Ketony

Budowa, wzory i nazwy ketonów

Budowa

Grupa związków organicznych, posiadających w swojej budowie ugrupowanie =C=O, nazywane grupą karbonylową lub ketonową, to ketony. Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy, zatem do ugrupowania karbonylowego, przyłączone są dwa alkile. Mogą one być jednakowe lub różne. W pierwszym przypadku, wzór ogólny ketonu ma postać R-O-R, natomiast w drugim R₁-O-R₂, gdzie R symbolizuje grupę alkilową. Oprócz związków zawierających jedną grupę ketonową, występują także takie posiadające dwie (dwuketony), a również znane są związki o bardziej złożonej strukturze. Analizując budowę ketonów, łatwo zauważyć, że z propanonu (najprostszy keton, C₃H₆O) można wyprowadzić jeden wzór, podobnie z kolejnego butanonu. Ale już następny, pentanon, posiada dwa izomery. Ketony charakteryzują się izomerią związaną z położeniem w łańcuchu grupy karbonylowej.

Nazewnictwo ketonów

Ketony są wyprowadzane bezpośrednio z odpowiednich węglowodorów alifatycznych. W łańcuchu, dwa atomy wodoru połączone z drugorzędowym atomem węgla, są podstawiane jednym atomem tlenu. Aby nazwać dany keton, przeważnie są używane nazwy systematyczne, ale w niektórych przypadkach dominują nazwy zwyczajowe. Na przykład propanon jest nazywany ketonem dwumetylowym, ponieważ posiada dwie grupy metylowe, połączone grupą karbonylową. Potocznie propanon jest nazywany acetonem i ta nazwa jest w jego przypadku dominująca. Kolejny z nich butanon, to keton metylowo – etylowy. Przyjęte jest podawanie nazw kolejnych ketonów, z uwzględnieniem połączonych z grupą =C=O, alkilów. Jednak w miarę wydłużania się łańcucha, rośnie liczba jego izomerów, a co za tym idzie nazewnictwo jest coraz bardziej skomplikowane.

Podobnie jak węglowodory alifatyczne, alkohole czy aldehydy, ketony tworzą szereg homologiczny. Pierwsze osiem to propanon, butanon, pentanon, heksanon, heptanon, oktanon, nonanon i dekanon.

Otrzymywanie i reakcje ketonów

Ketony można otrzymać jednym z poniższych sposobów:

• utlenianie alkoholi drugorzędowych,
• hydroliza dwuchlorowcopochodnych,
• hydratacja alkinów,
• reakcja Friedla – Craftsa,
• specyficzne metody dla wybranych ketonów, np. prażenie etanianu wapnia.

Reakcje chemiczne, jakim ulegają ketony, są związane przede wszystkim z grupą ketonową i występującym w niej atomem tlenu. Cechą charakterystyczną tej grupy związków organicznych, jest wyjątkowa odporność na działanie czynników utleniających. Natomiast grupę ketonową łatwo zredukować różnymi czynnikami, np. wodorem przy udziale katalizatorów. Reakcja redukcji w ketonach przebiega odwrotnie do reakcji utleniania alkoholi drugorzędowych.

Możliwe jest również przyłączanie do cząsteczki ketonu innego związku, np. cyjanowodoru. Przykładem reakcji, w której bierze udział tylko atom tlenu grupy karbonylowej, to reakcja z hydroksyloaminą (jest ona pochodną amoniaku). Powstaje tzw. oksym ketonu i wydziela się cząsteczka wody. Podobne reakcje są stosowane w syntezie organicznej lub do identyfikacji ketonów. Grupa karbonylowa nie zawsze ulega bezpośrednio reakcji. Znane są oddziaływania ketonów np. z atomami chloru, gdzie atomy wodoru połączone z węglem sąsiadującym z grupą ketonową (znajdujący się w położeniu alfa), ulegają podstawieniu i powstaje chloropochodna. Stosunkowo chętnie ketony reagują także ze sobą lub innymi związkami posiadającymi ugrupowanie =C=O, np. aldehydami. Podatność tych związków na reakcje chemiczne, np. kondensacji, jest spowodowana łatwością, z jaką ketony przechodzą w alkohole nienasycone zwane enolami.

Właściwości ketonów

Grupa ketonowa odpowiada za kluczowe właściwości. Pomimo obecności silnie elektroujemnego atomu tlenu w cząsteczce, ketony nie tworzą pomiędzy sobą wiązań wodorowych, ponieważ nie posiadają atomu wodoru połączonego z tlenem. Mogą utworzyć połączenia wodorowe jedynie z cząsteczkami wody. Wpływa to bezpośrednio na ich wysokie temperatury wrzenia. Są jednak niższe w porównaniu do odpowiednich alkoholi. Na lotność ma oczywiście duży wpływ ich masa molowa i kształt cząsteczki. Propanon i inne ketony o krótkich łańcuchach są cieczami. Natomiast te o dużej liczbie atomów węgla mają postać ciał stałych. Warto pamiętać także, że ketony nie dają pozytywnej próby Tollensa i Trommera. Charakterystyczna dla nich jest próba jodoformowa.

Aceton, jako najważniejszy keton

Najprostszy z ketonów, propanon, zwyczajowo nazywany acetonem, jest najważniejszym przedstawicielem tej grupy związków. Inne jego nazwy to keton dimetylowy, dwumetyloketon czy propan-2-on. Grupa karbonylowa w tym związków jest połączona z dwiema grupami metylowymi.

W przemyśle aceton jest otrzymywany w dużych ilościach różnymi metodami. Można go otrzymać w reakcji acetylenu z wodą, a następnie utlenianiu przy udziale odpowiednich katalizatorów. Inna metoda opiera się na procesach fermentacji roztworów zawierających cukry (np. cukier buraczany) przy udziale bakterii. Przeprowadzają one fermentację butanolowo – acetonową. W procesie tym, oprócz acetonu powstają również niewielkie ilości etanolu. Duże ilości acetonu pozyskuje się z propylenu w przemyśle petrochemicznym. W tym procesie najpierw przerabia się propylen na alkohol izopropylowy, który następnie jest poddawany katalitycznemu odwodornieniu do acetonu. Istnieje również metoda otrzymywania propanonu z kumenu (izopropylobenzenu).

Znaczenie acetonu wynika z jego właściwości fizykochemicznych. Jest to związek palny, mieszalny z wodą w każdym stosunku. Bardzo dobrze rozpuszcza się w alkoholach oraz innych rozpuszczalnikach organicznych. Sam jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla olejów, żywic i innych. Stosunkowo niska temperatura wrzenia powoduje, że jest to związek lotny. Należy jednak pamiętać, że mieszanina jego par z powietrzem jest wybuchowa, a wdychanie go jest niebezpieczne dla zdrowia. Z tego względu pracując z tym związkiem należy zachować szczególną ostrożność.

Zastosowanie acetonu:

• w przetwarzaniu polimerów,
• zastosowanie w środkach czyszczących,
• wykorzystanie w produktach kosmetycznych,
• sprawdza się jako rozpuszczalnik,
• w produkcji i przetwórstwie wyrobów gumowych,
• zastosowanie w powłokach.