bg‑red

Budowa aldehydów i ketonów

AldehydyaldehydyAldehydy to związki zawierające grupę funkcyjną -CHO, zwaną grupą aldehydową. Grupa ta składa się z grupy karbonylowej i atomu wodoru. Ogólny wzór aldehydów to R-CHO, gdzie R to atom wodoru, grupa alkilowa lub arylowa.

R1AF6UJJAAQs1
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko-Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

KetonyketonyKetony to związki zawierające jako grupę funkcyjną grupę karbonylową C=O, związaną z dwiema dowolnymi resztami węglowodorowymi (R).

RDV1leKmjyLIT
Schemat budowy ketonów
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko-Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ogólny wzór ketonów:

RDo3HsgLQIVhN
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Sposób tworzenia wiązań w grupie karbonylowej przedstawia poniższy rysunek.

RhiXg9Md9dLN3
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko-Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zarówno orbitale walencyjne atomu tlenu, jak i atomu węgla w grupie aldehydowej są w stanie hybrydyzacji sp2. Pomiędzy atomem węgla a atomem tlenu powstaje wiązanie podwójne: wiązanie typu sigma, tworzone przez orbitale zhybrydyzowane sp2 atomu tlenu i atomu węgla oraz wiązanie pi, tworzone przez orbitale atomowe 2pIndeks dolny z atomu węgla i atomu tlenu. Grupa karbonylowa jest silnie spolaryzowana ze względu na dużą różnicę elektroujemności tlenu i węgla, ponadto atom tlenu dysponuje dwiema wolnymi parami elektronowymi.

R1CA7AgSir2Yc
Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami metanalu i wody
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Silnie elektroujemny atom tlenu powoduje wytworzenie cząstkowego ładunku dodatniego na atomie wodoru. Dodatnio naładowany atom wodoru jest silnie przyciągany przez wolne pary elektronowe na atomach tlenu. Polaryzacja grupy karbonylowej i wolne pary elektronowe atomu tlenu umożliwiają tworzenie wiązania wodorowego z cząsteczkami wody, natomiast nie jest możliwe tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami aldehydów ze względu na brak atomu wodoru, związanego z silnie elektroujemnym atomem tlenu.

Podobieństwo

W tym zakresie ketony posiadają te same własciwości co aldehydy.

R5h2KnBg8SXo3
Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami propanonu i wody
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑red

Szereg homologiczny

W szeregu homologicznym nasyconych aldehydów łańcuchowych systematycznie rosną temperatury wrzenia i topnienia oraz gęstość. Dzieje się tak, ponieważ dłuższy łańcuch węglowy oznacza występowanie większej ilości oddziaływań pomiędzy cząsteczkami, co oznacza większą ilość energii potrzebną do ich pokonania. Wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego o charakterze niepolarnym maleje rozpuszczalność w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych na rzecz wzrostu rozpuszczalności w rozpuszczalnikach niepolarnych. Temperatury wrzenia nasyconych aldehydów są niższe niż odpowiednich alkoholi, co jest wynikiem braku asocjacji cząsteczek tych związków.

Poniższy schemat przedstawia zmiany właściwości fizycznych aldehydów w szeregu homologicznym.

RVkuS2I8OKxll
Wykresy szeregu homologicznego aldehydów
Źródło: GroMar Sp. z o.o. przygotowano na podstawie M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Chemia Repetytorium, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podobieństwo

Ketony nasycone, o prostych łańcuchach węglowych, są cieczami o niższych temperaturach wrzenia, niż odpowiadające im alkohole.

Podobnie jak w przypadku aldehydów, związane jest to z brakiem asocjacjiasocjacjaasocjacji cząsteczek tych związków. W szeregu homologicznym ketonów, wraz ze wzrostem długości łańcucha, rosną temperatury wrzenia i topnienia.

Zmiany właściwości fizycznych ketonów w szeregu homologicznym przedstawiono poniżej.

R1C5qPXSESwKd
Wykresy szeregu homologicznego ketonów
Źródło: GroMar Sp. z o.o. przygotowano na podstawie M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Chemia Repetytorium, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑red

Reakcje aldehydów i ketonów z alkoholami

W reakcji aldehydów z alkoholami powstają nietrwałe związki, tzw. hemiacetale lub acetale – jako produkt kondensacji hemiacetalu z drugą cząsteczką alkoholu. Jest to reakcja odwracalna, katalizowana kwasami.

RUHh20YHxbHid
W reakcji aldehydów z alkoholami powstają nietrwałe związki, tzw. hemiacetale lub acetale.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podobieństwo

Ketony z alkoholami tworzą hemiketale lub ketale (odpowiedniki hemiacetali i acetali).

Rc2XsG30cZ1tw
Ketony z alkoholami tworzą hemiketale lub ketale (odpowiedniki hemiacetali i acetali).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑red

Redukcja aldehydów i ketonów do alkoholi

Aldehydy ulegają redukcji do pierwszorzędowych alkoholi w obecności katalizatorów (np. Ni, Pt).

R1E0a1nQfIrvM
Równania reakcji redukcji w obecności katalizatora
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podobieństwo

Ketony ulegają redukcji (katalitycznego uwodornienia) do drugorzędowych alkoholi.

RWikZWsEXAufF
Równania reakcji redukcji w obecności katalizatora
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑red

Próba TollensaTrommera

Właściwości chemiczne aldehydów wynikają z obecności grupy funkcyjnej, a także charakteru reszty węglowodorowej. Aldehydy posiadają właściwości redukujące.

RJU4HWAa7buVJ
Wiązania grupy aldehydowej
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykładami reakcji, w których aldehydy pełnią rolę reduktora, są próby TollensaTrommera.

  • Próba Trommera - odczynnikiem są jony Cu 2 + w środowisku zasadowym.

    R446glKX3CQpL
    Równania reakcji próby Trommera
    Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ważne!

W próbie Trommera powstaje m.in. ceglastoczerwony osad tlenku miedzi(I) – pozytywny wynik próby.

  • Próba Tollensa (zwana reakcją lustra srebrnego) – odczynnikiem jest amoniakalny roztwór tlenku srebra(I) AgNH32OH.

    Uproszczony zapis reakcji:

    RN4ABEDvVywj5
    Równania reakcji próby Tollensa
    Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ważne!

W próbie Tollensa powstaje m.in. srebrzysty nalot, osadzający się na ściankach probówki – pozytywny wynik próby.

Różnica

Ketony nie posiadają równie silnych właściwości redukujących. Dają negatywny wynik próby i Tollensa, i Trommera.

bg‑red

Reakcje polimeryzacji i polikondensacji

Aldehydy ulegają reakcji polimeryzacji i polikondensacji. Obecność nienasyconego wiązania w grupie karbonylowej powoduje, że cząsteczki aldehydów mogą się łatwo ze sobą łączyć. Wiążą się również z cząsteczkami innych związków chemicznych – zachodzi wtedy reakcja polikondensacji.

W obecności śladowych ilości kwasów, aldehydy tworzą polimery cykliczne i łańcuchowe. Reakcje polimeryzacji są charakterystyczne dla niższych członów szeregu homologicznego aldehydów.

R1e4M7Qkqx64g
Schemat reakcji polimeryzacji
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Aldehydy ulegają także reakcjom polikondensacji z alkoholami i fenolami.

RIfjdaYvugsda
Schemat reakcji polikondensacji
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Dla zainteresowanych

W wyniku tej reakcji powstaje tzw. żywica fenolowo‑formaldehydowa, bardzo odporny mechanicznie i termicznie materiał, stosowany m.in. do wyrobu części samochodowych i zabawek.

Różnica

Ketony nie ulegają reakcji polimeryzacji.

bg‑red

Reakcja Cannizzaro

Aldehydy, niezawierające atomu wodoru alfa w cząsteczce, ulegają reakcji Cannizzaro. Zachodzi ona w cząsteczkach, w których grupa aldehydowa związana jest z atomem węgla bez atomu wodoru. Reakcja Cannizzara zachodzi w środowisku silnie zasadowym, gdzie dysproporcjonowaniu, czyli jednoczesnemu utlenieniu i redukcji, ulega grupa aldehydowa do alkoholi i kwasów karboksylowych.

RR6vYvKaP1RWW
Równanie reakcji Cannizzaro
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Różnica

Ketony nie ulegają reakcji Cannizzaro.

bg‑red

Podsumowanie

1
Aldehydy
Ketony

Budowa (wzór ogólny)

RYCvwhLnBnI6U
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RwZ1F3r4t3Xhs
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Temperatura wrzenia i temperatura topnienia

rośnie wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego

rośnie wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego

Gęstość

rośnie wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego

rośnie wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego

Rozpuszczalność w wodzie

maleje wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego

maleje wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego

Otrzymywanie

utlenianie alkoholi pierwszorzędowych R-CH2-OH+CuOogrzewanieRCHO+Cu+H2O
utlenianie alkoholi drugorzędowych RCH(OH)R'+CuOogrzewanieRCOR'+Cu+H2O

Próba Tollensa

wynik pozytywny
wynik negatywny

Próba Trommera

wynik pozytywny
wynik negatywny

Reakcja Cannizzaro

ulegają
nie ulegają

Reakcja polimeryzacji

ulegają
nie ulegają

Produkt reakcji z alkoholami

acetale lub hemiacetale
ketale lub hemiketale

Produkt reakcji uwodornienia w odpowiednich warunkach

alkohol pierwszorzędowy
alkohol drugorzędowy

Słownik

aldehydy
aldehydy

(łac. al(coholum) dehyd(rogenatum) „alkohol odwodorniony”) związki org. o cząsteczkach zawierających grupę aldehydową oraz wzorze ogólnym R-CHO (R — alkil lub aryl)

ketony
ketony

związki organiczne o cząsteczkach, w których grupa karbonylowa jest połączona z dwoma atomami węgla, tzn. z jednakowymi lub różnymi grupami organicznymi (alifatycznymi lub aromatycznymi)

asocjacja
asocjacja

(łac. associatio „połączenie”, „związek”) chem. odwracalne łączenie się indywiduów chemicznych (cząsteczek, jonów, atomów) w większe układy tzw. asocjaty, złożone z dwu lub większej liczby cząstek

próba Tollensa
próba Tollensa

reakcja chemiczna pozwalająca na wykrycie aldehydów. W przypadku pozytywnej próby obserwuje się powstanie metalicznego srebra, które osadza się na ściankach naczynia, gdzie zachodzi reakcja. Ketony wykazują negatywny wynik próby. Zjawisko to jest znane także pod nazwą próby lustra srebrowego.

próba Trommera
próba Trommera

reakcja chemiczna służąca do jakościowego oznaczania aldehydów. Zachodzi pod wpływem reakcji redoks wodorotlenku miedzi(II) znanym jako odczynnik Trommera. Podczas procesu aldehydy ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych a miedź z II stopnia utleniania ulega redukcji do I stopnia utlenienia. Powstaje ceglastoczerwony osad. Ketony wykazują negatywny wynik próby.

reakcja Cannizzaro
reakcja Cannizzaro

reakcja chemiczna, w której aldehydy ulegają dysproporcjonowaniu do alkoholi i kwasów karboksylowych. Reakcja ta przebiega w środowisku silnie zasadowym.

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.