post

Карбонилни съединения – кетони и алдехиди

Карбонилни съединения са въглеводороди, които съдържат карбонилна функционална група =С=О в молекулата си. Тя представлява въглероден атом (С) свързан чрез двойна връзка с кислороден атом (О).

Ако въглеродът в карбонилната група е свързан чрез останалите си две химични връзки с въглеводороден остатък и водород или само с два атома водород, то функционалната група е алдехидна, а съединенията се наричат алдехиди R-C(O)H. Ако въглеродът в карбонилната група е свързан с два въглеводородни остатъка, то функционалната група е кетонна, а съединенията се наричат кетони и се изписват с общата формула R-C(O)-R1.

карбонилната група при алдехиди и кетони

карбонилната група при алдехиди и кетони

Названия и номенклатура на карбонилни съединения

Алдехидите могат да бъдат мастни R-C(O)-H, ароматни Ar-C(O)-H и мастно-ароматни Ar-R-C(O)-H, но функционалната група е винаги в края на веригата. Наименованията им грубо казано се формират от названието на съответния остатък и наставката -ал (или -алдехид). Ar в гореизброените примери е фениловият остатък, а R – алкиловият.

CH3-C(O)H – етанал; CH2=CH-C(O)H – пропeнал; (C6H6)-CH=CH-C(O)H – 3-фенилпропeнал; (C6H6)-C(O)H – бензалдехид;

По сходен начин се наименуват и представителите на на кетони. Към названието на съответния остатък се прибавя наставката -он (или -кетон). Те също могат да бъдат мастни R-C(O)-R1, ароматни Ar-C(O)-Ar1 или мастно-ароматни R-C(O)-Ar. Кетогрупата е винаги във веригата и никога накрая.

CH3-C(O)-CH3 – пропанон (диметилкетон); CH3-C(O)-CH=CH2 – бутенон (метилвинилкетон); (C6H6)-C(O)-(C6H6) – дифенилметанон (дифенилкетон); (C6H6)-CH-C(O)-C2H5 – 1-фенил-2-бутанон (бензилетилкетон);

Основните принципи за наименуване по номенклатурата на IUPAC са в пълна сила и при карбонилните съединения. Определя се главна верига – тази, която съдържа функционалната група. В азбучен ред се изреждат заместителите, като с арабско число пред тях се посочва мястото им в главната верига. За начало се определя онзи край на веригата, до който най-близко се намира функционалната група. След изброяването на заместителите се посочва номера на позицията, където е разположена групата. На края се добавя названието на главната верига със съответната наставка -ал или -он.

Карбонилните производни имат и тривиални названия. Ацетон е общоприетото име за пропанон. Бензофенон съответства на дифенилметанона. МВК е популярно съкращение за бутенон. Формалдехид пък е тривиално наименование за метанал.

Хомоложни редове

Съществуват карбонилни производни и с повече от една карбонилна група. Както при всички останали съединения, сходните карбонилни могат да се подредят в хомолoжни редове по нарастване на молекулната им маса. Членовете на един такъв ред се наричат хомолози.

Наситените моноалдехиди образуват един хомоложен ред, а ненаситените могат да се подредят в друг. И двата се формират като всеки следващ член в реда увеличава дължината на веригата си с една метиленова група (H2C=) и респективно молекулната си маса. Същата зависимост може да се приложи за монокетоните и на практика за всички карбонилни производни. Възможно е да се съставят хомоложни редове и на ди- и поликарбонилните съединения.

Строеж

Когато разглеждаме карбонилните производни, въпреки че е възможно да има различни заместители, вниманието пада върху строежа на карбонилната група. В нея въглеродният атом е в sp2-хибридно състояние. Той образува двойна връзка с кислородния атом и две единични връзки във въглеводородната верига. При алдехидите поне едната от тези две прости връзки е с водороден атом.

разпределение на електронната плътност в карбонилната група

разпределение на електронната плътност в карбонилната група

Кислородният атом в групата обикновено се представя с два различни хибридни модела. Първият е на горното изображение, където кислородът е в sp2-хибридно състояние. Носители на неподелените електронни двойки са две хибридни орбитали в равнината на σ-връзката.

При втория модел кислородният атом е в sp-хибридно състояние. Нехибридизираните p-атомни орбитали са по осите y и z. Носители на неподелените електронни двойки са едната хибридна орбитала по оста х и нехибридизираната орбитала по оста у.

Двойната връзка е силно полярна заради голямата разлика в електроотрицателностите на кислорода и въглерода. Карбонилната група има едновременно отрицателен индукционен (-I) и отрицателен мезомерен ефект (-М). Еднопосочността на двата ефекта е причината за полярността на връзката.

От друга страна алкиловите заместители имат положителен индукционен ефект и намаляват нейната полярност. Затова двойната връзка при алдехидите е по-полярна от тази при кетоните, тъй като водорода има по-малък положителен индукционен ефект (+I) от този на кой да е друг алкилов заместител. Карбонилните производни не образуват междумолекулни водородни връзки.

При ароматните карбонилни в следствие отрицателния мезомерен ефект, карбонилната група се явява мета-ориентант, което означава, че заместителните реакции най-лесно протичат на мета-позиция. При мастните карбонилни най-лесно се заместват водородните атоми при въглеродния атом директно свързан с въглерода на карбонилната група.

Изомерия при кетони и алдехиди

Кетони и алдехиди с еднакъв количествен и качествен състав са на практика функционални изомери. Например ацетонът е функционален изомер на пропанала. При алдехидите не е възможна позиционна изомерия на карбонилната група, но може да има позиционни изомери, които касаят сложната връзка при ненаситените въглеводородни вериги, а също и другите заместители. За кетоните е характерна позиционна изомерия, отнасяща се до разположението на карбонилната функционална група.

Верижната изомерия се наблюдава при всички представители на карбонилните, които имат достатъчно дълга верига. Съединенията с асиметрични атоми могат да образуват и оптични изомери и като цяло е възможна пространствена изомерия. Ако читателят разгледа и осмисли публикацията „Изомерия“ ще забележи, че практически карбонилните съединения могат да имат почти всички видове изомери.

Физични свойства на карбонилни съединения

При обикновени условия формалдехидът е газ, нисшите и средните представители на хомоложния ред са течности, а висшите са твърди вещества. Нисшите карбонилни са разтворими във вода, като ацетонът и ацеталдехидът са много добре разтворими. Разтворимостта в полярни разтворители се обяснява с полярността на двойната връзка в карбонилната група. Някои представители имат неприятна задушлива миризма, а други притежават приятен аромат.

Химични свойства на карбонилни съединения

1.) Присъединяване на водород (редукция):
R-C(O)H + H2 → R-H2C-OH
R-C(O)-R1 + H2 → R-C(OH)-R1

2.) Присъединяване на амоняк:
R-C(O)H + NH3 → R-(H2N)CH-OH → H2O + R-(HN)C-H (имин)
R-C(O)-R1 + NH3 → R-(H2N)CR1-OH → H2O + R-(HN)C-R1 (алкилимин)

На същия принцип се присъединяват и други съединения, които съдържат аминогрупа.

3.) Присъединяване на алкохоли директно е възможно само за алдехидите:
R-C(O)H + C2H5OH → + R-HC(-O-C2H5)-OH (полуацетал)

4.) Окисление (различни окислители могат да се използват):
R-C(O)H + О → R-CООH
R-CH2C(O)-CH2-R1 + 3О → R1-CООH + R-CH2-CООH

5.) Диспропорциониране:
2Ar-C(O)H + KOH → Ar-CH2-OH (бензилов алкохол) + Ar-COOK (калиев бензоат)

6.) Горене:
H-C(O)H + O2 → CO2 + H2O
7.) Заместителни реакции в алкиловия (в ариловия) остатък.

Получаване на кетони и алдехиди

В природата карбонилните съединения се срещат в етеричните масла (камфор, фенилетанал, канелен алдехид, бензалдехид, ванилин и др.). Синтетично кетони и алдехиди могат да се получат по някои от следните методи:

1.) Хидратиране (реакция на Кучеров).

2.) Каталитично окисление на алкохоли:

C2H5OH + KMnO4 → H3C-C(O)H (етанал) + H2O

3.) Дехидриране на акохоли:

R-CH(R1)-OH + катализатор → R-C(O)-R1 + H2

4.) Хидролиза на халогенопроизводни

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *