Opublikowano Dodaj komentarz

20.3: aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe i estry

aldehydy i ketony

zarówno aldehydy, jak i ketony zawierają grupę karbonylową, grupę funkcyjną z podwójnym wiązaniem węgiel-tlen. Nazwy związków aldehydowych i ketonowych pochodzą z zastosowaniem podobnych zasad nazewnictwa, jak alkany i alkohole, i zawierają odpowiednio przyrostki-Al i-one.

w aldehydu Grupa karbonylowa jest związana z co najmniej jednym atomem wodoru. W ketonie Grupa karbonylowa jest związana z dwoma atomami węgla. Jako tekst Grupa aldehydowa jest reprezentowana jako-CHO; keton jest reprezentowany jako –C(O) – lub-CO -.

zarówno w aldehydach, jak i ketonach geometria wokół atomu węgla w grupie karbonylowej jest trygonalna, a atom węgla wykazuje hybrydyzację sp2. Dwa orbitale sp2 na atomie węgla w grupie karbonylowej służą do tworzenia wiązań σ z innymi atomami węgla lub wodoru w cząsteczce. Pozostały orbital Hybrydowy sp2 tworzy wiązanie σ z atomem tlenu. Niehybrydyzowany orbital p na atomie węgla w grupie karbonylowej pokrywa się z orbitalem P na atomie tlenu tworząc wiązanie π w wiązaniu podwójnym.

podobnie jak Wiązanie \(\mathrm{C=O}\) W dwutlenku węgla, Wiązanie \(\mathrm{C=O}\) grupy karbonylowej jest polarne (przypomnijmy, że tlen jest znacznie bardziej elektroujemny niż węgiel, a wspólne elektrony są przyciągane w kierunku atomu tlenu i z dala od atomu węgla). Wiele reakcji aldehydów i ketonów rozpoczyna się od reakcji między zasadą Lewisa a atomem węgla na dodatnim końcu wiązania biegunowego \(\mathrm{C = O}\), aby uzyskać niestabilny związek pośredni, który następnie przechodzi jeden lub więcej strukturalnych zmian w celu utworzenia produktu końcowego (rysunek \(\PageIndex{1}\)).

rysunek \(\PageIndex{1}\): grupa karbonylowa jest polarna, a geometria wiązań wokół centralnego węgla jest trygonalna planarna.

znaczenie struktury molekularnej w reaktywności związków organicznych ilustrują reakcje, w których powstają aldehydy i ketony. Możemy przygotować grupę karbonylową przez utlenianie alkoholu – w przypadku cząsteczek organicznych utlenianie atomu węgla występuje, gdy Wiązanie węgiel-wodór jest zastępowane wiązaniem węgiel-tlen. Odwrotną reakcją-zastąpienie wiązania węgiel-tlen wiązaniem węgiel-wodór – jest redukcja tego atomu węgla. Przypomnijmy, że tlenowi na ogół przypisuje się liczbę utleniania a -2, chyba że jest on pierwiastkiem lub przyłączony do fluoru. Wodorowi na ogół przypisuje się liczbę utleniania +1, chyba że jest przyłączony do metalu. Ponieważ węgiel nie ma określonej reguły, jego liczba utleniania jest określana algebraicznie przez faktorowanie atomów, do których jest przyłączony, oraz całkowitego ładunku cząsteczki lub jonu. Ogólnie rzecz biorąc, atom węgla przyłączony do atomu tlenu będzie miał bardziej dodatnią liczbę utleniania, a atom węgla przyłączony do atomu wodoru będzie miał bardziej ujemną liczbę utleniania. To powinno pasować do twojego zrozumienia polaryzacji wiązań C–O I C–H. Inne odczynniki i możliwe produkty tych reakcji wykraczają poza zakres tego rozdziału, więc skupimy się tylko na zmianach atomów węgla:

przykład \(\PageIndex{1}\): utlenianie i redukcja w Chemii Organicznej

Metan reprezentuje całkowicie zredukowaną formę cząsteczki organicznej, która zawiera jeden atom węgla. Sekwencyjne zastąpienie każdego z wiązań węgiel-wodór wiązaniem węgiel-tlen prowadziłoby do alkoholu, następnie aldehydu, następnie kwasu karboksylowego (omówionego później) i wreszcie dwutlenku węgla:

Jakie są liczby utleniania atomów węgla w cząsteczkach pokazanych tutaj?

rozwiązanie

w tym przykładzie możemy obliczyć liczbę utleniania (w razie potrzeby zapoznaj się z rozdziałem na temat reakcji utleniania-redukcji) dla atomu węgla w każdym przypadku (zwróć uwagę, jak byłoby to trudne dla większych cząsteczek z dodatkowymi atomami węgla i atomami wodoru, dlatego chemicy organiczni używają definicji zajmującej się zastępowaniem wiązań C–H opisanymi wiązaniami C–O).

  • dla CH4 atom węgla ma liczbę utleniania -4 (atomom wodoru przypisane są liczby utleniania +1, A atom węgla równoważy, że mając liczbę utleniania -4)
  • dla alkoholu (w tym przypadku metanolu), atom węgla ma liczbę utleniania -2 (atom tlenu przypisuje się -2, czterem atomom wodoru każdemu przypisuje się +1, A atom węgla równoważy sumę poprzez liczbę utleniania -2; należy zauważyć, że w porównaniu do atomu węgla w CH4, ten atom węgla stracił dwa elektrony, więc został utleniony)
  • dla aldehydu liczba utleniania atomu węgla wynosi 0 (-2 dla atomu tlenu i +1 dla każdego atomu wodoru już równoważy się do 0, więc liczba utleniania dla atomu węgla wynosi 0)
  • dla kwasu karboksylowego liczba utleniania atomu węgla wynosi +2 (dwa atomy tlenu każdy przy -2 i dwa atomy wodoru przy +1)
  • dla dwutlenku węgla liczba utleniania wynosi +4 (tutaj atom węgla musi zrównoważyć sumę -4 z dwóch atomów tlenu).

ćwiczenie \(\PageIndex{1}\)

wskaż, czy zaznaczone atomy węgla w tych trzech cząsteczkach są utlenione lub zredukowane w stosunku do oznaczonego atomu węgla w etanolu:

w tym przypadku nie ma potrzeby obliczania Stanów utleniania; zamiast tego wystarczy porównać typy atomów związanych z oznaczonymi atomami węgla:

odpowiedź A

zredukowana (Wiązanie do atomu tlenu zastąpione wiązaniem do atomu wodoru);

odpowiedź B

utleniona (jedno wiązanie do atomu wodoru zastąpione jednym wiązaniem do atomu tlenu);

odpowiedź C

utlenione (2 wiązania do atomów wodoru zostały zastąpione wiązaniami do atomu tlenu)

aldehydy są zwykle wytwarzane przez utlenianie alkoholi, których grupa funkcyjna –OH znajduje się na atomie węgla na końcu łańcucha atomów węgla w alkoholu:

Alkohole, które mają swoje grupy –OH w środku łańcucha są niezbędne do syntezy ketonu, który wymaga wiązania grupy karbonylowej z dwoma innymi atomami węgla:

alkohol z grupą –OH związany z atomem węgla, który nie jest związany z żadnym innym atomem węgla, tworzy aldehyd. Alkohol z grupą –OH przyłączoną do dwóch innych atomów węgla utworzy keton. Jeśli trzy węgle są przyłączone do węgla związanego z-OH, cząsteczka nie będzie miała wiązania C–H do zastąpienia, więc nie będzie podatna na utlenianie.

formaldehyd, aldehyd o wzorze HCHO, jest bezbarwnym gazem o ostrym i drażniącym zapachu. Jest sprzedawany w wodnym roztworze zwanym formaliną, który zawiera około 37% masy Formaldehydu. Formaldehyd powoduje koagulację białek, więc zabija bakterie (i każdy inny żywy organizm) i zatrzymuje wiele procesów biologicznych, które powodują rozpad tkanki. Tak więc formaldehyd jest używany do konserwacji próbek tkanek i ciał balsamujących. Służy również do sterylizacji gleby lub innych materiałów. Formaldehyd jest stosowany do produkcji bakelitu, twardego tworzywa sztucznego o wysokiej odporności chemicznej i elektrycznej.

keton dimetylowy, CH3COCH3, powszechnie nazywany acetonem, jest najprostszym ketonem. Jest produkowany komercyjnie przez fermentację kukurydzy lub melasy lub przez utlenianie 2-propanolu. Aceton jest bezbarwną cieczą. Wśród jego wielu zastosowań są jako rozpuszczalnik do lakieru (w tym lakier do paznokci), octan celulozy, azotan celulozy, acetylen, Tworzywa sztuczne i lakiery; jako zmywacz farb i lakierów; oraz jako rozpuszczalnik w produkcji farmaceutyków i chemikaliów.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.