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20.3:アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル

アルデヒドおよびケトン

アルデヒドおよびケトンは両方ともカルボニル基、炭素-酸素二重結合を有する官能基を含む。 アルデヒドおよびケトン化合物の名称は、アルカンおよびアルコールと同様の命名規則を用いて導出され、それぞれクラス識別接尾辞-alおよび-oneを含む。

アルデヒドでは、カルボニル基は少なくとも1つの水素原子に結合しています。

アルデヒドでは、カルボニル基は少なくとも1つの水素原子に結合しています。

アルデヒドでは、カルボニル基は少なくとも1つの水素原子に結合しています。

アルデヒドでは、カルボニル ケトンでは、カルボニル基は2つの炭素原子に結合している。 具体的には、アルデヒド基は−CHOで表され、ケトンは−C(O)−または−CO−で表される。

アルデヒドとケトンの両方で、カルボニル基の炭素原子の周りの幾何学は三方平面であり、炭素原子はsp2ハイブリダイゼーションを示す。 カルボニル基の炭素原子上の2つのsp2軌道は、分子内の他の炭素原子または水素原子とπ結合を形成するために使用される。 残りのsp2ハイブリッド軌道は酸素原子にπ結合を形成する。 カルボニル基中の炭素原子上の非架橋p軌道は酸素原子上のp軌道と重なり、二重結合中のπ結合を形成する。二酸化炭素中の\(\mathrm{C=O}\)結合と同様に、カルボニル基の\(\mathrm{C=O}\)結合は極性である(酸素は炭素よりも電気陰性であり、共有電子は酸素原子に向かって炭素原子から離れていることを思い出してください)。 アルデヒドとケトンの反応の多くは、極性\(\mathrm{C=O}\)結合の正の端にあるルイス塩基と炭素原子との間の反応から始まり、不安定な中間体を生成し、続いて一つ以上の構造再配列を受けて最終生成物を形成する(図\(\PageIndex{1}\))。p>

図\(\PageIndex{1}\):カルボニル基は極性であり、中心炭素の周りの結合の幾何学は三角平面です。

有機化合物の反応性における分子構造の重要性は、アルデヒドとケトンを生成する反応によって示されています。 アルコールの酸化によってカルボニル基を調製することができます—有機分子の場合、炭素原子の酸化は、炭素-水素結合が炭素-酸素結合に置換されたときに起こると言われています。 逆反応(炭素—酸素結合を炭素-水素結合に置き換える)は、その炭素原子の還元である。 酸素は、元素またはフッ素に結合していない限り、一般的に-2酸化数が割り当てられていることを思い出してください。 水素は、金属に付着していない限り、一般的に+1の酸化数が割り当てられます。 炭素は特定の規則を持たないので、その酸化数は、それが結合している原子および分子またはイオンの全体的な電荷を因数分解することによって代数的に決定される。 一般に、酸素原子に結合した炭素原子は、より正の酸化数を有し、水素原子に結合した炭素原子は、より負の酸化数を有するであろう。 これは、C–OおよびC–H結合の極性の理解にうまく合うはずです。 他の試薬とこれらの反応の可能な生成物は、この章の範囲を超えているので、我々は炭素原子への変化にのみ焦点を当てます。

例\(\PageIndex{1}\):有機化学における酸化と還元

メタンは、一つの炭素原子を含む有機分子の完全に還元された形態を表します。 それぞれの炭素-水素結合を炭素-酸素結合に順番に置き換えると、アルコール、アルデヒド、カルボン酸(後述)、そして最後に二酸化炭素につながります。

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ここに示されている分子中の炭素原子の酸化数は何ですか?

Solution

この例では、それぞれの場合に炭素原子の酸化数(必要に応じて酸化還元反応の章を見直す)を計算することができます(炭素原子と水素原子を追加した大きな分子ではこれが困難になるため、有機化学者はc-H結合を記述したC–O結合に置き換える定義を使用しています)。

  • CH4の炭素原子は-4の酸化数を持ち(水素原子は+1の酸化数を割り当てられ、炭素原子は-4の酸化数を持つことによってバランスをとる)
  • アルコール(この場合、メタノール)の炭素原子は-2の酸化数を持つ(酸素原子は-2を割り当てられ、四つの水素原子はそれぞれ+1を割り当てられ、炭素原子は-2の酸化数を持つことによって合計をバランスさせる)。; なお、CH4の炭素原子と比較して、この炭素原子は二つの電子を失っているので、酸化された)
  • アルデヒドの炭素原子の酸化数は0(酸素原子の-2と各水素原子の+1はすでに0にバランスしているので、炭素原子の酸化数は0)
  • カルボン酸の炭素原子の酸化数は+2(二つの酸素原子それぞれ-2と二つの水素原子+1)
  • 二酸化炭素の炭素原子の酸化数は+2(二つの酸素原子それぞれ-2と二つの水素原子+1)
  • 二酸化炭素の炭素原子の酸化数は+2である。数は+4です(ここでは、炭素原子は2つの酸素原子から-4の合計のバランスをとる必要があります)。

運動\(\PageIndex{1}\)

ここで三つの分子のマークされた炭素原子がエタノール中のマークされた炭素原子に対して酸化または還元されているかどうかを示します。

この場合、酸化状態を計算する必要はありません;代わりに、マークされた炭素原子に結合している原子の種類を比較するだけです。

答えa

還元された(酸素原子への結合が水素原子への結合に置き換えられた)。

答えb

酸化された(水素原子への結合が酸素原子への結合に;

回答c

酸化(水素原子への2つの結合が酸素原子への結合に置き換えられている)

アルデヒドは、一般的に–OH官能基がアルコール中の炭素原子の鎖の端に炭素原子に位置するアルコールの酸化によって調製される:

鎖の中央に–OH基を有するアルコールは、合成するために必要である。カルボニル基が他の二つの炭素原子に結合することを必要とするケトン:p>

noまたは他の一つの炭素原子に結合している炭素原子に結合した–OH基を有するアルコールは、アルデヒドを形成する。 他の2つの炭素原子に結合した–OH基を有するアルコールはケトンを形成する。 3つの炭素が–OHに結合した炭素に結合している場合、分子は置換されるC–H結合を持たないため、酸化の影響を受けません。

ホルムアルデヒド、式HCHOを有するアルデヒドは、刺激性および刺激性の臭いを有する無色のガスである。 それは重量によって約37%のホルムアルデヒドを含んでいるホルマリンと呼ばれる水溶液で販売されます。 ホルムアルデヒドはタンパク質の凝固を引き起こすので、細菌(および他の生物)を殺し、組織を崩壊させる生物学的プロセスの多くを停止させる。 したがって、ホルムアルデヒドは、組織標本を保存し、体を防腐するために使用される。 また土か他の材料を殺菌することを使用します。 ホルムアルデヒドはベークライト、高い化学および電気抵抗を持っている堅いプラスチックの製造で使用されます。

ジメチルケトン、一般にアセトンと呼ばれるCH3COCH3は、最も簡単なケトンです。 トウモロコシや糖蜜を発酵させるか、2-プロパノールの酸化によって商業的に作られています。 アセトンは無色の液体です。 その多くの用途の中には、ラッカー(爪の磨きを含む)、酢酸セルロース、硝酸セルロース、アセチレン、プラスチック、ワニスの溶剤として、塗料およびワニスの除去剤として、および医薬品および化学薬品の製造における溶剤としてのものがある。

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