana do wykrywania aldehydów:

CH₃CHO + 2Ag(NH₃)₂⁺ + 3OH^- --> 2Ag + CH₃COO^- + 4NH₃ + H₂O

Redukcja aldehydów i ketonów - produktami reakcji mogą być alkohole lub węglowodory

Redukcja do alkoholi - reakcja przebiega z udziałem katalizatorów Ni, Pt lub Pd, LiAlH₄ lub NaBH₄

RCHO + H₂ --> RCH₂OH

Redukcja do węglowodorów - reakcja przebiega z udziałem katalizatorów Zn + stęż. HCl lub NH₂NH₂ (hydrazyna).

C₆H₅-CO-CH₂CH₃ ----> C₆H₅-CH₂-CH₂CH₃

Addycja związków Grignarda - addycja związków była już prezentowana przy metodach otrzymywania alkoholi.

Związki karbonylowe

Addycja pochodnych amoniaku - Niektóre pochodne amoniaku przyłączają się do grupy karbonylowej. tworzą się wówczas połączenia, których znaczenie polega głównie na tym, że można je wykorzystać do charakterystyki
i identyfikacji aldehydów i ketonów. Połączenia te zawierają w cząsteczce podwójne wiązanie węgiel-azot, które tworzy się skutek eliminacji cząsteczki wody z początkowo utworzonych produktów addycji.

Addycja wodorosiarczanu - wodorosiarczan przyłącza się do większości aldehydów i do wielu ketonów, tworząc produkty addycji:

=C=O + NaHSO₃ --> =C(OH)SO₃Na

Reakcję przeprowadza się przez zmieszanie aldehydu lub ketonu ze stężonym roztworem wodorosiarczanu sodowego, a następnie oddziela się produkt w postaci krystalicznego ciała stałego.
Reakcja ta pozwala na oddzielenie ketonów i aldehydów (w postaci nierozpuszczalnej soli) od innych związków organicznych.

Addycja alkoholi - alkohole w obecności bezwodnego kwasu przyłączają się do grupy karbonylowej aldehydów, wskutek czego tworzą się acetale

CH₃CHO + 2C₂H₅OH <=> CH₃CH(OC₂H₅)₂ + H₂O

Acetale mają strukturę eterów i podobnie jak etery ulegają rozszczepieniu przez kwasy, natomiast są odporne na działanie zasad.

Kondensacja aldolowa - Pod wpływem rozcieńczonej zasady lub rozcieńczonego kwasu dwie cząsteczki aldehydu lub ketonu mogą łączyć się, w wyniku czego tworzy się beta-hydroksyaldehyd albo beta-hydroksyketon

CH₃CHO + CH₃CHO --> CH₃-CH(OH)-CH₂-CHO

Reakcja ta nie zachodzi jeżeli cząsteczka aldehydu lub ketonu nie zawiera atomu wodoru (alfa). Z tego wynika, że reakcji nie będzie podlegać: ArCHO, HCHO, ArCOAr, ArCOCH₃

Reakcja Cannizaro - Aldehydy nie zawierające atomów wodoru (alfa) ulegają w obecności stężonych roztworów zasad (NaOH) reakcji samoutlenienia-redukcji prowadzącej do mieszaniny alkoholu i soli kwasu karboksylowego

2HCHO ---> CH₃OH + HCOO^-Na⁺

Aldehydy

Aldehydy - związki organiczne, w których cząsteczkach grupa karbonylowa połączona jest jednym wiązaniem pojedynczym z atomem wodoru, a drugim z resztą węglowodorową cząsteczki. Grupą funkcyjną aldehydów jest grupa aldehydowa –CHO. R to rodnik alkilowy lub arylowy. Symbol - RCHO

Grupa karbonylowa - w aldehydach grupa C=O występuje na końcu łańcucha węglowego, łączy się z nim pojedynczym wiązaniem C–C, czwarte wiązanie jest wysycone atomem wodoru.

Przykłady związków -

metanal, aldehyd mrówkowy - HCHO

etanal, aldehyd octowy - CH₃-CHO

aldehyd benzoesowy (aromatyczny) - C₆H₅-CHO

Nazewnictwo - Systematyczne nazwy aldehydów tworzymy dodając końcówkę –al do nazwy macierzystego węglowodoru. Powszechnie stosuje się nomenklaturę aldehydów wywodzącą się od nazwy odpowiadającego im kwasu.

Szereg homologiczny -

metanal - HCHO - aldehyd mrówkowy, formaldehyd

etanal - CH₃CHO - aldehyd octowy, acetaldehyd

propanal - CH₃–CH₂–CHO - aldehyd propionowy

butanal - CH₃–CH₂–CH₂–CHO - aldehyd masłowy

pentanal - CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CHO - aldehyd walerianowy

Otrzymywanie -

utlenianie alkoholi I-szo rzędowych w obecności K₂Cr₂O₇

utlenianie metylowych pochodnych benzenu

redukcja chlorków kwasowych

synteza Reimera-Tlemanna (otrzymywanie fenolo-aldehydów)

- utlenianie alkoholi I-szo rzędowych: RCH₂OH RCHO

Pogłębione utlenianie alkoholi I-szo rzędowych daje nam produkt końcowy - kwas karboksylowy

- utlenianie metylowych pochodnych benzenu:

RCH₂OH RCHO RCOOH

ArCH₃ + Cl₂ --> ArCHCl₂
ArCHCl₂ + H₂O --> ArCHO LiAlH₄

- redukcja chlorków kwasowych: RCOCl (ArCOCl RCHO (ArCHO)

- synteza Reimera-Tiemanna (otrzymywanie fenolo-aldehydów):

W wyniku działania chloroformu i wodnego roztworu wodorotlenku na fenol grupa aldehydowa -CHO zostaje wprowadzona do pierścienia aromatycznego, na ogół w położenie orto do grupy -OH.

C₆H₅OH + (CHCl₃, NaOH) --> HOC₆H₄CHO

Proces polimeryzacji, proces polikondensacji - Obecność wiązania podwójnego C=O powoduje, że aldehydy, podobnie jak związki nienasycone, mają zdolność do polimeryzacji i polikondensacji

Zastosowanie - w procesie polikondensacji fenolu z formaldehydem powstają żywice fenolowo- formaldehydowe stosowane do wyrobu lakierów, klejów , laminatów, tworzyw sztucznych

- etanal znalazł zastosowanie m.in. do produkcji kwasu octowego, alkoholu etylowego, chloroformu i wielu tworzyw sztucznych

- aldehyd benzoesowy stosuje się przy wyrobach cukierniczych jako składnik sztucznego olejku migdałowego

Właściwości fizyczne:

- stan skupienia

C1 - występuje w stanie gazowym
> C2 - występują w stanie ciekłym

- charakterystyczny zapach

C1 - C3 - mają nieprzyjemny zapach
C4 - C7 - mają odrażającą woń
> C8 - mają przyjemny zapach

Ketony

Ketony - związki organiczne zawierające grupę karbonylową, która jest połączona z dwiema grupami węglowodorowymi. Symbol - RCOR₁

Grupa karbonylowa - W ketonach grupa C=O występuje wewnątrz łańcucha węglowego cząsteczek, atom węgla grupy karbonylowej jest drugorzędowy

Przykłady związków -

propanon, aceton - CH₃ – CO - CH₃

2-butanon, keton etylo-metylowy - C₂H₅COCH₃

acetofenon (aromatyczny) - C₆H₅COCH₃

Nazewnictwo - Systematyczne nazwy ketonów tworzymy dodając końcówkę –on do nazwy macierzystego węglowodoru. Stosuje się też nazwy wywodzące się od nazw grup funkcyjnych w formie przymiotnikowej
z poprzedzającym je słowem ,,keton’’.

Otrzymywanie -

utlenianie alkoholi II-go rzędowych

acylowanie metodą Friedla-Craftsa

reakcja chlorków kwasowych ze związkami kadmoorganicznymi

Przykłady:

Utlenianie alkoholi II-go rzędowych:

Acylowanie metodą Friedla-Craftsa

Jest to reakcja chlorków kwasowych - RCOCl. W tej reakcji grupa acylowa RCO- zostaje przyłączona do pierścienia aromatycznego, w wyniku czego tworzy się keton. proces ten nazywany jest acylowaniem.

R-CO-Cl + Ar-H R-CO-Ar + HCl

Reakcja acylowania Friedla-Craftsa jest jedną z najważniejszych metod otrzymywania ketonów z grupą karbonylową połączoną bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym.Ketony te można następnie w wyniku redukcji przekształcić w alkohole drugorzedowe lub w wyniku reakcji ze związkami Grignarda - w alkohole trzeciorzędowe oraz w związki przynależne do wielu innych ważnych klas.

Proces polimeryzacji - nie ulegają

Proces polikondensacji - pod wpływem silnych utleniaczy w cząsteczkach ketonów następuje rozerwanie wiązania C–C przy grupie karbonylowej i powstanie mieszaniny kwasów karboksylowych o krótszych łańcuchach.

Właściwości redukujące - ketony nie wykazują właściwości redukujących (negatywny wynik prób Tollensa
i Trommera). Wynika to z braku atomu wodoru związanego bezpośrednio z grupą karbonylową.

Grupa karbonylowa występująca w ketonach położona jest wewnątrz łańcucha węglowego, brak też przy niej wiązania C–H. Powoduje to, że ketony utleniają się znacznie trudniej niż aldehydy. Dopiero pod wpływem silnych utleniaczy w cząsteczkach ketonów następuje rozerwanie wiązania C–C przy grupie karbonylowej i powstanie mieszaniny kwasów karboksylowych o krótszych łańcuchach.

Zastosowanie - aceton jest dobrym rozpuszczalnikiem tłuszczów , żywic, lakierów dlatego tez znalazł zastosowanie przy produkcji farb, lakierów niektórych tworzyw sztucznych np.: szkła organicznego

Właściwości fizyczne -

- są cieczami.
- są lotniejsze niż odpowiadające im alkohole.
- rozpuszczają się w wodzie i w rozpuszczalnikach organicznych w tym samym stopniu co alkohole.
- są dobrymi rozpuszczalnikami organicznymi.
- mają małą zdolność do krystalizacji.