U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o skupini organskih spojeva koji sadrže karbonilnu funkcionalnu skupinu, aldehidima i ketonima.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Strukturno prikaži karbonilnu skupinu!
• Usporedi strukture aldehida i ketona! Prikaži!
• Objasni princip imenovanja aldehida i ketona na primjerima!
• Navedi fizikalna svojstva aldehida i ketona!
• Koje kemijske reakcije karakteriziraju karbonilne spojeve?
• Napiši opći mehanizam tih reakcija!
• Što su poluacetali, a što acetali? Napiši reakciju njihovog dobivanja!
• Što su poluketali, a što ketali? Napiši reakciju njihovog dobivanja!
• Navedi sve načine dobivanja aldehida i ketona! Napiši kemijske reakcije!
• Koji su produkti redukcije aldehida i ketona? Koje reducense koristimo u tim reakcijama i zašto? Napiši mehanizam tih reakcija!
• Nabroji najvažnije aldehide i ketone?
• Za što upotrebljavamo karbonilne spojeve?
• Navedi osnovna svojstva i područja upotrebe za sljedeće spojeve: formaldehid, acetaldehid, benzaldehid i aceton!

UVOD

Aldehide i ketone karakterizira ista funkcionalna skupina, tzv. karbonilna skupina (- C=O) te ove spojeve zajedničkim imenom nazivama karbonilnim spojevima. Kod aldehida je karbonilna skupina vezana na jedan ugljikov atom, dok kod ketona imamo karbonilnu skupinu povezanu sa dva ugljikova atoma.

Sama struktura karbonilne skupine može se objasniti modelom sp² hibridizacije gdje je karbonilni ugljik sa susjednim atomima povezan sa tri sigma (σ) veze. Kutovi između veza iznose 120 °. Nehibridizirana p- orbitala ugljika sa odgovarajućom orbitalom kisika tvori pi (π) vezu te nastaje dvostruka veza.

Kisik je elektronegativniji atom pa jače privlači elektrone iz zajedničkog elektronskog para zbog čega je karbonilna skupina polarna.

Naziv karbonilnih spojeva

Prilikom imenovanja aldehida, karbonilni ugljik se označava brojem 1. Karbonilna skupina ima prednost pred dvostrukom i trostrukom vezom, te pred -OH skupinom. Kod ketona karbonilna skupina ne mora imati broj 1, ali se onda mora navesti broj na kojem se nalazi. Supstituenti se, kao i kod ostalih spojeva, navode abecednim redom. Osnovni naziv aldehidi dobivaju tako da se na naziv osnovnog ugljikovodika (najduži lanac C-atoma) doda nastavak -AL. Za ketone vrijedi sve isto, samo imaju nastavak -ON.

Naziv ketona može se tvoriti tako i da se na naziv osnovnog ugljikovodika (najduži lanac C-atoma) doda prefiks –OKSO (označava kisikov atom) i pri tome je potrebno i naznačiti broj karbonilnog C-atoma. Tako se keton iz prethodnog primjera može još imenovati i kao: 1-klor-3-metil-2-oksobutan.

Karbonilna skupina može biti povezana i sa aromatskim prstenom (benzen), a može biti i dijelom prstena (ciklički ketoni).

Svojstva karbonilnih spojeva

Fizikalna svojstva

Aldehidi sa manjim brojem C-atoma su bezbojne tekućine karakterističnih mirisa, izuzetak je metanal (najjednostaviji aldehid) koji je plin. Viši aldehidi su čvrste tvari. Niži ketoni su također tekućine, a viši krutine. Aldehidi i ketoni imaju viša vrelišta i tališta od odgovarajućih ugljikovodika, ali niža od alkohola i vode. Zašto?

Niži aldehidi i ketoni su topljivi u vodi.

Kemijska svojstva

Zbog polarnosti karbonilne skupine, aldehidi i ketoni su prilično reaktivni spojevi i važni su za organske sinteze. Karbonilni ugljik sadrži pozitivni naboj te lako može privući nukleofile (baze koje nose elektrone) te su za karbonilne spojeve karakteristične reakcije NUKLEOFILNE ADICIJE. Elektronegativniji kisik prihvaća elektrofile koji su najčešće protoni.

Adicijom alkohola na aldehid odnosno keton nastaje poluacetal (hemiacetal), odnosno poluketal (hemiketal). Ta reakcija može dalje napredovati dodatkom alkohola do acetala, odnosno ketala. Reakcija je katalizirana kiselim katalizatorom (npr: HCl) da se omogući reakcija slabijih nukleofila sa karbonilnim ugljikom.

Dobivanje karbonilnih spojeva

Oksidacijom primarnih alkohola nastaju aldehidi dok oksidacijom sekundarnih alkohola dobivamo ketone.

Reakcije se odvijaju djelovanjem oksidansa kao što su krom (VI) oksid (CrO₃) ili kalijev dikromat (K₂Cr₂O₇) u kiseloj sredini.

Aldehidi i ketoni se dalje mogu oksidirati u odgovarajuće karboksilne kiseline.

Navedene kemijske reakcije dobivanja karbonilnih spojeva su moguće i u suprotnom smjeru tj. iz aldehida i ketona opet možemo dobiti odgovarajuće primarne odnosno sekundarne alkohole reakcijama redukcije uz pogodna redukcijska sredstva. Reducensi za ove reakcije su tvari koje imaju vodik u obliku hidridnog iona (H^–) kao što su LiAlH₄, NaH ili NaBH₄. Hidrid ion se kao nukleofil veže na karbonilni ugljik, a preostali dio molekule se veže na kisik. Reakcija se odvija u dva stupnja na sljedeći način:

ZADATAK:

Napiši kemijsku reakciju dobivanja sljedećih spojeva iz odgovarajućih alkohola: a) propanal, b) 2-butanon!

Karbonilni spojevi mogu se dobiti i adicijom vode na alkine. Prvi produkt reakcije je enol koji tautomerizacijom prelazi u keton ili aldehid. (O tautomerizaciji saznaj više u Temi IZOMERIJA ORGANSKIH SPOJEVA!)

Upotreba karbonilnih spojeva

Aldehidi i ketoni su široko rasprostranjeni organski spojevi. Vrlo važni organski spojevi, ugljikohidrati su zapravo aldehidi i ketoni po svojoj funkcionalnoj skupini. Mirisi brojnih tvari potječu od aldehida i ketona, npr: vanilija, cimet, ljubica, jasmin, metvica, badem, različiti parefemi, itd. Važni su i nezaobilazni u reakcijama organske sinteze (alkohola, karboksilnih kiselina, različitih polimera).

Najvažniji predstavnici aldehida su: metanal, etanal i bezaldehid, a ketona 2-propanon ili aceton pa ćemo o njima reći nešto više u nastavku.

Metanal, HCOH

Metanal ili formaldehid (trivijalni naziv prema: lat. acidum formicum = mravlja kiselina + aldehid) je najjednostavniji aldehid. Bezbojan je i otrovan plin, oštrog, bockavog, karakterističnog mirisa. Topljiv je u vodi.

Industrijski se dobiva katalitičkom oksidacijom metanola. Kao katalizator se koristi smjesa željezovog i molibdenovog ili vanadijeva oksida. Temperatura reakcijske smjese je 250-400 °C.

2CH₃OH + O₂ → 2HCHO + 2H₂O

Metanal dalje može vrlo lako oksidirati u mravlju ili metansku kiselinu.

Metanal ima antimikrobna svojstva pa se koristi kao sredstvo za dezinfekciju prostorija i industrijskih pogona. Upotrebljava se i kao antispetik, u proizvodnji lijekova, u kozmetičkoj industriji (dezodoransi), u tekstilnoj industriji ( oplemenjivanje svile, fiksiranje boja, učvršćivač), u industriji papira, za pripravu bioloških preparata kao konzervator, u proizvodnji boja i drugih polimera.

Iako je upotreba metanala vrlo široka, zbog njegove toksičnosti su nužne mjere opreza.

Vodena otopina formaldehida (w (HCHO) = 40 %) poznata je pod nazivom FORMALIN. Upotrebljava se kao sredstvo za očvršćivanje, zaštitno sredstvo, dezinfekcijsko sredstvo, reducens i sirovina u kemijskim sintezama. Formalin je zapaljiv, a njegove pare nadražuju oči, kožu i dišne organe.

Metanal se vrlo lako polimerizira u bijeli, pahuljasti paraformaldehid. Paraformaldehid vrlo lako može nastati i iz formalina, stoga da se ta reakcija spriječi, vodenoj otopini metanala dodaje se metanol.

Etanal, CH₃COH

Etanal ili acetaldehid (octeni aldehid) je bezbojna i lako hlapljiva tekućina oštra mirisa. Topljiv je u vodi i vrlo reaktivan.

Industrijski se dobiva oksidacijom etanola ili hidratacijom etina.

Najveće količine etanala se upotrebljavaju za proizvodnju octene kiseline i acetanhidrida. Polimeri etanala su paraldehid i metaldehid.

Benzaldehid, C₆H₅COH

Benzaldehid je najjednostavniji i najvažniji aromatski aldehid. Bezbojna je tekućina koja miriše na bademe. U prirodi se nalazi u glikozidu amigdalinu koji se nalazi u sjemenkama šljiva. Benzaldehid je odgovaran za miris trešanja i malina.

Benzaldehid se može dobiti oksidacijom toluena ili hidrolizom benzal klorida (C₆H₅CHCl₂).

Benzaldehid se upotrebljava za dobivanje cimetne kiseline, proizvodnju parfema, boja, lijekova. U pčelarstvu se koristi za privlačenje pčela i njihovo istjerivanje iz košnica.

2-propanon (aceton)

Propan-2-on, dimetil-keton ili najjednostavnije aceton, kemijske formule (CH₃)₂CO je najjednostavniji i najvažniji član skupine ketona. Bezbojna je i lako hlapljiva tekućina karakterističnog ugodnog mirisa. Topljiv je u vodi i lako zapaljiv.

Može se dobiti na više načina od kojih je industrijski najvažniji dehidrogenacijom izopropanola.

(CH₃)₂CHOH → (CH₃)₂CO + H₂

Najvažnija upotreba acetona je kao otapalo jer otapa organske tvari (ulja, masti, boje, lakove). Također je važna sirovina za sintezu kloroforma, različitih plastičnih materijala i umjetnih vlakana.

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

ALDEHIDI I KETONI

e-učenje kemije