Кетони су органска једињења са кисеоником која садрже карболнилну, кето-групу.[1] За угљеников атом карбонилне групе везане су две акил-групе. Кетони настају оксидацијом секударних алкохола. Општа кетона формула је: R1(CO)R2.[2] Најједноставнији кетон је ацетон (R = R' = метил), са формулом CH3C(O)CH3. Многи кетони су од велике важности у индустрији и биологији. Примери укључују многе шећере (кетозе), многе стероиде (нпр. тестостерон) и растварачацетон.[3]
Номенклатура и етимологија
Реч кетон је изведена из Aketon, старе немачке речи за ацетон.[4][5][6]
По IUPAC номенклатури, кетони се имењују променом суфикса-ан на почетном алкану у -анон. Положај карбонилне групе обично се означава бројем. За важније кетоне се користе традиционална несистематска имена, на пример ацетон и бензофенон. Та несистематска имена се сматрају задржаним IUPAC именима,[7] мада поједини уџбеници користе имена попут 2-пропанон или пропан-2-он уместо ацетона, најједноставнијег кетона (-CH3-CO-CH3}-). Позиција карбонилне групе се обично означава бројем.
Изведена имена кетона добијају се одвојеним писањем имена две алкилне групе повезане са карбонилном групом, а затим као посебна реч следи „кетон“. Имена алкилних група се пишу по редоследу све веће сложености: на пример, метил етил кетон. Према правилима IUPAC номенклатуре, алкилне групе се пишу по абецеди, тј. етил метил кетон. Када су две алкилне групе исте, префикс „ди-“ се додаје испред имена алкилне групе. Положаји осталих група означени су грчким словима, α-угљеник је атом уз карбонилну групу.
Иако се ретко користи, оксо је део IUPAC номенклатура за оксо групу (=О) и користи се као префикс када кетон нема највећи приоритет. Међутим, користе се и други префикси. За неке уобичајене хемикалије (углавном у биохемији), кето се односи на кетонску функционалну групу.
Структура и својства
Кетонски угљеник се често описује као „sp2хибридизован“, што је опис који укључује и њихову електронску и молекуларну структуру. Кетони су тригонално планарни око кетонског угљеника, са угловима везе C−C−O и C−C−C од приближно 120°. Кетони се разликују од алдехида по томе што је карбонилна група (CO) везана за два угљеника унутар угљеничног скелета. У алдехидима, карбонил је везан за један угљеник и један водоник, и налази се на крајевима угљеничних ланаца. Кетони се такође разликују од осталих функционалних група које садрже карбонил, попут карбоксилних киселина, естара и амида.[8]
Карбонилна група је поларна, јер је електронегативност кисеоника већа од оне за угљеник. Дакле, кетони су нуклеофилни на кисеоник и електрофилни на угљенику. Будући да карбонилна група формира интеракције са водом путем водоничног везивања, кетони су типично растворљивији у води од сродних метиленских једињења. Кетони су акцептори водоничне везе. Кетони обично нису донатори водоничне везе и не могу се водоничном везом везати за себе. Због немогућности да служе као донатори и акцептори водоничних веза, кетони немају тенденцију „самоповезивања“ и испарљивији су од алкохола и карбоксилних киселина сличне молекулске тежине. Ови фактори доприносе свеприсутности кетона у парфимерији и као растварача.
Класе кетона
Кетони се класификују на основу њихових супституената. Једна широка класификација дели кетоне на симетричне и несиметричне деривате, у зависности од еквиваленције два органска супституента везана за карбонилни центар. Ацетон и бензофенон (C6H5C(O)C6H5) су симетрични кетони. Ацетофенон (C6H5C(O)CH3) је асиметрични кетон.
Познате су многе врсте дикетона, неке од којих имају необична својства. Најједноставнији је диацетил (CH3C(O)C(O)CH3), некада кориштен као арома путера у кокицама. Ацетилацетон (пентан-2,4-дион) је практично погрешан назив (неодговарајући назив), јер ова материја постоји углавном као моноенол CH3C(O)CH=C(OH)CH3. Његов енолат је уобичајени лиганд у координационој хемији.
Незасићени кетони
Кетони који садрже алкенске и алкинске јединице често се називају незасићени кетони. Најчешћи члан ове класе једињења је метил винил кетон, CH3C(O)CH=CH2, који је користан у Робинсоновој анулационој реакцији. Да не би дошло до забуне, сам кетон је место незасићења; односно може се хидрогенизовати.
Циклични кетони
Многи кетони су циклични. Најједноставнија класа има формулу (CH2)nCO, где n варира од 2 за циклопропанон до виших аналога. Постоји мноштво већих деривата. Циклохексанон, симетрични циклични кетон, важан је међупродукт у производњи најлона. Изофорон, изведен из ацетона, је незасићени, асиметрични кетон који је прекурзор другим полимерима. Мускон, 3-метилпентадеканоне, је животињски феромон. Још један циклични кетон је циклобутанон, који има формулу C4H6O.
C-H везе суседне карбонилу у кетонима су киселије (pKa ≈ 20) од веза C-H у алкану (pKa ≈ 50). Ова разлика одражава резонантну стабилизацију енолатног јона који настаје депротоновањем. Релативна киселост α-водоника је важна у реакцијама енолизације кетона и других карбонилних једињења. Киселост α-водоника такође омогућава кетонима и другим карбонилним једињењима да реагују као нуклеофили на том положају, са било стехиометријском или каталитичком базом. Користећи врло јаке базе попут литијум-диизопропиламида (ЛДА, pKa конјуговане киселине ~36) у неуравнотеженим условима (–788 °C, 1,1 еквивалента ЛДА у ТХФ, кетон додат у базу), мање супституисани кинетичкиенолат се генерише селективно, док услови који омогућавају равнотежу (виша температура, база додата кетону, употребом слабих или нерастворљивих база, нпр. NaOEt у EtOH, или NaH) дају супституисанији термодинамички енолат.
Кетони су такође слаба база, која подлеже протонацији на карбонилном кисеонику у присуству Бренстедових киселина. Кетонијумови јони (тј. протоновани кетони) јаке су киселине, чија се pKa вредност процењује на између –5 и –7.[9][10] Иако су киселине које се срећу у органској хемији ретко довољно јаке да у потпуности протонирају кетоне, формирање равнотежних концентрација протонованих кетона је ипак важан корак у механизмима многих уобичајених органских реакција, попут стварања ацетала, на пример. Веома слабе киселине, као што је пиридинијум катијон (какав се налази у пиридинијум тосилату) са pKa 5,2 могу да послуже као катализатори у овом контексту, упркос врло неповољној константи равнотеже за протонацију (Keq < 10−10).
Карактеристике
Алдехид се разликује од кетона по томе што има атом водоника везан за своју карбонилну групу, чинећи алдехиде лакшим за оксидацију. Кетони немају атом водоника везан за карбонилну групу и зато су отпорнији на оксидацију. Они се оксидују само снажним оксидационим средствима која имају способност цепања веза угљеник-угљеник.
Спектроскопија
Кетони и алдехиди снажно апсорбују у инфрацрвеном спектру близу 1700 cm−1. Тачан положај пика зависи од супституената.
Док 1H NMRспектроскопија генерално није корисна за утврђивање присуства кетона, 13C NMR спектри показују сигнале нешто ниже од 200 ppm, у зависности од структуре. Такви сигнали су обично слаби због одсуства нуклеарних Оверхаузерових ефеката. Пошто алдехиди резонирају при сличним хемијским помацима, примењују се експерименти вишеструке резонанце да би се дефинитивно разликовали алдехиди и кетони.
Квалитативни органски тестови
Кетони дају позитивне резултате у Брејдијевом тесту, реакцијом са 2,4-динитрофенилхидразином дајући одговарајући хидразон. Кетони се могу разликовати од алдехида давањем негативног резултата са Толенсовим реагенсом или са Фелинговим раствором. Метил кетони дају позитивне резултате на јодоформном тесту.[11] Кетони такође дају позитивне резултате када се третирају са m-динитробензеном у присуству разблаженог натријум хидроксида дајући љубичасту боју.
Синтеза
Постоје многи методи за припрему кетона у индустријским размерама и академским лабораторијама. Кетоне такође на разне начине производе организми; погледајте одељак о биохемији у наставку.
Хидратацијомалкина.[14] Такви процеси се дешавају преко енола и захтевају присуство киселине и HgSO4. Каснија енол-кето таутомеризација даје кетон. Ова реакција увек производи кетон, чак и са терминалним алкином, једини изузетак је хидратација ацетилена, који производи ацеталдехид.
Од Вајнребових амида користећи стехиометријске органометалне реагенсе.
C−H везе суседне карбонилу у кетонима су киселије pKa ≈ 20) него C−H везе у алкану (pKa ≈ 50). Ова разлика одражава резонантну стабилизацију енолатног јона који се формира депротонацијом. Релативна киселост α-водоника је важна у реакцијама енолизације кетона и других карбонилних једињења. Киселост α-водоника такође омогућава кетонима и другим карбонилним једињењима да реагују као нуклеофили на тој позицији, било са стехиометријском или каталитичком базом. Коришћењем веома јаких база као што је литијум диизопропиламид (LDA, pKa коњуговане киселине ~36) у неравнотежним условима (–78 °C, 1,1 еквив LDA у THF, кетон додат бази), мање супституисани кинетички енолат се генерише селективно, док услови који омогућавају еквилибрацију (виша температура, база додата кетону, коришћење слабих или нерастворљивих база, нпр. CH 3CH 2ONa у CH 3CH 2OH, или NaH) обезбеђује више супституисан термодинамички енолат.
Кетони су такође слабе базе, пролазећи кроз протонацију на карбонилном кисеонику у присуству Бренстедових киселина. Кетонијум јони (тј. протонирани кетони) су јаке киселине, са pKa вредностима процењеним на негде између –5 и –7.[23][24] Иако су киселине које се сусрећу у органској хемији ретко довољно јаке да у потпуности протонирају кетоне, формирање равнотежних концентрација протонираних кетона је ипак важан корак у механизмима многих уобичајених органских реакција, као што је формирање ацетала, на пример. Киселине које су слабе попут пиридинијум катјона (као што је пронађено у пиридинијум тозилату) са pKa од 5,2 могу да служе као катализатори у овом контексту, упркос веома неповољној константи равнотеже за протонацију (Keq < 10−10).
Нуклеофилне адиције
Важан скуп реакција следи из осетљивости карбонилног угљеника на нуклеофилну адицију и тенденције да се енолати додају електрофилима. Нуклеофилни додаци укључују приближан редослед њихове уопштености:[12]
Са водом (хидратација) даје геминалне диоле, који се обично не формирају у значајним (или видљивим) количинама
Са алкохолима или алкоксидима дају хемикетал или његову коњуговану базу. Са диолом до кетала. Ова реакција се користи за заштиту кетона.
Са натријум амидом који доводи до цепања C–C везе са формирањем амида RCONH2 и алкана или арена R'H, реакција која се назива Халер-Бауерова реакција.[25]
Оксидација
Кетони се цепају јаким оксидационим агенсима и на повишеним температурама. Њихова оксидација укључује цепање везе угљеник-угљеник да би се добила смеша карбоксилних киселина које имају мањи број атома угљеника од матичног кетона.
Кетони се не појављују у стандардним аминокиселинама, нуклеинским киселинама или липидима. Формирање органских једињења у фотосинтези одвија се преко кетона рибулоза-1,5-бисфосфата. Многи шећери су кетони, познати под заједничким именом кетозе. Најпознатија кетоза је фруктоза; углавном постоји као циклични хемикетал, који маскира функционалну групу кетона. Синтеза масних киселина се одвија преко кетона. Ацетоацетат је интермедијер у Кребсовом циклусу који ослобађа енергију из шећера и угљених хидрата.[26]
Кетони се производе у великим количинама у индустрији као растварачи, полимерни прекурсори и фармацеутски производи. Што се тиче размера, најважнији кетони су ацетон, метилетил кетон и циклохексанон.[27] Они су такође уобичајени у биохемији, али мање него у органској хемији уопште. Сагоревање угљоводоника је неконтролисани процес оксидације који даје кетоне као и многе друге врсте једињења.
Токсичност
Иако је тешко генерализовати токсичност тако широке класе једињења, једноставни кетони, генерално, нису високо токсични. Ова карактеристика је један од разлога њихове популарности као растварача. Изузеци од овог правила су незасићени кетони као што је метил винил кетон са LD50 од 7 mg/kg (орално).[27]
^The word "ketone" was coined in 1848 by the German chemist Leopold Gmelin. See: Leopold Gmelin, ed., Handbuch der organischen Chemie: Organische Chemie im Allgemeinen … (Handbook of organic chemistry: Organic chemistry in general … ), 4th ed., (Heidelberg, (Germany): Karl Winter, 1848), volume 1, p. 40. From page 40: "Zu diesen Syndesmiden scheinen auch diejenigen Verbindungen zu gehören, die als Acetone im Allegemeinen (Ketone?) bezeichnet werden." (To these syndesmides*, those compounds also seem to belong, which are designated as acetones in general (ketones?).") [*Note: In 1844, the French chemist Auguste Laurent suggested a new nomenclature for organic compounds. One of his new classes of compounds was "syndesmides", which were compounds formed by the combination of two or more simpler organic molecules (from the Greek σύνδεσμος (syndesmos, union) + -ide (indicating a group of related compounds)). For example, acetone could be formed by the dry distillation of metal acetates, so acetone was the syndesmide of two acetate ions. See: Laurent, Auguste (1844) "Classification chimique,"Comptes rendus, 19 : 1089–1100 ; see especially p. 1097.
^Evans, David A. (4. 11. 2005). „Evans pKa table”(PDF). Evans group website. Архивирано из оригинала(PDF) 19. 06. 2018. г. Приступљено 14. 6. 2018.CS1 одржавање: Формат датума (веза)
^Smith, Michael B. (2013). March's Advanced Organic Chemistry (7th изд.). Hoboken, N.J.: Wiley. стр. 314—315. ISBN978-0-470-46259-1.
^Mendham, J.; Denney, R. C.; Barnes, J. D.; Thomas, M.J.K.; Denney, R. C.; Thomas, M. J. K. (2000). Vogel's Quantitative Chemical Analysis (6th изд.). New York: Prentice Hall. ISBN0-582-22628-7.
Stryer, Lubert (1995). Biochemistry. (Fourth изд.). New York: W.H. Freeman and Company. стр. 510–15, 581–613, 775–78. ISBN0-7167-2009-4.
Silva, B., Mantha, O. L., Schor, J., Pascual, A., Plaçais, P. Y., Pavlowsky, A., & Preat, T. (2022). Glia fuel neurons with locally synthesized ketone bodies to sustain memory under starvation. Nature Metabolism, 4(2), 213–224. https://doi.org/10.1038/s42255-022-00528-6Архивирано 2024-03-06 на сајту Wayback Machine
Kodde IF, van der Stok J, Smolenski RT, de Jong JW (јануар 2007). „Metabolic and genetic regulation of cardiac energy substrate preference”. Comp. Biochem. Physiol. A. 146 (1): 26—39. PMID17081788. doi:10.1016/j.cbpa.2006.09.014.CS1 одржавање: Формат датума (веза)
Hasselbalch, SG; Knudsen, GM; Jakobsen, J; Hageman, LP; Holm, S; Paulson, OB (1994). „Brain metabolism during short-term starvation in humans.”. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 14 (1): 125—31. PMID8263048. doi:10.1038/jcbfm.1994.17.
Freemantle, E.; Vandal, M. N.; Tremblay-Mercier, J.; Tremblay, S. B.; Blachère, J. C.; Bégin, M. E.; Thomas Brenna, J.; Windust, A.; Cunnane, S. C. (2006). „Omega-3 fatty acids, energy substrates, and brain function during aging”. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids. 75 (3): 213—20. PMID16829066. doi:10.1016/j.plefa.2006.05.011.