Кетоны: хімічныя ўласцівасці і вызначэнне

Арганічная хімія - навука вельмі складаная, але цікавая. Бо злучэння адных і тых жа элементаў, у рознай колькасьці і паслядоўнасці спрыяе адукацыі розных па ўласцівасцях рэчываў. Давайце разгледзім злучэння карбанільных групы пад назвай "кетоны" (хімічныя ўласцівасці, фізічныя асаблівасці, метады іх сінтэзу). А таксама параўнаем іх з іншымі рэчывамі гэтага ж роду - альдэгіду.

кетоны

Гэтае слова з'яўляецца агульнай назвай для цэлага класа рэчываў арганічнай прыроды, у малекулах якіх карбанільныя група (З = О) звязаная з двума вугляроднымі радыкаламі.

Па сваім будынку кетоны блізкія да альдэгідаў і карбонавым кіслот. Аднак у іх прысутнічаюць адразу два атама С (карбон або вуглярод), злучаных з З = О.

формула

Агульная формула рэчываў гэтага класа выглядае наступным чынам: R ₁ -CO-R _2.

Каб яна была больш зразумелая, як правіла, яе запісваюць так.

У ёй З = О - гэта карбанільныя група. А R _{1 і} R ₂ - гэта вугляродныя радыкалы. На іх месцы могуць быць розныя злучэнні, але ў іх складзе абавязкова павінен быць вуглярод.

Альдэгіды і кетоны

Фізічныя і хімічныя ўласцівасці гэтых груп рэчываў даволі падобныя паміж сабой. Па гэтай прычыне іх часта разглядаюць разам.

Справа ў тым, што альдэгіды таксама ўтрымліваюць у сваіх малекулах карбанільных групу. У іх з кетонаў нават формулы вельмі падобныя. Аднак калі ў разгляданых рэчываў З = О далучаецца да 2 радыкалам, то ў альдэгідаў ён толькі адзін, замест другога - атам гидрогена: R-CO-H.

У якасці прыкладу можна прывесці формулу рэчывы гэтага класа - фармальдэгіду, больш вядомага ўсім, як фармалін.

Зыходзячы з формулы CH ₂ O, відаць, што яго карбанільныя група звязана не з адным, а адразу з двума атамамі Н.

фізічныя ўласцівасці

Перш чым разабрацца з хімічнымі ўласцівасцямі альдэгідаў і кетонаў, варта разгледзець іх фізічныя асаблівасці.

• Кетоны - гэта лёгкаплаўкага цвёрдыя рэчывы або вадкасці з лятучасцю. Ніжэйшыя прадстаўнікі гэтага класа выдатна раствараюцца ў Н ₂ Аб і нядрэнна ўзаемадзейнічаюць з растваральнікамі арганічнага паходжання.
  Асобныя прадстаўнікі (напрыклад, СН ₃ хвоі ₃₎ выдатна раствараюцца ў вадзе, прычым абсалютна ў любых прапорцыях.
  У адрозненне ад спіртоў і карбонавых кіслот, кетоны валодаюць большай лятучасцю, пры аднолькавай малекулярнай масе. Гэтаму спрыяе немагчымасць гэтых злучэнняў ствараць сувязі з Н, як гэта могуць H-CO-R.
• Розныя віды альдэгідаў могуць знаходзіцца ў розных агрэгатных станах. Так вышэйшыя R-CO-H - гэта нерастваральныя цвёрдыя рэчывы. Ніжэйшыя - гэта вадкасці, частка з якіх выдатна змешваецца з Н ₂ О, аднак асобныя з іх толькі растваральныя ў вадзе, але не больш.
  Найпросты з рэчываў дадзенага выгляду - мурашыны альдэгіды - гэта газ, якому ўласцівы востры пах. Дадзенае рэчыва выдатна Растваральнасць у Н ₂ О.

Найбольш вядомыя кетоны

Існуе нямала рэчываў R ₁ -CO-R _2, аднак вядомых з іх не так ужо шмат. У першую чаргу гэта диметилкетон, які мы ўсе ведаем як ацэтон. Таксама яго калега-растваральнік - бутанон ці як яго правільна называць - метилэтилкетон.

Сярод іншых кетонаў, хімічныя ўласцівасці якіх актыўна выкарыстоўваюцца ў прамысловасці - ацетофенон (метилфенилкетон). У адрозненне ад ацэтону і бутанона, яго пах даволі прыемны, з-за чаго ён выкарыстоўваецца ў парфумерыі.

Да прыкладу, циклогексанон ставіцца да тыповым прадстаўнікам R ₁ -CO-R _2, і часцей за ўсё выкарыстоўваецца ў вытворчасці растваральнікаў.

Нельга не згадаць аб дикетонах. Такую назву носяць R ₁ -CO-R _2, у якіх не адна, а дзве карбанільныя групы ў складзе. Такім чынам, іх формула выглядае: R ₁ -CO-CO-R _2. Адным з найбольш простых, але шырока выкарыстоўваюцца ў харчовай прамысловасці прадстаўнікоў дикетонов з'яўляецца диацетил (2,3-бутандион).

Пералічаныя рэчывы - гэта ўсяго толькі невялікі спіс сінтэзаваных навукоўцамі кетонаў (хімічныя ўласцівасці разгледжаны ніжэй). На самай справе іх больш, але не ўсім знойдзена прымяненне. Тым больш варта ўлічваць тое, што многія з іх таксічныя.

Хімічныя ўласцівасці кетонаў

Рэчывы дадзенай катэгорыі здольныя ўступаць у рэакцыі з рознымі рэчывамі. Менавіта гэта і з'яўляецца іх асаблівымі хімічнымі ўласцівасцямі.

• Кетоны здольныя далучаць да сябе Н (рэакцыя гидрирования). Аднак для творы гэтай рэакцыі неабходна прысутнасць каталізатараў ў выглядзе атамаў металаў нікеля, кобальту, Купрум, плаціны, паладыю і іншых. У выніку рэакцыі R ₁ -CO-R ₂ эвалюцыянуюць да другасных спіртоў.
  Таксама пры ўзаемадзеянні з гидрогеном ў прысутнасці шчолачных металаў або амальгамы Mg з кетонаў атрымліваюцца гліколі.
• Кетоны, якія валодаюць хоць бы адным альфа-гидрогенным атамам, як правіла, трапляюць пад уздзеянне таутомеризации кето-енольной. Яна каталізуе не толькі з дапамогай кіслот, але і асноў. Звычайна кето-форма ўяўляе сабою больш стабільнае з'ява, чым енольная. Дадзенае раўнавагу дае магчымасць сінтэзаваць кетоны шляхам гідратацыі алкинов. Адносная стабілізацыя енольной кето-формы спалучэннем прыводзіць да даволі моцнай кіслотнасці R ₁ -CO-R ₂ (калі параўноўваць іх з алкана).
• Дадзеныя рэчывы могуць уступаць у рэакцыі з аміякам. Аднак яны працякаюць вельмі павольна.
• Кетоны ўзаемадзейнічаюць з прускім квасам. У выніку ўзнікаюць α-оксинитрилы, омыление якіх спрыяе з'яўленню α-гидроксикислот.
• Ўступленне ў рэакцыю з алкилмагнийгалогенидами прыводзіць да фарміравання другасных спіртоў.
• Далучэнне да NaHSO ₃ спрыяе ўзнікненню гидросульфитных (бисульфитных) вытворных. Варта памятаць, што ў рэакцыю ў тоўстым шэрагу ўступаць здольныя толькі метилкетоны.
  Акрамя кетонаў, падобна ўзаемадзейнічаць з гідрасульфітам натрыю могуць і альдэгіды.
  Пры награванні з растворам NaHCO ₃ (харчовая сода) або мінеральнай кіслатой, вытворныя ад NaHSO ₃ могуць раскладацца, суправаджаючыся вылучэннем вольнага кетоны.
• У працэсе рэакцыі R ₁ -CO-R ₂ з NH ₂ OH (гидроксиламин) утвараюцца кетоксимы і як пабочны прадукт - Н ₂ О.
• Пры рэакцыях з удзелам гідразіны утвараюцца гидразоны (суадносіны узятых рэчываў - 1: 1) або Азіна (1: 2).
  Калі атрыманы з-за рэакцыі прадукт (гидразон) пад дзеяннем тэмпературы прарэагуе з з'едлівым каліем, вылучыцца N і гранічныя вуглевадароды. Дадзены працэс называецца рэакцыяй Кижнера.
• Як ужо было сказана вышэй, альдэгіды і кетоны хімічныя ўласцівасці і атрымання працэс маюць падобныя. Пры гэтым ацетали R ₁ -CO-R ₂ утвараюцца больш складаныя, чым ацетали R-CO-H. Яны з'яўляюцца ў выніку дзеяння на кетоны эфіраў ортомуравьиной і ортокремниевой кіслот.
• Ва ўмовах з большай канцэнтрацыяй шчолачаў (да прыкладу, пры награванні з канцэнтраванай H₂SO₄) R ₁ -CO-R ₂ падвяргаюцца межмолекулярных дэгідратаціі з фарміраваннем непредельных кетонаў.
• Калі ў рэакцыі з R ₁ -CO-R ₂ прысутнічаюць шчолачы, кетоны падвяргаюцца альдольной кандэнсацыі. З прычыны гэтага ўтворацца β-кетоспирты, здольныя з лёгкасцю пазбаўляцца малекулы Н ₂ О.
• Даволі паказальна праяўляюць сябе хімічныя ўласцівасці кетонаў на прыкладзе ацэтону, прарэагаваць з вокісам мезитила. У такім выпадку ўтворыцца новае рэчыва пад назвай «форон».
• Таксама да хімічных уласцівасцях разгляданага арганічнага рэчыва можна аднесці рэакцыю Лейкарта-Валлаха, якая спрыяе аднаўленню кетонаў.

З чаго атрымліваюць R1-CO-R2

Азнаёміўшыся са ўласцівасці разгляданых рэчываў, варта даведацца найбольш распаўсюджаныя спосабы іх сінтэзу.

• Адной з найбольш вядомых рэакцый для атрымання кетонаў з'яўляецца алкіліравання і ацилирование араматычных злучэнняў у прысутнасці каталізатараў кіслотнага характару (AlCl _3, FeCI _3, мінеральных кіслот, вокіслаў, катионообменных смол і да т.п.). Дадзены спосаб вядомы пад назвай рэакцыя Фриделя-Крафтса.
• Кетоны сінтэзуюцца пры дапамозе гідролізу кетиминов і виц-диолов. У выпадку з апошнімі неабходна прысутнасць мінеральных кіслот як каталізатараў.
• Таксама для атрымання кетонаў ўжываецца гідратацыя гамолагі ацэтылену ці як яе называюць - рэакцыя Кучерова.
• Рэакцыі Губена-Гешаўн.
• Циклизация Ружычка прыдатная для сінтэзу циклокетонов.
• Таксама дадзеныя рэчывы здабываюць з троесных пероксоэфиров пры дапамозе перагрупоўкі крыг.
• Існуе некалькі спосабаў сінтэзу кетонаў падчас рэакцый акіслення другасных спіртоў. У залежнасці ад дзеючага злучэння вылучаюцца 4 рэакцыі: згарніце, Корнблюма, Коры-Кіма і парык-Деринга.

сфера прымянення

Разабраўшыся з хімічнымі ўласцівасцямі і атрыманнем кетонаў, варта даведацца, дзе ж выкарыстоўваюцца дадзеныя рэчывы.

Як ужо згадвалася вышэй, большасць з іх выкарыстоўваецца ў хімічнай прамысловасці ў якасці растваральнікаў для лакаў і эмаляў, а таксама пры вытворчасці палімераў.

Акрамя гэтага, некаторыя R ₁ -CO-R ₂ нядрэнна зарэкамендавалі сябе як араматызатары. У такой якасці кетоны (бензафенон, ацетофенон і іншыя) прымяняюцца ў парфумерыі і кулінарыі.

Таксама ацетофенон выкарыстоўваецца як кампанент для вырабу снатворнага.

Бензафенон, дзякуючы здольнасці паглынаць шкоднае выпраменьванне, - з'яўляецца частым інгрэдыентам антизагарной касметыкі і адначасова кансервантам.

Ўплыву R1-CO-R2 на арганізм

Даведаўшыся, што за злучэння называюцца кетонаў (хімічныя ўласцівасці, прымяненне, сінтэз і іншыя дадзеныя пра іх), варта азнаёміцца з біялагічнымі асаблівасцямі дадзеных рэчываў. Іншымі словамі, даведацца, як жа яны дзейнічаюць на жывыя арганізмы.

Нягледзячы на даволі частая выкарыстання R ₁ -CO-R ₂ у прамысловасці, варта заўсёды памятаць, што такія злучэння вельмі таксічныя. Многія з іх валодаюць канцэрагеннымі і мутагенным ўласцівасцямі.

Асаблівыя прадстаўнікі здольныя выклікаць раздражненне на слізістых абалонках, аж да апёкаў. Алициклические R ₁ -CO-R ₂ могуць ўздзейнічаць на арганізм, як наркотыкі.

Аднак не ўсе рэчывы такога роду шкодныя. Справа ў тым, што некаторыя з іх прымаюць актыўны ўдзел у метабалізме біялагічных арганізмаў.

Таксама кетоны - гэта своеасаблівыя маркеры парушэнняў вугляроднага абмену і дэфіцыту інсуліну. Пры аналізе мачы і крыві прысутнасць R ₁ -CO-R ₂ сведчыць аб розных засмучэннях метабалізму, у тым ліку гіперглікеміі і кетоацидозе.