Vlastnosti a reakce karbonylových sloučenin

Fyzikální a biologické vlastnosti

Formaldehyd má plynné skupenství (teplota varu -19,3 °C), většina látek je kapalná a nejvyšší karbonylové sloučeniny jsou tuhé. Protože netvoří vodíkové vazby, mají nižší teploty varu a tání než alkoholy. Sloučeniny s kratším řetězcem mají výrazný dráždivý zápach, naopak vyšší se často vyznačují příjemnou vůni (skořice, vanilka, kafr). Rozpustnost ve vodě klesá s počtem C v řetězci, dobře se rozpouštějí v ethanolu a diethyletheru. Některé jsou jedovaté, případně i karcinogenní .

Chemické vlastnosti

Jedná se o velmi reaktivní látky, reaktivita klesá s počtem uhlíků, obecně jsou nejreaktivnější aldehydy. Karbonylová skupina je polární, π-elektrony se přesunují směrem k elektronegativnějšímu kyslíku a na atomu uhlíku vzniká parciální kladný náboj a na atomu kyslíku parciální záporný náboj: C^δ+ = O ^δ-. Ovlivňuje i vodíkové atomy navázané na vedlejším uhlíku, zvyšuje jejich kyselost a umožňuje jejich snadnější odštěpení. Skupina má – I efekt a – M efekt (jedná se o substituent 2. třídy).

Významné jsou 3 skupiny reakcí:

• nukleofilní adice na dvojnou vazbu C=O

• aldolové kondenzace

• redoxní reakce

Nukleofilní adice (Ad_Nu)

Adice na dvojnou vazbu C = O karbonylu probíhá poměrně snadno, nukleofilní činidlo se váže na uhlík a na kyslík se připojuje proton. Jedná se většinou o vratné reakce, aldehydy jsou reaktivnější než ketony, často jsou adice doprovázeny následnými reakcemi, např. eliminacemi, které stabilizují produkt.

Příklady adičních reakcí

• adice vody - vzniká nestálý hydrát

• adice alkoholu- vzniká poloacetal (hemiacetal), v kyselém prostředí acetal

• adice dusíkatých nukleofilů, např. amoniaku - vzniká hydroxyamin

• adice kyanovodíku - vzniká hydroxynitril

Redoxní reakce - schéma (1)

Oxidace

Jako oxidační činidla se používají při laboratorních reakcích KMnO₄, K₂Cr₂O₇; při průmyslových výrobách kyslík za přítomnosti katalyzátoru.

Pro důkazy aldehydické skupiny s využitím redoxních reakcí se používá Tollensovo (Ag⁺) a Fehlingovo činidlo (Cu²⁺).

U aldehydů probíhá oxidace snadno za vzniku příslušných karboxylových kyselin:

  2 R- CHO + O₂  → 2 R - COOH

Ketony oxidaci buď nepodléhají, nebo dochází ke štěpení původního uhlíkového skeletu za vzniku dvou molekul karboxylových kyselin:

 CH₃CH₂COCH₂CH₃  → CH₃COOH + CH₃CH₂COOH  

Redukce

Z aldehydů vznikají primární alkoholy:

R-CHO  + H₂  → R- CH₂OH 

Pokud se má zredukovat pouze karbonylová skupina, používá se jako redukční činidlo tetrahydridohlinitan lithný nebo tetrahydridoboritan sodný LiAlH₄, NaBH₄.

Redukcí ketonů vznikají sekundární alkohol:

CH₃COCH₃ + H₂  → CH₃CH(OH)CH₃

Aldolizace

Typická reakce pro aldehydy, které mají na α-uhlíku vodík (kyselý vodík). Probíhá v zásaditém prostředí za chladu, produkt se nazývá aldol (beta-hydroxyaldehyd). Účinkem silné báze se z molekuly karbonylové sloučeniny odštěpí α-vodík a vznikne karbanion, který se sám stává nukleofilním činidlem a aduje se na jinou molekulu karbonylové sloučeniny za vzniku aldolového iontu, který s vodou poskytuje aldol.

V kyselém prostředí dochází k odštěpení vody za vzniku nenasyceného aldehydu.

U ketonů probíhá aldolizace - ketonizace - obtížně.

Aldolizace může probíhat i mezi různými karbonylovými sloučeninami, tzv. smíšená aldolizace:

Cannizzarova reakce

Je typická reakce pro aldehydy, které nemají na α-uhlíku vodík. Reakce probíhá v zásaditém prostředí, jedná se o disproporcionační reakci, vzniká kyselina (v zásaditém prostředí její sůl) a alkohol.

 pro benzaldehyd:

  benzaldehyd             benzylalkohol     benzoan sodný

pro formaldehyd:

   formaldehyd     mravenčan sodný    methanol

Polymerační reakce

Probíhají poměrně snadno u aldehydů, buď samovolně, nebo katalytickým působením kyselin. Vznikají cyklické nízkomolekulární látky nebo lineární polymery.(2)

Důkazy karbonylových sloučenin

Využívají redukční vlastnosti aldehydů.

Tollensovo činidlo obsahuje komplexní sloučeninu [Ag(NH₃)₂]OH, která obsahuje Ag⁺ ionty. Při vzájemné reakci s aldehydy se aldehyd oxiduje na příslušnou kyselinu a Ag⁺ se redukuje na Ag⁰. Stříbro se vyloučí za tepla jako stříbrné zrcátko na zkumavce, nebo se ve zkumavce vytvoří houbovité koloidní stříbro:

                   R – CHO + Ag⁺ → Ag⁰ + R-COOH. Tollensovo činidlo s ketony nereaguje.

Fehlingovo činidlo: Fehling I – vodný roztok CuSO₄, Fehling II – vodný roztok vínanu draselno-sodného + NaOH. Fehlingovo činidlo vzniká spojením obou roztoků, obsahuje Cu²⁺ ionty. Při vzájemné reakci s aldehydy se aldehyd oxiduje na příslušnou karboxylovou kyselinu a Cu²⁺ ionty se redukují na Cu. Měď se projeví jako měděné zrcátko na zkumavce, nebo se ve zkumavce vytvoří houbovitá měď:

                   R – CHO + 2 Cu²⁺ → Cu₂O + 2H₂O + R-COOH. Fehlingovo činidlo s ketony nereaguje.

Schiffovo činidlo obsahuje červený fuchsin odbarvený SO₂. Při vzájemné reakci činidla s aldehydy nebo s ketony se SO₂ naváže na karbonylovou skupinu a objeví se červené barvivo fuchsin. Z ketonů reagují pouze methylalkylketony a některé cyklické ketony (cyklopentanon, cyklohexanon). (3)                                                                        

Jodoformová reakce se používá k důkazu acetonu. Aceton s jodem v prostředí hydroxidu sodného reaguje za vzniku jodoformu CHI₃. Je to žlutý prášek, s charakteristickým zápachem. Lze ho dokázat Beilsteinovou zkouškou. Vloží-li se jodoform nanesený na měděném drátku do plamene, zbarví se plamen zeleně.