Најважније из лекције
Структура: Карбонилна група (\(>\!\text{C}=\text{O}\)) одређује реактивност. Алдехиди садрже \(-\text{CHO}\) групу (суфикс -ал), а кетони садрже \(-\text{CO}-\) групу (суфикс -он).
Карактеристичне реакције: Нуклеофилна адиција (\(\text{HCN}\), алкохоли, Грињарови реагенси), алдолна адиција/кондензација (захваљујући киселим \(\alpha\)-водоницима).
Оксидо-редукција: Редукцијом алдехида настају примарни алкохоли, а кетона секундарни алкохоли. Алдехиди се лако оксидују (Толенсов и Фелингов тест дају позитиван резултат), док су кетони отпорни на блага оксидациона средства.
Карактеристичне реакције: Нуклеофилна адиција (\(\text{HCN}\), алкохоли, Грињарови реагенси), алдолна адиција/кондензација (захваљујући киселим \(\alpha\)-водоницима).
Оксидо-редукција: Редукцијом алдехида настају примарни алкохоли, а кетона секундарни алкохоли. Алдехиди се лако оксидују (Толенсов и Фелингов тест дају позитиван резултат), док су кетони отпорни на блага оксидациона средства.
Карбонилна једињења садрже карбонилну функционалну групу (\(>\!\text{C}=\text{O}\)) у којој је угљеников атом у \(sp^2\) хибридизацији, а веза је изразито поларна (\(\text{C}^{\delta+}=\text{O}^{\delta-}\)).
Алдехиди: Карбонилна група се налази на крају угљеничног низа (\(\text{R}-\text{CHO}\)). Назив се формира додавањем суфикса -ал на назив одговарајућег алкана.
Кетони: Карбонилна група је везана за два угљоводонична остатка (\(\text{R}-\text{CO}-\text{R}'\)). Назив се формира додавањем суфикса -он уз навођење положаја групе.
Алдехиди и кетони са истим бројем угљеникових атома показују функционалну изомерију (општа формула \(\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}\)).
- \(\text{HCHO}\) - метанал (формалдехид)
- \(\text{CH}_3\text{CHO}\) - етанал (ацеталдехид)
- \(\text{CH}_3\text{COCH}_3\) - пропанон (ацетон)
- \(\text{C}_6\text{H}_5\text{COCH}_3\) - ацетофенон (метил-фенил-кетон)
Напишите рационалне структурне формуле за 3-метилбутанал и 2-пентанон.
3-метилбутанал: \(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CHO}\)
2-пентанон: \(\text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3\)
2-пентанон: \(\text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3\)
Добијање оксидацијом алкохола:
- Оксидацијом примарних алкохола настају алдехиди: \[ \text{R}-\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{[\text{O}]} \text{R}-\text{CHO} + \text{H}_2\text{O} \]
- Оксидацијом секундарних алкохола настају кетони: \[ \text{R}-\text{CH(OH)}-\text{R}' \xrightarrow{[\text{O}]} \text{R}-\text{CO}-\text{R}' + \text{H}_2\text{O} \]
Хидратација алкина (Кучеровљева реакција):
Адицијом воде на етин у присуству \(\text{Hg}^{2+}\) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\) настаје етанал, док адицијом на остале алкине настају кетони.
Физичка својства: Због поларности карбонилне групе постоје дипол-дипол интеракције, па имају више тачке кључања од одговарајућих алкана, али ниже од алкохола (не граде међусобне водоничне везе). Нижи чланови су добро растворљиви у води јер граде водоничне везе са молекулима воде.
Које једињење настаје оксидацијом 2-пропанола помоћу \(\text{KMnO}_4\)?
Пошто је 2-пропанол секундарни алкохол, његовом оксидацијом настаје кетон - пропанон (ацетон):
\[ \text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{CH}_3 \xrightarrow{[\text{O}]} \text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O} \]
Карактеристична реакција карбонилних једињења је нуклеофилна адиција (\(\text{A}_\text{N}\)), при којој нуклеофил (\(\text{Nu}^-\)) напада делимично позитивно наелектрисан карбонилни угљеников атом (\(\text{C}^{\delta+}\)).
Алдехиди су реактивнији у реакцијама нуклеофилне адиције од кетона због мањег просторног (стерног) заклањања и мањег позитивног индуктивног ефекта алкил група.
Настају цијанхидрини (хидроксинитрили):
\[ \text{R}-\text{CHO} + \text{HCN} \rightarrow \text{R}-\text{CH(OH)}-\text{CN} \]
У киселој средини адицијом једног молекула алкохола настају полуацетали (или полукетали), а реакцијом са другим молекулом алкохола уз издвајање воде настају стабилни ацетали (или кетали):
\[ \text{R}-\text{CHO} + \text{R}'\text{OH} \rightleftharpoons \text{R}-\text{CH(OH)(OR')} \xrightarrow{+\text{R}'\text{OH},\; \text{H}^+} \text{R}-\text{CH(OR')}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Након киселе хидролизе адиционог производа:
- Формалдехид (\(\text{HCHO}\)) даје примарне алкохоле.
- Остали алдехиди дају секундарне алкохоле.
- Кетони дају терцијарне алкохоле.
Који производ настаје нуклеофилном адицијом метил-магнезијум-бромида (\(\text{CH}_3\text{MgBr}\)) на етанал, након хидролизе?
Реакцијом етанала (алдехид) са Грињаровим реагенсом након хидролизе настаје секундарни алкохол - 2-пропанол:
\[ \text{CH}_3\text{CHO} + \text{CH}_3\text{MgBr} \xrightarrow{\text{етар}} \text{CH}_3\text{CH(OMgBr)CH}_3 \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}/\text{H}^+} \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3 + \text{Mg(OH)Br} \]
\(\alpha\)-угљеников атом је атом угљеника директно везан за карбонилну групу. Водоникови атоми везани за њега (\(\alpha\)-водоници) су изразито кисели.
У присуству базе (\(\text{OH}^-\)), карбонилно једињење са \(\alpha\)-водоником губи протон градећи енолатни анјон, који врши нуклеофилни напад на карбонилни угљеник другог молекула.
- Алдолна адиција: настаје \(\beta\)-хидроксиалдехид или \(\beta\)-хидроксикетон (алдол).
- Алдолна кондензација: загревањем алдол лако губи молекул воде (дехидратација) и прелази у \(\alpha,\beta\)-незасићено карбонилно једињење.
\[ 2\,\text{CH}_3\text{CHO} \xrightarrow{\text{OH}^-} \underbrace{\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{CH}_2-\text{CHO}}_{\text{3-хидроксибутанал (алдол)}} \xrightarrow{\Delta, -\text{H}_2\text{O}} \underbrace{\text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CHO}}_{\text{бут-2-енал (кротоналдехид)}} \]
Да ли формалдехид (\(\text{HCHO}\)) и бензалдехид (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{CHO}\)) могу самостално подлећи реакцији самокондензације као даваоци енолатног јона?
Не могу, јер ни формалдехид ни бензалдехид немају \(\alpha\)-угљеников атом са везаним водониковим атомима (\(\alpha\)-водоник).
Редукција: Карбонилна једињења се редукују помоћу \(\text{NaBH}_4\) или \(\text{LiAlH}_4\) (или \(\text{H}_2/\text{Ni}\)):
- Алдехиди се редукују у примарне алкохоле.
- Кетони се редукују у секундарне алкохоле.
Оксидација и разликовање алдехида и кетона: Алдехиди се лако оксидују до карбоксилних киселина, док су кетони отпорни на блага оксидациона средства јер немају водоников атом везан за карбонилни угљеник.
Алдехиди редукују амонијачни раствор сребро-нитрата (\([\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+\)) до елементарног сребра:
\[ \text{R}-\text{CHO} + 2[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+ + 3\text{OH}^- \rightarrow \text{R}-\text{COO}^- + 2\text{Ag}\downarrow + 4\text{NH}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \]
Алдехиди редукују \(\text{Cu}^{2+}\) комплекс у базној средини при чему настаје карактеристичан црвени талог бакар(I)-оксида (\(\text{Cu}_2\text{O}\)):
\[ \text{R}-\text{CHO} + 2\text{Cu}^{2+} + 5\text{OH}^- \rightarrow \text{R}-\text{COO}^- + \text{Cu}_2\text{O}\downarrow (\text{црвен}) + 3\text{H}_2\text{O} \]
Како се помоћу једноставне хемијске реакције у лабораторији може разликовати етанал од пропанона?
Додавањем Толенсовог или Фелинговог реагенса. Етанал ће као алдехид дати позитивну реакцију (издвајање елементарног сребра на зидовима епрувете или црвени талог \(\text{Cu}_2\text{O}\)), док пропанон као кетон неће реаговати.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Које од наведених једињења представља полуацетал?
а) \(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_3\)
б) \(\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{OCH}_3\)
в) \(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{OCH}_3)_2\)
а) \(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_3\)
б) \(\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{OCH}_3\)
в) \(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{OCH}_3)_2\)
Тачан одговор: б) \(\text{CH}_3-\text{CH(OH)}-\text{OCH}_3\)
Објашњење: Полуацетали имају и хидроксилну (\(-\text{OH}\)) и алкокси (\(-\text{OR}\)) групу везану за исти угљеников атом. Под а) је етар, а под в) је пун ацетал.
Објашњење: Полуацетали имају и хидроксилну (\(-\text{OH}\)) и алкокси (\(-\text{OR}\)) групу везану за исти угљеников атом. Под а) је етар, а под в) је пун ацетал.
Задатак 2 (средњи): Напишите једначину реакције добијања 2-метилпропан-2-ола из одговарајућег кетона коришћењем Грињаровог реагенса. Наведите називе полазних супстанци.
2-метилпропан-2-ол је терцијарни алкохол (\(\text{CH}_3-\text{C(CH}_3\text{)(OH)}-\text{CH}_3\)).
Добија се реакцијом пропанона (ацетона) са метил-магнезијум-халогенидом (нпр. \(\text{CH}_3\text{MgBr}\)), након чега следи кисела хидролиза: \[ \text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3 + \text{CH}_3\text{MgBr} \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{C}-\text{OMgBr} \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}/\text{H}^+} (\text{CH}_3)_3\text{C}-\text{OH} + \text{Mg(OH)Br} \]
Добија се реакцијом пропанона (ацетона) са метил-магнезијум-халогенидом (нпр. \(\text{CH}_3\text{MgBr}\)), након чега следи кисела хидролиза: \[ \text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3 + \text{CH}_3\text{MgBr} \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{C}-\text{OMgBr} \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}/\text{H}^+} (\text{CH}_3)_3\text{C}-\text{OH} + \text{Mg(OH)Br} \]
Задатак 3 (средњи): Једињење \(\text{A}\) има молекулску формулу \(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\). Оксидацијом даје једињење \(\text{Б}\) (\(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2\)), а редукцијом једињење \(\text{В}\) (\(\text{C}_3\text{H}_8\text{O}\)). Једињење \(\text{A}\) даје позитивну реакцију са Толенсовим реагенсом. Одредити структурне формуле и називе једињења \(\text{A}\), \(\text{Б}\) и \(\text{В}\).
1. Једињење А: Пошто реагује са Толенсовим реагенсом и има састав \(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\), у питању је алдехид - пропанал (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHO}\)).
2. Једињење Б: Оксидацијом пропанала настаје пропанска киселина - пропанска киселина (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}\)).
3. Једињење В: Редукцијом пропанала настаје примарни алкохол - 1-пропанол (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}\)).
2. Једињење Б: Оксидацијом пропанала настаје пропанска киселина - пропанска киселина (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}\)).
3. Једињење В: Редукцијом пропанала настаје примарни алкохол - 1-пропанол (\(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}\)).
Задатак 4 (тежак): Оксидацијом \(17{,}4\text{ g}\) пропанала (\(M = 58\text{ g/mol}\)) амонијачним раствором сребро-нитрата (Толенсов реагенс) долази до издвајања елементарног сребра (\(M = 108\text{ g/mol}\)). Израчунај масу издвојеног сребра ако је молски однос пропанала и сребра у реакцији \(1 : 2\).
1. Корак: Израчунавање количине супстанце пропанала:
\[ n(\text{пропанал}) = \frac{m}{M} = \frac{17{,}4\text{ g}}{58\text{ g/mol}} = 0{,}3\text{ mol} \]
2. Корак: Из стехиометријског односа \(n(\text{пропанал}) : n(\text{Ag}) = 1 : 2\):
\[ n(\text{Ag}) = 2 \cdot n(\text{пропанал}) = 2 \cdot 0{,}3\text{ mol} = 0{,}6\text{ mol} \]
3. Корак: Израчунавање масе сребра:
\[ m(\text{Ag}) = n(\text{Ag}) \cdot M(\text{Ag}) = 0{,}6\text{ mol} \cdot 108\text{ g/mol} = 64{,}8\text{ g} \]
Одговор: Маса издвојеног сребра је \(64{,}8\text{ g}\).
