Karbonylové sloučeniny

KYSLÍKATÉ DERIVÁTY UHLOVODÍKŮ

• Hydroxysloučeniny

– odvozujeme je od uhlovodíků náhradou jednoho nebo více atomů vodíku za jednovaznou hydroxylovou skupinu –OH

– pokud je OH skupina vázaná na uhlíkový atom, který není součástí aromatického kruhu, jedná se o alkoholy 

– pokud je OH skupina vázaná přímo na uhlíkový atom aromatického kruhu, jedná se o fenoly

– nejnižší alkoholy jsou kapaliny příjemné vůně, ve vodě rozpustné; vyšší alkoholy jsou krystalické látky ve vodě nerozpustné

– fenoly jsou bezbarvé kapaliny nebo krystalické látky charakteristického zápachu, málo rozpustné ve vodě

• Ethery

– obsahují ve svých molekulách dvojvaznou skupinu – O-, na kterou jsou navázány dva uhlíkové zbytky

– obecný vzorec je R-O-R

– jsou těkavé a hořlavé

• Karboxylové kyseliny

– mají ve svých molekulách jednu nebo více karboxylových skupin –COOH

– v přírodě jsou velmi rozšířené (také jejich deriváty), mnohé z nich jsou obsaženy v živých organismech, kde se účastní biochemických reakcí

• Heterocykly

– obsahují alespoň jeden heteroatom (jiný prvek než uhlík a vodík, který se může zapojit do cyklu)        

KARBONYLOVÉ SLOUČENINY

– obsahují dvojvaznou karbonylovou skupinu =O

– dělí se na aldehydy a ketony

– hojně se vyskytují v přírodě jako složky různých chuťových látek a

vonných silic; řada z nich je metabolicky velmi významná

• aldehydy – mají na uhlík karbonylové skupiny navázán vodík a uhlovodíkový zbytek (výjimku tvoří formaldehyd, který má na

uhlíku karbonylové skupiny navázány dva vodíky)

           

• ketony – mají na uhlíku karbonylové skupiny navázány dva uhlovodíkové zbytky

           

• chinony – díky rozložení dvojných vazeb jsou barevné

  – používají se k výrobě barviv

  – vitamín K; Ubichinon-Koenzym Q10

• vlastnosti – nižší aldehydy i ketony jsou kapaliny (výjimka je plynný formaldehyd) a jsou ve vodě rozpustné (rozpustnost klesá

s rostoucí molekulovou hmotností)

– vyšší aldehydy a ketony jsou pevné látky

– mají vyšší teplotu varu než příslušně nenasycené uhlovodíky, ale nižší než odpovídající alkoholy

– netvoří vodíkové vazby

– nižší aldehydy zapáchají, vyšší aldehydy a některé ketony mají příjemnou vůni (ovocnou nebo květinovou)

• názvosloví

• aldehydy

– názvy aldehydů od kyselin se zachovanými semitriviálními názvy lze vytvořit pomocí kmene latinského názvu kyseliny a přípony aldehyd – accidum formicum → formaldehyd

– racionální názvosloví aldehydů se zakládá na substitučním principu, používají se koncovky –al a –dial, přičemž se uhlíky nesoucí aldehydickou skupinu započítávají do hlavního řetězce

– názvy cyklických aldehydů se tvoří připojením koncovky – karbaldehyd, přičemž uhlík nesoucí karbonylovou skupinu se do hlavního řetězce nezapočítává a lokant č. 1 získává uhlík nesoucí –CHO skupinu

• ketony

– funkční skupinové názvy se tvoří na základě additivního principu – názvy skupin se uvedou v abecedním pořadí před skupinovým názvem keton: ethyl(methyl)keton

– substituční názvy se tvoří pomocí přípon – on a – dion přidáním k názvu základního hydridu

– není-li ketonická skupina charakteristickou skupinou, používá se předpony oxo–

– z triviálních názvů zůstaly zachovány:

• charakteristika vazby

– karbonylová skupina je polární, π elektrony se přesunují směrem k elektronegativnějšímu kyslíku

– na atomu C vzniká částečný kladný náboj a na atomu O částečný záporný náboj

 

– karbonylová skupina je velmi reaktivní, často probíhá nukleofilní adice, při níž se nukleofilní činidlo váže na uhlík a na kyslík se připojuje proton

– karbonylová skupiny ovlivňuje i vodíkové atomy navázané na vedlejším uhlíku (tzv. α-vodíky), zvyšuje jejich kyselost a umožňuje jejich snadnější odštěpení (snadné odštěpení  α-vodíků můžeme vysvětlit pomocí mezomerního efektu karbonylové skupiny)

– anion vzniklý odštěpením vodíku je stabilizován posunem volného elektronového páru ke karbonylovému uhlíku a posunem elektronů π k atomu kyslíku

• příprava

• aldehydy – dehydrogenací primárních alkoholů

CH3OH → H – CHO + H2

– hydrolýzou monotopických dihalogenuhlovodíků

       

– oxidací primárních alkoholů nebo uhlovodíků

C2H5OH + 2[O] → CH3CHO + H2O

• ketony – dehydrogenací sekundárních alkoholů

 CH3CH2OHCH3 → H2 + CH3–CO–CH3

 – oxidací primárních alkoholů nebo uhlovodíků

• charakteristické reakce

• nukleofilní adice – probíhá navázáním nukleofilního činidla na uhlík karbonylové skupiny

– např. tvorba poloacetalů a acetalů – reakcí alkoholu a karbonylové sloučeniny (uhlík karbonylu je napaden volným elektronovým párem kyslíkového atomu hydroxylové skupiny alkoholu)

– poloacetály jsou nestabilní, proto probíhá-li reakce v kyselém prostředí a za dostatku alkoholu vzniká následně acetal

 

                > sacharidy – existují ve skutečnosti v cyklické formě, která vzniká reakcí ketonické nebo

aldehydické skupiny s hydroxylovou skupinou na čtvrtém nebo pátém uhlíkovém atomu téže molekuly monosacharidu

• aldolová kondenzace – účinkem silné báze se z molekuly karbonylové sloučeniny odštěpí α-vodík a vznikne karbanion,

 který se stává nukleofilním činidlem a aduje se na jinou molekulu karbonylové sloučeniny za

 vzniku aldolového iontu, který s vodou poskytuje aldol

 – aldoly v kyselém prostředí a za zvýšené teploty podléhají dehydrataci za vzniku nenasycených aldehydů nebo ketonů s konjugovaným systémem vazeb

• oxidace – probíhá snadno u aldehydů a jejím produktem jsou karboxylové kyseliny

CH3CHO (oxidace) → CH3COOH

     acetaldehyd                 kyselina octová

– aldehydy se oxidují již vzdušným kyslíkem v přítomnosti některých kovů

           > toho se využívá u kyseliny octové

           > acetaldehyd se primárně oxiduje na kyselinu peroctovou, která reakcí s další

molekulou acetaldehydu vytváří dvě molekuly kyseliny octové

– k oxidaci aldehydů se používá manganistan draselný nebo oxid chromový

– ketony oxidací podléhají rozkladu za vzniku dvou molekul karboxylových kyselin

2CH3COCH + 3O2 → 2CH3COOH + 2HCOOH

                                                        kys. octová       kys. mravenčí

– na oxidaci (tedy redukčních vlastnostech aldehydů) je založen důkaz aldehydů Fehlingovým činidlem (roztok vínanu sodno-draselného, hydroxidu sodného a síranu měďnatého)

             > meďnatá sůl je redukována aldehydem  a vzniká červená sraženiny oxidu měďného

• redukce – probíhá u aldehydů i ketonů

– redukcí aldehydů vzniká primární alkohol

CH3CHO  (redukce) → CH3CH2OH

acetaldehyd                   etanol

– redukcí ketonů vzniká sekundární alkohol

CH3-CO-CH3 (redukce) → CH3-CHOH-CH3 

• sloučeniny

• formaldehyd – HCOH

– bezbarvý štiplavý, toxický plyn; rozpustný ve vodě

– vyrábí se katalytickou oxidací metanolu

– jeho 40% vodný roztok zvaný formalín se využívá ke konzervaci biologických preparátů a k dezinfekci

– slouží jako dezinfekční a fungicidní činidlo, dále je důležitou surovinou v chemickém průmyslu, slouží k výrobě

   mnoha dalších sloučenin

– kondenzací vodného roztoku formaldehydu s močovinou vznikají v přítomnosti alkalických katalyzátorů zesíťované polymery – močovinoformaldehydové pryskyřice s řadou aplikací

– formaldehyd je také základem prvního syntetického polymeru

                > kondenzací fenolu s formaldehydem v přítomnosti alkalických hydroxidů vzniká nejprve lineární polymer,

                    který se následně zahříváním zesíťuje na pryskyřici známou pod obchodním názvem bakelit

• acetaldehyd – CH3CHO

– pronikavě páchnoucí kapalina, rozpustná ve vodě, dráždivá

– vyrábí se katalytickou oxidací ethylenu nebo ethanolu

– jeho páry se vzduchem tvoří výbušnou směs

– používá se k výrobě dalších látek, například kyseliny octové, léky, voňavky, polymery – paraldehyd (uspávací prostředek);metaldehyd (moluskocid)

– vyskytuje se ve zralém ovoci, součást metabolismu, v rostlinách

• glyceraldehyd – C3H603             

– vzniká oxidací trojsytného glycerolu

– patří mezi důležité meziprodukty metabolismu glukózy

• benzaldehyd – C6H5CHO

– kapalina hořkomandlové vůně; špatně rozpustná ve vodě

– v přírodě se vyskytuje v mandlích, peckách broskví nebo meruněk

– vyrábí se oxidací toluenu vzdušným kyslíkem

– používá se k výrobě léčiv, barviv

• aceton – CH3COCH3

– bezbarvá, hořlavá, toxická kapalina typické vůně

– její páry jsou se vzduchem výbušné

– vyrábí se oxidací propan-2-olu

– používá se jako rozpouštědlo (např. nátěrových hmot) a při výrobě různých organických sloučenin

– v těle je metabolickým produktem (metabolismus tuků); velmi rozsáhlé je i použití acetonu ve farmaceutickém a kosmetickém průmyslu (odlakovač)

– tautomery – existuje v ketoformě i enolformě (přemísťování vodíku z CH3 na =O vznik CH2=  a –OH) 

• butanon – CH3C(O)CH2CH3 

– rozpouštědlo; čisticí prostředek; laky; barvy

– v ovoci; ve spalovacích motorech

• kafr

– vonné esence u stromu kafrovník i dalších bylin (např bazalka)

– působí protizánětlivě a pozitivně na unavené svaly

• testosteron
• progesteron