Z W I 
Z K I K A R B O N Y L O W E 2007. 08.
Aleksander Kołodziejczyk
Grupa karbonylowa -C=O występuje w wielu związkach organicznych, ale tylko aldehydy i
ketony nazywane są związkami karbonylowymi. W jedynie nich karbonylowy atom węgla jest
związany wyłącznie z atomami wodoru lub/i węgla. W pozostałych związkach zawierających
grupę -C=O, tj. w kwasach karboksylowych i ich pochodnych do karbonylowego atomu węgla
dołączona jeszcze inna grupa funkcyjna, np. -OH, -OR, -COR czy -X.
ZwiÄ…zki organiczne zawierajÄ…ce grupÄ™ karbonylowÄ… Tabela 11.1
Nazwa Wzór ogólny Nazwa
Wzór ogólny
O O
aldehyd ester
C
C
R H
R OR'
O
keton O lakton (ester cykliczny)
C
C
O
C
R R'
O
kwas karboksylowy amid O
C
C
R OH
R N
O
O O
bezwodnik kwasowy laktam (amid cykliczny)
C
C C
N
C
R R'
O
chlorek kwasowy O keten
C
R C O
(halogenek)
C
R Cl
Budowa grupy karbonylowej
Grupa karbonylowa C=O jest pod względem geometrycznym podobna do podwójnego wiązania
C=C. Wokół atomu C o hybrydyzacji sp2 rozmieszczone są 3 podstawniki. Ułożone są one w
jednej płaszczyz
nie pod kątem zbliżonym do 120o. Wiązanie C=O jest krótsze niż C=C (1,22 Ši
1,43Å odpowiednio) i znacznie silniejsze  175 kcal/mol (732 kJ/mol) wobec 92 kcal/mol (385
kJ/mol). Silniejsze nie oznacza mniej reaktywne. WiÄ…zanie karbonylowe jest mocniej
spolaryzowane, co rzutuje na jego właściwości chemiczne i wysoką reaktywność.
Tabela 11.2
parametry fizyczne czÄ…steczki etanalu
KÄ…ty walencyjne [o]
Długości wiązań [A]
H
118
C=O
H-C-C 1,22
O
C
121
C-C-O C-C 1,5
H3C
OC-H 1,09
H-C-O 121
Karbonylowy atom węgla o hybrydyzacji sp2 tworzy 3 wiązania typu à i jedno Ą.
1
.
.
. .
. .
C O C O
.. ..
elektrony na niezhybrydyzowa-
nych orbitalach p po nałożeniu
orbitale p
tworzÄ… wiÄ…zanie typu Ä„
Związki zawierające grupę karbonylową są polarne, ponieważ wiązanie C=O jest
spolaryzowane. A
atwo się domyślić, że częściowy ładunek dodatni jest zlokalizowany na atomie
węgla, zaś ujemny na atomie tlenu.
+´ -´
..
O.
C
.
Grupę karbonylową można przedstawić w postaci wzorów mezomerycznych, przy czym na
jednym z nich są całkowicie rozdzielone ładunki. Prawdopodobieństwo występowania grupy
karbonylowej z rozdzielonymi ładunkami jest niskie, ale wyjaśnia ono podatność tego typu
związków na atak odczynników nukleofilowych i kwasów:
+´ -´ + -
..
..
:
O
C
O..
C
..
Dodatkowe podstawniki i grupy funkcyjne mogą zwiększać lub zmniejszać polarność tego
wiązania, a tym samym wpływać na wielkość momentu dipolowego cząsteczki i reaktywność
grupy. W tabeli przedstawiono wartości momentów dipolowych wybranych związków
zawierajÄ…cych grupÄ™ karbonylowÄ….
Wartości momentu dipolowego wybranych związków Tabela 11. 3
zawierajÄ…cych grupÄ™ karbonylowÄ…
Nazwa Wzór Grupa związku Moment
dipolowy [D]
metanal H2C=O aldehyd 2,33
etanal CH3HC=O aldehyd 2,72
aceton (CH3)2C=O keton 2,88
acetofenon PhCOCH3 keton 3,02
cyklobutanon keton 2,99
O
kwas octowy CH3COOH kwas karboksylowy 1,74
chlorek acetylu CH3COCl chlorek kwasowy 2,72
octan metylu CH3COOCH3 ester 1,72
acetamid CH3CONH2 amid 3,72
N,N-dimetylo- CH3CON(CH3)2 amid 3,81
acetamid
2
Reaktywność związków karbonylowych
Reaktywność związków zawierających grupę karbonylowa jest związana z właściwościami
elektronowymi atomów wchodzących w jej skład, przede wszystkim z dodatnio naładowanym
karbonylowym atomem wÄ™gla C+´ i ujemnie naÅ‚adowanym atomem tlenu O-´.
Karbonylowy atom wÄ™gla C+´ jest podatny na atak odczynników nukleofilowych (:Nu), a atom
tlenu O-´ na dziaÅ‚anie kwasów (A). Powinowactwo karbonylowego atomu wÄ™gla do nukleofila
:Nu będzie modyfikowane właściwościami elektronowymi związanej z nim grupy funkcyjnej Y.
Grupy elektronoakceptorowe będą zwiększały powinowactwo, a eletronodonorowe 
zmniejszały. Reaktywne są również atomy wodoru przy Cą. Mają one podwyższoną ruchliwość.
Sąsiedztwo grupy karbonylowej zwiększa ich kwasowość w porównaniu z typowym
alifatycznym atomem wodoru, a przez to łatwiej ulegają oderwaniu pod wpływem zasad (B:).
.. A
-´
kwas
A .. + ..
-´
A
O:
:
+´ O: O A
+´ +
zasada
:B
C C
C C C C
Y
Y Y
H
H H
:B :Nu nukleofil
:Nu
+ +
A  kwasy Lewisa (np.: H, NH2, BF3, AlCl3, itp.); wykazują duże powinowactwo do
karbonylowego atomu tlenu O; tworzÄ… z nim kompleksy.
- - - -
:B  zasady Lewisa (np.: H, NH2, OH, OR, NR3, itp.) majÄ… powinowactwo do ruchliwych
protonów  odrywają H przy Cą w stosunku do grupy karbonylowej:
.. -
.. ..
-´
:
O:
O: O:
+´
C C C C C C
-
- +BH
Y
Y Y
H
:B
Ä™!
PowstajÄ…cy po oderwaniu protonu karboanion jest podatny na atak odczynnika elektrofilowego 
E+; ten etap zapoczÄ…tkowuje reakcje kondensacji karbonylowej.
:Nu  wykazuje powinowactwo do dodatnio naładowanego węgla grupy karbonylowej i reakcja z
nim zaczyna się od addycji do karbonylowego atomu węgla. Dalszy bieg reakcji zależy od
właściwości podstawnika Y:
 może nastąpić protonowanie atomu O lub
 eliminacja podstawnika -Y, jeżeli jest dobrą grupą odchodzącą.
+
H
protonowanie
.. -
:
O: atomu O
albo
C C
eliminacja
Y
Nu
grupy Y
Do najpopularniejszych reakcji, jakim ulegają związki zawierające grupę karbonylową należą:
addycja nukleofilowa substytucja Ä… i
acylowa substytucja nukleofilowa kondensacja karbonylowa
3
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej
Jeżeli podstawnik grupy karbonylowej -Y jest złą grupą odchodzącą (-H lub -R) to w reakcji z
nukleofilem dochodzi do addycji nukleofilowej, przy czym zmienia siÄ™ hybrydyzacja obu
atomów tworzących grupę karbonylową (z sp2 na sp3), a po sprotonowaniu produktu addycji
(produktu pośredniego) powstaje alkohol. Tak z nukleofilami reagują..aldehydy i ketony.
..
:
O H
:
O: :Nu :O:-
+
H
C
C
C
R Nu
R Nu
R Y
Y
Y
Csp3
Csp3
Csp2
aldehyd lub keton produkt addycji alkohol
R i Y: H, alkil lub aryl Nu: -H (jon wodorkowy) lub zwiÄ…zki Grignarda (R MgX)
Substytucja na karbonylowym atomie węgla
Reakcja substytucji na grupie C=O może biec dwoma sposobami (A i B). Wg A w końcowym
produkcie zostaje zachowana grupa C=O, a wg B tworzy siÄ™ ugrupowanie C=Nu.
Sposób A
ZwiÄ…zki karbonylowe zawierajÄ…ce Å‚atwo odchodzÄ…ca grupÄ™ Y, np. -OH, -OR, -SR, -C(O)OR,
lub -halogen po przyłączeniu nukleofila :Nu tworzą produkt pośredni (addukt), z którego
odszczepia siÄ™ grupa Y i powstaje inny zwiÄ…zek zawierajÄ…cy grupÄ™ karbonylowÄ…, np. kwas
karboksylowy zostaje przekształcony w ester, chlorek kwasy w amid itp. Są to reakcje
charakterystyczne dla kwasów karboksylowych i ich pochodnych. Nie wszystkie przedstawione
powyżej podstawniki Y należą do grup łatwo odchodzących, ale w odpowiednich warunkach
mogą zostać w takie grupy przekształcone, np. -OH czy -OR po protonowaniu do H-O+H2 lub -
O+RH stajÄ… siÄ™ grupami Å‚atwo odchodzÄ…cymi.
-
.. -
´
´
-
:
O: :Nu :O: - Y- :
O:
C
C
C
R Nu
+
R Y +
´ R Nu
´
Y
Csp2
Csp3
Csp2
R: H, alkil lub aryl Y: halogen; -OR, -OH, -SR, -C(O)OR
Kwasy karboksylowe i ich pochodne reagują z nukleofilami według sposobu A.
Sposób B
Aldehydy i ketony po addycji do karbonylowego atomu niektórych związków zawierających
grupÄ™ aminowÄ… (-NH2) eliminujÄ… atomu tlenu w postaci czÄ…steczki wody (Å‚atwo odchodzÄ…ca
grupa) i powstaje imina.
- .. -
..
´ ´
-
:
O H
: :
O
: :
O: N R'
- HOH
:NH2R'
+
C
C
C C
R NHR'
R NH2R'
..
+ +
R Y R Y
´ ´
Y
Y
Csp3
Csp2
Csp2 Csp3
aldehydy lub ketony iminy
Y: H, alkil lub aryl : NH2R : aminy 1o, hydrazyna i inne zwiÄ…zki zawierajÄ…ce grupÄ™ -NH2
4
Substytucja Ä…
W reakcji substytucji Ä… dochodzi do podstawienia uaktywnionego atomu wodoru przy CÄ… w
stosunku do grupy karbonylowej. Miejsce Hą może zająć elektrofil, np. halogen lub alkil.
Reakcja biegnie poprzez formÄ™ enolanowÄ….
.. ..
:O:
: H : O H
O
C
C C
H
+ E
Y
Y E Y
C
+
C C
zwiÄ…zek karbonylowy
+
:
O: - H+
:
O H
C
E
Y C
C
E
Y
C
Ä…-podstawiony zwiÄ…zek karbonylowy
Przykładem takiej reakcji może być otrzymywanie ą-bromoacetofenonu. Związek ten jest silnym
lakrymatorem (drażni oczy).
O
O
AcOH C
C
CH2 + HBr
CH3 + Br2
Br
acetofenon Ä…-bromoacetofenon (72%)
Reakcje kondensacji związków karbonylowych
W środowisku zasadowym aldehydy i ketony zawierające Hą ulegają dimeryzują.
O
O
O OH
-
OH
CH3CH CH3CHCH2CH
CH3CH
+
etanal etanal 3-hydroksybutanal
Mechanizm
Reakcja zaczyna się od oderwania protonu Hą i utworzenia karboanionu, który jako nukleofil
przyłącza się do karbonylowego atomu węgla wg uprzednio poznanych reguł. Po zakwaszeniu
powstałego enolanu tworzy się aldol. Ta nazwa to skrót sporządzony ze słowa aldehydoalkohol.
..
..
-
..
:
O
:
O
- HB
: : O
O
- C
C
O
C
C
:B- H2C H
H2C H
.. H3C CH2 H
C
H
H3C H
H
+
etanal
H/HOH
..
: O
O H
aldol
C
C
(3-hydroksybutanal)
H3C CH2 H
H
Do tego typu reakcji należy kondensacja aldolowa aldehydów i ketonów, kondensacja Claisena
estrów i szereg innych podobnych reakcji.
5
A L D E H Y D Y I K E T O N Y
Do aldehydów zalicza się związki zawierające przy karbonylowym atomie węgla resztę
organiczną i atom wodoru. Szczególnym przypadkiem jest metanal (aldehyd mrówkowy inaczej
formaldehyd), ponieważ z karbonylowym atomem węgla związane są dwa atomy wodoru.
W ketonach do grupy karbonylowej przyłączone są dwie reszty organiczne.
O
O
C
C
R'
H R
R
aldehydy, R: alkil, aryl lub H ketony, R, R : alkil lub aryl
Występowanie
Aldehydy są związkami nietrwałymi, ponieważ łatwo ulegają utlenieniu. Dlatego chociaż
występują często w naturze, rzadko spotyka się je w dużych stężeniach. Są składnikami
niektórych olejków eterycznych, np.: cytronellal, neral (cytral b), geranial (cytral a), aldehyd
benzoesowy (benzaldehyd) czy aldehyd anyżowy. Znane są też pochodne aldehydu 3,4-
dihydroksybenzoesowego. Aldehydy należą do ważnych substratów w biosyntezie.
CHO
CHO
H
H
CHO CHO
CHO
aldehyd
benzoesowy
Ä…
²
cytranellal neral geranial
Aldehyden jest aldosteron, przedstawiciel hormonów kortykosterydowych (hormonów
nadnercza). O obecności grupy aldehydowej świadczy nazwa tego związku  aldosteron.
OHC COCH2OH
HO
H
H H
aldosteron
O
Popularnymi aldehydami są cukry  aldozy, np. D-glukoza. W odróżnieniu od innych aldehydów
charakteryzują się dużą trwałością, ponieważ jako polihydroksyaldehydy tworzą hemiacetale 
związki odporne na utleniające działanie tlenu z powietrza.
CHO
OH
H C OH
O
OH
HO
HO C H
HO
HO
H
H C OH
D-glukoza hemiacetal
H C OH
CH2OH
Niezwykle interesującymi (ze względu na możliwość praktycznego zastosowania do zwalczania
owadów) są substancje utrudniające żerowanie owadów - IAF (ang. insect antifeedants). Są
6
pośród nich aldehydy należące do terpenoidów, np. poligodial (tadeonal), ajugaryny (I-V) lub
ajugomaryna. IAF wydzielają niektóre rośliny, żeby chronić się przed żerującymi na nich
owadami, np. przed szarańczą. Jak dotychczas naturalne IAF nie znalazły praktycznego
zastosowania (są zbyt skomplikowane, żeby je syntezować, a w naturze występują w małym
stężeniu). Jednak na ich podstawie zaprojektowano prostsze związki o zbliżonej aktywności.
O
O
H3C
CHO H
H3C
CH3
CHO
O
CH2OCOCH
3
H
OCOCH3
poligolial (tadeonal) ajugaryna I
Naturalne ketony są znacznie popularniejsze od aldehydów. Nietrudno zauważyć, że aldosteron
jest także ketonem. Pozostałe kortykosterydy też zawierają grupę lub grupy ketonowe. Do
ketonów należy większość hormonów płciowych: estron, progesteron, testosteron i androsteron.
OH
O
H
H
H H
H H
O
O
progesteron testosteron
Pośród terpenoidów spotyka się wiele związków zawierających grupę ketonową; jako przykłady
można podać menton, karwon, tujon czy kamforę:
O
O
O
O
(-)-menton (+)-karwon (-)-Ä…-tujon kamfora
Ketonami są substancje zapachowe pochodzenia zwierzęcego, takie jak cybeton i muskon.
O
O
cybeton muskon
Grupę ketonową zawierają cukry  ketozy, czyli polihydroksyketony, a najpopularniejszą pośród
nich jest D-fruktoza. Ketozy, tak jak i aldozy występują w formie hemiacetalowej.
Nomenklatura aldehydów
1.Systematyczna
Nazwy aldehydów tworzy się przez dodanie końcówki -al do nazwy węglowodoru
macierzystego.
7
O
CH2CH3
C O
O
H3C H
CH3CHCH2CHCHO
C
C
etanal CH3CH2 H
H H
CH3
metanal propanal 2,4-dimetyloheksanal
2. Karboaldehydowa
Inny systematyczny sposób nazywania aldehydów polega na dodaniu do nazwy węglowodoru
zwiÄ…zanego z grupÄ… -CHO przyrostku karboaldehyd wraz z Å‚Ä…cznikiem  o . Stosowany
najczęściej w nazywaniu związków o skomplikowanej budowie.
Et
H
CHO H
CHO
H
cykloheksanokarboaldehyd (1R,2R)-2-etylocyklo-heksano-1-karboaldehyd
3. Przerostkowa  podobną rolę pełni przedrostek formylo:
CH2CHO
OHC COOH
OCHCH2CH2CHCHCHO
CH3
3-(formylometylo)-2-metyloheksano-1,6-dial kwas 4-formylobenzoesowy
4. Odkwasowa
Popularny, półsystematyczny sposób nadawania nazw aldehydom wywodzi się od nazw kwasów
karboksylowych. Te dwie grupy związków są z sobą spokrewnione, ponieważ utlenienie
aldehydów prowadzi do kwasów zawierających tę samą resztę organiczną. Mamy więc aldehyd
mrówkowy (metanal, zwany także formaldehydem) wywodzący się od kwasu mrówkowego,
podobnie aldehyd octowy (etanal), propionowy (propanal), masłowy (butanal), izomasłowy (2-
metylopropanal), benzoesowy czy salicylowy.
5. Nazwy zwyczajowe
Niektóre aldehydy znane są prawie wyłącznie pod nazwami zwyczajowymi, np. aldehyd
salicylowy czy anyżowy.
CHO
H3CO CHO
(CH3)2CHCHO
OH
aldehyd izomasłowy aldehyd anyżowy
(2-metylopropanal) aldehyd salicylowy (p-metoksybenzoesowy)
(o-hydroksybenzoesowy)
Nomenklatura ketonów
1. Systematyczna
Zgodnie z zasadami IUPAC nazwy ketonów tworzy się przez dodanie końcówki  on do nazwy
węglowodoru macierzystego:
O O
CH3
O
O
CH3CH=CCH2CCH3
C CH3CCH2CH2CH3
H3C CH3
3-metyloheks-2-en-5-on
pentan-2-on
propanon (aceton) cykloheksanon
8
2. Grupowo-funkcjonalna
Powszechnie stosowany sposób nazywania ketonów, tzw. grupowo-funkcyjny polega na dodaniu
po słowie keton (w porządku alfabetycznym i rozdzielone myślnikiem) nazwy reszt alkilowych
(arylowych) związanych z grupą karbonylową. Należy pamiętać o tym, żeby używać nazw reszt
organicznych w formie przymiotnikowej, tj. np. keton metylowo-propylowy, a nie metylo-
propylowy, gdyż w wymowie ta druga forma jest równoznaczna z ketonem metylopropylowym,
a to oznacza inny zwiÄ…zek.
O
O
C
C
CH3CHCH2 CH2CHCH3
H3C CH2CH2CH3
CH3 CH3
keton metylowo-propylowy (keton metylopropylowy) keton bis(2-metylopropylowy)
3. Podstawnikowa
Tlen grupy ketonowej =O, jako podstawnik nosi nazwę okso i można tego przedrostka używać w
tworzeniu nazw podstawnikowych. Zastępuje on dawniej używany przedrostek  keto .
O
10
COOH
9
O CH2CH2CH2COOH 1
kwas 1,3,6,8-tetraokso-1,2,3,6,7,8,-
H
O
3 O -heksahydropireno-2-karboksylowy
8
kwas 4(4-oksocykloheksylo)butanowy
4
6
5
O
4. Zwyczajowa
Wiele ketonów ma nazwy zwyczajowe. Oprócz wymienionych uprzednio ketonów naturalnych
należy znać takie związki, jak aceton, acetofenon czy benzofenon:
O
O
O
benzofenon
acetofenon
aceton
C
C
C
CH3
H3C CH3
Właściwości fizykochemiczne
Metanal jest gazem (tw. -19oC), etanal zaś bardzo lotna cieczą, lotniejszą niż eter etylowy (tw.
20,8oC), a propanal wrze w temp. 48oC. Metanal i etanal mieszają się z wodą w każdym
stosunku; rozpuszczalność w wodzie wyższych aldehydów maleje wraz ze wzrostem ich masy
cząsteczkowej; przykładowo propanal, n-butanal i aldehyd benzoesowy rozpuszczają się w
wodzie odpowiednio: 28, 4 i 3 g/100 ml w 20oC. Aldehydy i ketony rozpuszczajÄ… siÄ™ dobrze w
większości rozpuszczalników organicznych. Wodny roztwór metanalu (25-37%) znany pod
nazwą formaliny zawiera często metanol jako stabilizator. Formalina ma silne działanie
antyseptyczne i służy do przechowywania preparatów organicznych.
Metanal ma bardzo silny, drażniący i duszący zapach, etanal nieco słabiej, ale też bardzo
intensywnie oddziałuje na zmysł powonienia. Zapach wyższych aldehydów alifatycznych jest
bardzo nieprzyjemny ( smrodliwy ). Benzaldehyd i wiele innych aldehydów aromatycznych
charakteryzują się specyficznym zapachem gorzkich migdałów.
Aceton wrze w temperaturze 56oC i miesza się z wodą w każdym stosunku. Ma
charakterystyczny rozpuszczalnikowy zapach. Aceton jest popularnym rozpuszczalnikiem
stosowanym do rozpuszczania związków organicznych (w tym farb i lakierów).
9
Otrzymywanie aldehydów
1. Utlenianie
Alkohole 1o można przeprowadzić w aldehydy pod wpływem odpowiednio dobranych
utleniaczy, należy jednak zapewnić warunki zabezpieczające przed dalszym utlenieniem ich do
kwasów, ponieważ aldehydy łatwiej utleniają się do kwasów niż alkohole do aldehydów.
Rekomendowanym utleniaczem 1o alkoholi do aldehydów jest chlorochromian pirydyny  w
skrócie PCC (ang. pyridium chlorochromate). Reakcja biegnie w dichlorometanie w
temperaturze pokojowej (RT  ang. room temperature).
CrO3Cl-
N
PCC, chlorochromian pirydyny
+
H
PCC, RT
CH2OH
CHO
CH2Cl2
cytronellol cytronellal (82%)
Aldehydy lotniejsze od wody otrzymuje siÄ™ z odpowiednich alkoholi poprzez ich utlenianie za
pomocÄ… dichromianu sodu we wrzÄ…cej wodzie. W tych warunkach powstajÄ…cy aldehyd usuwany
jest z utleniającego środowiska przez oddestylowanie. Przykładem może być przekształcanie n-
butanolu (tw. 118oC) w n-butanal (tw. 75oC). Wydajności są jednak dużo niższe niż poprzez
utlenianie za pomocÄ… PCC.
Na2Cr2O7/H2SO4
CHO
CH2OH
HOH/tw
n-butanolu n-butanal (32%)
Jedna z przemysłowych metod otrzymywania aldehydu octowego polega na utlenianiu etanolu w
fazie gazowej w obecności katalizatora srebrowego.
500oC
CH3CH2OH + 0,5 O2
CH3CHO + HOH
Ag
etanol etanal (90%)
2. Odwodornianie
Alkohole 1o można odwodornić katalitycznie w obecności, np. katalizatora złożonego z miedzi i
tlenku chromu osadzonego na pumeksie. Jest to metoda preferowana w przemyśle.
Cu-CrO3/pumeks
CHO
CH2OH
- H2, 330oC
n-heksanol n-hesanal (30%)
3.Ozonoliza
Z alkenów zawierających winylowy atom wodoru powstają aldehydy w reakcji ozonolizy.
Korzystnymi substratami sÄ… alkeny symetryczne.
1. O3
2 CHO
2. Zn, AcOH
dec-5-en n-pentanal
10
4. Redukcja pochodnych kwasów karboksylowych
W syntezie aldehydów wykorzystywane są pochodne kwasów karboksylowych, głównie estry i
chlorki kwasowe. Większość reduktorów przeprowadza kwasy karboksylowe i ich pochodne w
alkohole 1o. Do otrzymania aldehydów potrzebne są reduktory specjalne, umożliwiające
selektywną redukcję. Należy do nich hydroglinian diizobutylowy (wodorek
didizobutyloglinowy  DIBAH, ang. diisobutylaluminium hydride).
1. DIBAH, toluen,-78oC
CH3(CH2)10COOCH3 CH3(CH2)10CHO
2. H+/HOH
dodekanian metylu dodekanal (88%)
H
Al
DIBAH: (CH3)2CHCH2-Al(H)-CH2CH(CH3)2
5. Redukcja Rosenmunda
Aldehydy można otrzymać z chlorków kwasowych poprzez uwodornienie wobec
zdezaktywowanego katalizatora palladowego. Metoda ta nazywana redukcjÄ… Rosenmunda ma
obecnie znaczenie historyczne.
COCl H2
COCl
(81%)
Pd/BaSO4/chinolina
chlorek 2-naftoesowy aldehyd 2-naftoesowy
6. Hydroliza geminalnych dihalogenopochodnych
Zarówno aldehydy, jak i ketony można otrzymać poprzez hydrolizę geminalnych
dihalogenopochodnych. Jest to sposób przydatny wówczas, kiedy takie pochodne są łatwo
dostępne. Do popularnych należy chlorek benzylidenu, otrzymywany w reakcji chlorowania
toluenu. W trakcie jego hydrolizy Å‚atwo powstaje benzaldehyd:
CHO
CH3
Cl2, h½ CHCl2 -OH/HOH
toluen chlorek benzylidenu aldehyd benzoesowy
7. Hydratacja alkinów
Aldehydy i ketony tworzą się w reakcji addycji wody do alkinów. Reakcja jest katalizowana
przez sole rtęci. Z etynu powstaje etanal, a z pozostałych alkinów tworzą się ketony. W ten
sposób otrzymywano aldehyd octowy przemysłowo, obecnie w przemyśle dominuje utlenianie
etenu tlenem gazowym.
HgSO4
120oC
HC CH CH3CHO
+ HOH
CH2=CH2 + 0,5 O2 CH3CHO
H2SO4/HOH
Pd/CuCl2
etyn
etanal
etanal (94%)
eten
metoda przemysłowa
Otrzymywanie ketonów
1. Utlenianie
Ketony najłatwiej otrzymać z alkoholi 2o, nie ma w tym przypadku obawy o ich dalsze
utlenienie. W ten sposób powstaje cykloheksanon z cykloheksanolu.
11
O
OH
cykloheksanon
cykloheksanol
Na2Cr2O7/H2SO4
(79%)
HOH
Utleniaczem alkoholi 2o, tak jak alkoholi 1o może być PCC.
Cykloheksanon przemysłowo produkuje się przez utlenienie powietrzem cykloheksanu.
Utlenianie powietrzem arenów zawierających odpowiednie łańcuchy boczne jest szczególnie
przydatne w otrzymywaniu ketonów alifatyczno-aromatycznych.
O
powietrze
CH2
C
CH3 100oC
CH3
etylobenzen benzofenon
2. Ozonoliza
Ozonoliza odpowiednich alkenów prowadzi do ketonów:
O
1. O3
H
2. Zn, AcOH
O
1-metylocykloheksen 6-oksoheptanal (86%)
3. Acylowanie
Niezwykle wygodnym sposobem otrzymywania ketonów alifatyczno-aromatycznych lub
aromatycznych jest reakcja acylowania arenów Friedla-Craftsa. Polega ona na działaniu
chlorkami lub bezwodnikami kwasowymi na związki zawierające pierścień aromatyczny.
O O
AlCl3
C C
Cl
+
"
benzen chlorek benzoilu benzofenon (85%)
O
O
AlCl3 C-CH2CH2COOH
+
O
kwas 3-benzoilo-
bezwodnik
O
benzen propanowy
(94%)
bursztynowy
Za pomocą reakcji Friedla-Craftsa można otrzymywać związki cykliczne; w ten sposób z kwasu
fenylobutanowego powstaje tetralon:
O
(CH2)3COOH
AlCl3
NaBH4
SOCl2
C-CH2CH2COOH
(79%)
(89%)
ClC=O
O
kwas 3-benzoilo-
kwas 4-fenylo-
chlorek
propanowy tetralon
butanowy
kwasowy
12
Właściwości chemiczne
1. Utlenianie
Aldehydy są podatne na utlenienie bardziej niż ketony; nawet pod wpływem słabych utleniaczy
zostają przekształcane w kwasy karboksylowe.
O
O
[O]
C
C R
R
kwas
OH
H
karboksylowy
aldehyd
Utleniacze: HNO3, KMnO4, O2, Na2CrO7, odczynniki Jonesa, Tollensa, Fehlinga i inne.
Odczynnik Jonesa  CrO3/H2SO4/HOH  należy do najłagodniejszch utleniaczy przekształcających aldehydy w
kwasy.
Odczynniki Tollensa  (AgNO3/NH3/HOH) i Fehlinga  (CuSO4/H2SO4/HOH-NaOH/KNaC4H4O6/HOH) sÄ…
stosowane w testach do wykrywania aldehydów.
Odczynnik Tolensa w obecności reduktora typu aldehydu ulega redukcji do srebra
metalicznego, które tworzy lustro, ponieważ w postaci cienkiej warstwy osadza się na dnie
naczynia szklanego. Powstawanie takiego lustra jest testem na obecność aldehydu. Reakcja ta
wykorzystywana jest do produkcji luster.
O
O
C C
R R + 2 Ag
+ 2 Ag+
OH
H
aldehyd kwas karboksylowy lustro srebrowe
W próbie Fehlinga obserwuje się pomarańczowy osad wytrącającego się tlenku miedzi (I) pod
wpływem aldehydu.
O
O
C
R C + Cu2O
+ 2 Cu2+ R
-
H OH
OH
pomarańczowy
kwas karboksylowy
aldehyd
osad
Ketony też ulegają utlenieniu, ale pod wpływem silniejszych utleniaczy, następuje przy tym
rozerwanie wiązania pomiędzy atomem Cą a grupą karbonylową. Z ketonów alifatycznych
powstaje mieszanina kwasów karboksylowych.
O
KMnO4
RCOOH + RCH2COOH +
R-CH2-C-CH2-R'
-
OH/HOH,"
HOOCR' + HOOCCH2R'
keton alifatyczny mieszanina kwasów karboksylowych
Z ketonów cyklicznych otrzymuje się jednorodne kwasy dikarboksylowe.
O
O
1. KMnO4/NaOH/HOH, "
O
HO
2. H+/HOH
OH
cykloheksanon kwas adypinowy (kwas heksano-1,6-dionowy) (65%)
2. Addycja nukleofilowa
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej jest charakterystyczną reakcją aldehydów i
ketonów. Na atomie węgla grupy C=O zlokalizowany jest częściowy ładunek dodatni, a przez to
karbonylowy atom węgla jest podatny na atak nukleofilowy.
13
´-
O
´+
C
:Nu
R R(H)
Nukleofilami (Nu:-) mogą być atomy lub grupy obdarzone ładunkiem ujemnym, np.:
..
..
N C:- R3C:- H:- RO:-
HO:-
..
..
aniony: cyjankowy karboanion wodorkowy alkoksylowy hydroksylowy
lub bez formalnego ładunku (cząsteczki obojętne  :Nu-H), ale zawierające elektroujemne atomy
z wolnÄ… para elektronowÄ…, np.:
.. ..
.. ..
H3N: RNH2 R2NH
ROH HOH
.. ..
amoniak amina 1o amina 2o alkohol woda
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej biegnie jednym z dwóch wariantów: A jedynie
addycja lub B addycja i następcza eliminacja. Kierunek reakcji zależny jest głównie od
charakteru odczynnika nukleofilowego. W obu przypadkach pierwszym etapem jest atak
nukleofila na karbonylowy atom węgla i utworzenie adduktu, przy czym atom ten zmienia
hybrydyzacjÄ™ na sp3. W wariancie A addukt stabilizuje siÄ™ przez protonowanie atomu tlenu, a w
drugim przypadku  B, następuje odszczepione cząsteczki wody (eliminacja) i atom węgla
powraca do poprzedniej hybrydyzacji sp2. Odszczepienie cząsteczki wody jest możliwe dzięki
temu, że nukleofil zawiera 2 ruchliwe atomy wodoru.
:
:O
aldehyd
C lub keton
R R'
:Nu- :NuH2
B
A
..
..
-
:O:
:O:-
+
C
C
R
R
NuH2
Nu
R'
R'
H+
.. - HOH
:O H
Nu
C
C
R
Nu
R R'
R'
Rys. 11.1 Mechanizm addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu węgla
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej aldehydów i ketonów jest szeroko
wykorzystywana w syntezie chemicznej, można za jej pomocą otrzymywać wiele cennych
produktów. Poniższy schemat obrazuje te możliwości:
14
OH
C
OH
OH
R
C
C
H
CN
alkohole
cyjanohydryny
alkohole
:H- RMgX
HCN
NaBH4
Y
iminy
R O
H2N-Y
(Ph)3P=C(R)2 N
oksymy
C
C
hydrazony
C
ylidy
C
R
itp
alkeny
aldehydy lub ketony pochodne azotowe
R2NH
OR
1. HSCH2CH2SH
ROH
C
2. NiRa
OR R2N
C C
acetale
enaminy
H
alkany
C
H
2.1 Addycja wody  tworzenie geminalnych dioli
W wyniku addycji czÄ…steczki wody do grupy karbonylowej powstajÄ… geminalne diole, zwane w
skrócie gemdiolami lub gemglikolami (grec. geminalny czyli bliz
niaczy; w tym przypadku
odnosi się do dwóch grup -OH na tym samym atomie węgla). Hydratacja grupy karbonylowej
jest reakcją odwracalną i najczęściej jej równowaga jest przesunięta na korzyść formy
karbonylowej. Zdarzają się jednak trwałe gemglikole (tzw. hydraty).
OH
O
+ HOH C
C
R
OH
R R'
R'
forma karbonylowa forma uwodniona (hydrat)
Trwałymi gemdiolami są hydrat metanalu i chloralu. W większości wodnych roztworów
aldehydów i ketonów udział formy uwodnionej nie przekracza 0,1%, podczas gdy metanal i
chloral występują głównie w formie uwodnionej (99,9%). Hydrat chloralu jest silnym lekiem
usypiającym, o działaniu zbliżonym do barbituranów. Jego działanie uboczne polega na
drażniącym działaniu na skórę i błony śluzowe. Stosowany także jako surowiec do produkcji
DDT.
O
ciecz wrzÄ…ca
Cl3CC(OH)2
H2C(OH)2 Cl3CC
w temp. 97oC
H
t.t. = 57oC
hydrat metanalu chloral hydrat chloralu
Hydrat metanalu występuje jedynie w roztworze wodnym, podczas gdy hydrat chloralu jest
trwałym, krystalicznym związkiem.
Występowanie hydratów związków karbonylowych udowodniono na podstawie widm
spektroskopowych, a także za pomocą reakcji izotopowej z wodą zawierającą 18O. Po pewnym
15
czasie od rozpuszczenia aldehydu w takiej wodzie izolowano aldehyd zawierajÄ…cy w grupie
C=O tlen 18O.
RCHO + H18OH RCH(OH)(18OH) RCH18O + HOH
Reakcja hydratacji aldehydów i ketonów jest katalizowana zarówno zasadowo, jak i kwasowo. W
środowisku obojętnym biegnie wolno.
Mechanizm hydratacji grupy karbonylowej
kataliza zasadowa kataliza kwasowa
..
..
:
O
:
O
C
C
..
+
..
- H2O H
..
:OH
..
..
..
.. +
-
:
O H
:O
: O H
+
C
..
C
C
OH
..
..
H2O
..
..
..
HO H
..
:O H
..
..
C
H
:O H - ..
O
+
+ :OH
.. ..
C
H
OH
..
..
..
:O H H2O
..
+
..
+
C
H3O
O
H
2.2 Addycja czÄ…steczki alkoholu - tworzenie hemiacetali, acetali i tioacetali
Cząsteczka alkoholu, podobnie jak cząsteczka wody przyłącza się do grupy karbonylowej, a
produkt takiej addycji nosi nazwę hemiacetalu (grec. hemi = w połowie), dla odróżnienia od
acetali (pełnych acetali). Dawniej tego typu związki nazywano półacetalami. Reakcja jest
katalizowana kwasami.
..
..
..
.. +
:O H
:
O H
: O H
O H+
..
C
H
+ ..
C
C
C O
ROH
.. +
R
aldehyd
lub keton
..
:OH - H+
hemiacetal
..
C
OR
..
Zwykle hemiacetale są nietrwałe i występują jedynie w roztworze alkoholowym w stanie
równowagi z formą karbonylową. W środowisku kwaśnym reagują dalej z alkoholem w kierunku
acetali. Acetale pochodzące od ketonów nazywa się często ketalami.
16
Mechanizm
Reakcja tworzenia acetali zaczyna siÄ™ od protonowania grupy -OH, eliminacji czÄ…steczki wody,
przyłączenia cząsteczki alkoholu do atomu węgla i kończy się stabilizacją przez odszczepienie
protonu:
+ ..
.. ..
.. R
+
..
H H
:
R
O
:OH H+ H - H+
O -HOH
ROH O
..
C+.. R C
+
R
.. C
C C R
R R
C
O
O O
OR O ..
.. O
..
.. ..
..
hemiacetal
acetal
Chociaż większość hemiacetali występuje jedynie w roztworach alkoholowych w równowadze
ze związkami karbonylowymi, to hemiacetale wewnątrzcząsteczkowe, do których należą cukry
są trwałe. W cukrach równowaga przesunięta jest na korzyść hemiacetali.
OH
CHO
HC
H C OH
H C OH
OH
O
OH
HO C H HO
HO C H
O
HO
HO
H
H C OH
H C OH
D-glukoza
H C OH
H C
CH2OH
CH2OH
Wiązanie hemiacetalowe w D-glukozie tworzy się pomiędzy grupą -OH przy C5 i grupą
aldehydową. Cząsteczka glukozy przyjmuje konformację krzesłową. Acetale utworzone z
cukrów nazywają się glikozydami. Występują powszechnie w przyrodzie.
Synteza acetali polega na ogrzewaniu aldehydów lub ketonów z bezwodnym alkoholem w
kwaśnym środowisku. Ulegają one łatwo hydrolizie w środowisku kwaśnym, a są odporne na
hydrolizę zasadową. Stosuje się je do czasowej osłony grupy karbonylowej, tak żeby można
było przeprowadzić reakcję w innej części cząsteczki, chroniąc grupę karbonylową, np. przed
utlenieniem lub redukcją. Po zaplanowanych przekształceniach grupę karbonylową łatwo
odzyskuje się w reakcji hydrolizy kwaśnej. Często dla ochrony funkcji karbonylowej używa się
glikolu etylowego, ponieważ z nim tworzy się wyjątkowo łatwo acetal cykliczny.
O
+
1. LiAlH4 H/HOH
O
OH
OH
HO
O O
+ EtOH
O O
O
O
2. +H/HOH OH
H+ -
OH
HO 4-oksopen-1-ol
O
O
4-oksopentanian etylu
Selektywna redukcja przedstawiona na powyższym schemacie byłaby niemożliwa do
przeprowadzenia bez czasowej ochrony grupy ketonowej.
Podobną rolę pełnią tioacetale, które tworzą się jeszcze łatwiej, a ulegają usunięciu, np. podczas
katalitycznej redukcji. Warto wiedzieć, że związki siarki dezaktywują katalizatory typu Pt czy
Pd, ale nie nikiel Renaya (NiRa). W ten sposób można zredukować grupę karbonylową
całkowicie, czyli do węglowodoru.
17
O NiRa
RS
2 RSH SR
CH2 + NiS
C
C +
EtOH
H
aldehyd lub keton tioacetal węglowodór
Do osłony grupy karbonylowej można też użyć tioglikolu etylenowego.
S
HS SH
NiRa
O
S
BF3
4-metylocykloheksanon tioacetal 4-metylocykloheksan
2.3 Reakcje aldehydów i ketonów ze związkami Grignarda
Związki Grignarda reagują z grupą karbonylową w ten sposób, że ujemnie naładowana reszta
organiczna R przyłącza się do karbonylowego atomu węgla, a -MgX tworzy wiązanie
alkoholanowe z atomem tlenu. Po hydrolizie alkoholanu otrzymuje siÄ™ alkohole.
..
..
- +
: :
O :
MgX OH
-´ :
: O
+
H/HOH
+ R MgX C
+´ C
C
R
-´ +´ R
zwiÄ…zek Grignarda
aldehyd lub keton alkoholan alkohol
W reakcji związków Grignarda z metanalem powstają alkohole 1o, z innymi aldehydami 
alkohole 2 o, a z ketonami  alkohole 3 o.
H
C=O
H H +
H/HOH
- +
Mg
CH2 OH
O
Br MgBr MgBr
C
eter
(alkohol 1o) (48%)
H
bromek bromek cyklopentylowo-
cyklopentylometanol
cyklopentylu magnezowy
CH3
CH3 OH
O
MgCl
H3C C +
C H3C C C
H
CH3
CH3 H
bromek-t-butylo - benzaldehyd 1-fenylo-2,2-dimetylo-
magnezowy propanol (alkohol 2o)
+H/HOH
HO
IMgO
+
CH3 MgI O
H3C
H3C
jodek metylo- cyklopentanon 1-metylocyklopentanol
magnezowy (alkohol 3o)
2.4 Addycja nukleofilowa HCN; otrzymywanie cyjanohydryn
Cyjanowodór przyłącza się do grupy karbonylowej tych aldehydów i ketonów, które nie mają
zawady przestrzennej wokół tej grupy. Produktem reakcji są cyjanohydryny (inaczej nitryle ą-
hydroksykwasów), czyli związki zawierające funkcję -CN i -OH przy tym samym atomie węgla.
W wyniku addycji cyjanowodoru do benzaldehydu powstaje nitryl kwasu migdałowego.
18
OH
O
HC N
C
C
CN
H
H
benzaldehyd nitryl kwasu migdałowego (cyjanohydryna) (88%)
Addycja cyjanowodoru do aldehydów lub ketonów jest reakcją odwracalną, zwykle z równowagą
przesuniętą na korzyść produktu. Reakcję ułatwia kataliza zasadowa, gdyż jon -CN przyłącza się
łatwiej niż HCN. Jon cyjankowy jest silnym nukleofilem i dlatego równowaga jego addycji do
grupy karbonylowej jest przesunięta w stronę produktów. Inne kwasy, np. halogenowodory,
kwas siarkowy czy kwasy karboksylowe są słabymi nukleofilami i nie tworzą adduktów ze
zwiÄ…zkami karbonylowymi.
W reakcji addycji cyjanowodoru do grupy karbonylowej wystarczają śladowe ilości zasady, jako
katalizator, ponieważ w warunkach równowagi jon cyjankowy odtwarza się:
.. -
..
OH
:
O:
O:
HCN
C
C C CN
CN
H
- H
H
:
C N
-
+
:C N
aldehyd produkt przejściowy cyjanohydryna
Cyjanohydryny stanowią dogodny półprodukt w syntezie organicznej. Poprzez ich redukcję
można otrzymać ²-aminoalkohole, a w wyniku hydrolizy Ä…-hydroksykwasy.
OH
1. LiAlH4,THF
C
CH2NH2
2. HOH
H
OH
2-amino-1-fenylo-
C
etanol
CN
H
OH
+
cyjanohydryna H/HOH
C
COOH
benzaldehydu "
H
lub -OH/HOH
kwas migdałowy
2.5 Addycja jonu wodorkowego  redukcja wodorkami
Wodorki typu NaBH4 lub LiAlH4 redukujÄ… aldehydy i ketony do odpowiednich alkoholi, przy
czym czynnikiem redukujÄ…cym jest anion wodorkowy  H-.
Na+BH4- Na+BH3 + :H-
tetrahydroboran sodu anion wodorkowy
Szczególnie przydatnym okazał się tetrahydroboran sodu, ponieważ jest trwalszy (odporniejszy
na hydrolizę) od LiAlH4, działa selektywnie (nie redukuje kwasów karboksylowych i ich
pochodnych), a reakcję można prowadzić w metanolu, nawet uwodnionym.
.. -
.. -
:
O: OH
:
O:
: :
O +
:H-
H/HOH
C + R C H
C
C
NaBH4 lub R alkohol
R
H
R R' H
R'
R' R'
LiAlH4
aldehyd lub keton
R, R': H, alkil lub aryl
19
3. Reakcja Cannizzaro
Jest to reakcja dysproporcjonowania, w wyniku której z aldehydu tworzy się alkohol
(redukcja) i kwas karboksylowy (utlenienie). Zachodzi ona w środowisku alkalicznym, a
ulegają jej aldehydy nie zawierające atomów wodoru przy Cą, np. metanal i aldehydy
aromatyczne.
CHO COOH
1. -OH/HOH CH2OH
2
+
(79%)
(86%)
2. H+/HOH
benzaldehyd alkohol benzylowy kwas benzoesowy
Charakterystyczną cechą tej reakcji jest to, że bierze w niej udział anion wodorkowy. W
pierwszym etapie reakcji grupa hydroksylowa ulega addycji do karbonylowego atomu węgla, po
czym anion wodorkowy, jako nukleofil atakuje grupÄ™ karbonylowÄ… drugiej czÄ…steczki aldehydu.
Następnie proton z kwasu karboksylowego (silniejszy kwas) przechodzi do alkoholanowego
atomu tlenu:
O
O
.. -
C
.. O
C
..:
O: OH
..
- ..
C
:
O
:O H
:
anion benzoesanowy
- ..
C :OH
+
.. H
C
H +
OH -: ..:
O
CH2OH
H
benzaldehyd
C
H
alkohol benzoesowy
Chociaż produkt reakcji Cannizzaro jest złożony (kwas i alkohol), to łatwo udaje się go
rozdzielić, ponieważ oba składniki różnią się właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Z
zasadowego, wodnego środowiska alkohol wyekstrahuje się nie mieszającym się z wodą
rozpuszczalnikiem organicznym, a kwas wytrÄ…ci z wodnego roztworu jego soli przez
zakwaszenie. Kwas można izolować też za pomocą jonitów.
Pomimo tych ułatwień nie jest to szeroko stosowana metoda otrzymywania ani kwasu
benzoesowego, ani alkoholu benzylowego, ponieważ znane są lepsze sposoby syntezy tych
związków. Większe znaczenie preparatywne ma tzw. krzyżowa reakcja Cannizzaro, w której
wykorzystuje się fakt, że w obecności aldehydów aromatycznych metanal ulega głównie
utlenieniu do mrówczanu, natomiast większa część aldehydu aromatycznego ulega redukcji
alkoholu aromatycznego. Ta różnica w reaktywności spowodowana jest większą
elektrofilowością karbonylowego atomu węgla metanalu  jest on bardziej podatny na atak reszty
hydroksylowej niż karbonylowy atom aldehydu aromatycznego.
CHO CH2OH
KOH
+ HCHO
+ HCOO-K+
CH3 metanal CH3 mrówczan potasu
aldehyd p-toluilowy alkohol p-metybenzylowy (72%)
20
Z aldehydu ftalowego w reakcji Cannizzaro powstaje kwas (hydroksymetylo)benzoesowy.
CHO COOH
1. KOH
2. +H/HOH
CHO CH2OH
aldehyd o-ftalowy kwas o-(hydroksymetylo)benzoesowy
W najważniejszym procesie redukcji biochemicznej, z udziałem zredukowanego dinukleotydu
nikotynoamidoadeninowego (NADH), widoczny jest mechanizm reakcji Cannizzaro:
..
R''
R''
: OH
O
N
N+
..
+ C C
R' + H
R
H2N
H2N
C
R'
C R
H
H
O hydroksy-
O
zw. karbonylowy
zwiÄ…zek
NADH NAD+ R  : reszta cukrowo-fosforanowa
4. Reakcje kondensacji
4.1 Kondensacja aldolowa
Aldehydy i ketony zawierajÄ…ce w atom wodoru przy CÄ… ulegajÄ… kondensacji katalizowanej przez
zasady i kwasy. W reakcji tej powstają dimery  aldehydoalkohole, dlatego została ona nazwana
kondensacjÄ… aldolowÄ… a jej najprostszy produkt dimeryzacji etanalu zwany jest aldolem.
O
OH O
NaOEt
2 CH3CH CH3CH-CH2CH
EtOH
acetaldehyd aldol (3-hydroksybutanal)
W odwracalnej reakcji kondensacji aldolowej dla monopodstawionych aldehydów (RCH2CHO)
równowaga jest przesunięta na prawo, zaś dla rozgałęzionych aldehydów i większości ketonów
na lewo. Z aldehydami biegnie ona z dobrą szybkością. Zwykle w warunkach reakcji tworzą się
nienasycone aldehydy lub ketony, ponieważ w produktach dochodzi do eliminacji cząsteczki
wody. ²-podstawione aldehydy i ketony sÄ… bardzo podatne na eliminacjÄ™. Dehydratacja
powoduje przesunięcie równowagi reakcji w kierunku dimerów.
Z podatności produktów do dehydratacji reakcja ta powszechnie nazywana jest kondensacją, a
nie dimeryzacjÄ…. Kondensacja bowiem to reakcja dimeryzacji (oligomeryzacji lub
polimeryzacji), w której obok głównego produktu wydzielają się małe cząsteczki  w tym
wypadku wody.
Kondensacja aldolowa polega na addycji nukleofilowej do karbonylowego atomu węgla anionu
powstałego w wyniku oderwania protonu z Cą. ..
.. -
-
..
: :
O
O : : O : : O
O O OH
O
- HOH HOH
.. - .. - HOH
+ H2C-CH H2C=CH CH3-CH-CH2-CH CH3CH=CH-CH
H-CH2-CH CH3-CH-CH2-CH
HO:
..
- HO-
-
O
aldehyd krotonowy
aldol
acetaldehyd
CH3CH
(but-2-enal)
21
Podobnie wygląda kondensacja aldolowa acetonu, jednak wydajność tej reakcji jest niewielka:
4-hydroksy-
O O
OH
-
OH - 4-metylo-
H3C-C-CH3 H3C-C-CH2-C-CH3 pent-2-on
aceton (5%)
CH3
Mechanizm:
..
-
: :
O
H2C=C-CH3
..
..-
O
O : :- O OH
O
O
:OH
.. - HOH
H2C-C-CH3 H3C-C-CH2-C-CH3 H3C-C-CH2-C-CH3
H-H2C-C-CH3
..
O
- -OH
CH3 CH3
aceton
C
H3C CH3
4-hydroksy-4-metylopent-2-on
Wydajność kondensacji aldolowej acetonu można zwiększyć przez usuwanie produktu ze
środowiska reakcji, tzn. oddzielając go od alkalicznego katalizatora. Tę reakcję można
prowadzić, np. w kolumnie wypełnionej kawałkami Ba(OH)2. Aceton skrapla się w chłodnicy
zwrotnej do kolumny, gdzie w zetknięciu z Ba(OH)2 ulega częściowej dimeryzacji i spływa do
kolby zawierajÄ…c kilka procent 4-hydroksy-4-metylopentan-2-onu. Aceton w kolbie wrze, a jego
pary skraplając się w chłodnicy zwrotnej ponownie przepływają przez kolumnę z Ba(OH)2,
podczas czego kolejna porcja acetonu ulegnie dimeryzacji. Ten proces trwa aż do wyczerpania
acetonu, a w kolbie pozostaje prawie czysty produkt.
W cykloheksanonie zawada przestrzenna jest mniejsza niż w acetonie (sztywny układ) i dzięki
temu wydajność jego dimeryzacji jest kilka razy większa (22%):
OH
NaOH
2
O
O
cykloheksanon 1-hydroksy-2 -oksodicykloheksyl
Kondensację aldolową stosuje się często w syntezie różnorodnych związków organicznych,
zarówno w laboratorium, jak i w skali technicznej. Powstające w reakcji aldole można poddawać
dehydratacji, dalszej kondensacji aldolowej lub selektywnej redukcji.
22
O OH
OH
O
NaOH NaBH4
RCH2CHCHCH2OH
2 RCH2CH
RCH2CHCHCH
aldehyd R
1,3-diol
aldol R
- HOH
O
RCH2CH=CCH
NaBH4
H2/Ni
R
aldehyd
Ä…,²-nienasycony
RCH2CH=CCH2OH
RCH2CH2CHCH2OH
alkohol allilowy R
H2/Pd/C
R
alkohol
O
RCH2CH2CHCH
aldehyd R
Kondensacja aldolowa jest szeroko stosowana w przemyśle, szczególnie do otrzymywania
alkoholi. TÄ… drogÄ… produkuje siÄ™ butan-1-ol.
Zadanie: zaproponuj schemat reakcji prowadzÄ…cych do butan-1-olu.
Dehydratacja ²-hydroksyaldehydów i ²-hydroksyketonów jest charakterystycznÄ… reakcjÄ… tych
związków. Często już w warunkach kondensacji aldolowej dochodzi do dehydratacji, jeżeli nie
zachowuje siÄ™ specjalnego reżimu (niskiej temperatury). PowstajÄ… przy tym Ä…,²-nienasycone
aldehydy lub ketony, zwane inaczej sprzężonymi enonami. Reakcja dehydratacji ²-
hydroksyaldehydów i ketonów jest katalizowana zarówno przez kwasy, jak i zasady. Usunięcie
cząsteczki wody z produktu kondensacji aldolowej przesuwa równowagę reakcji na prawo i w ten
sposób otrzymuje się sprzężone enony z wysoką wydajnością pomimo, tego że równowaga samej
reakcji nie sprzyja dimeryzacji. W warunkach równowagi z cykloheksanonu powstaje jedynie
22% produktu dimeryzacji, ale w wyniku dehydratacji tworzy się ponad 90% sprzężonego
enonu, co świadczy o prawie całkowitym zużyciu substratu (ilościowej dimeryzacji wyjściowego
ketonu).
OH
NaOH
2 O + HOH
O
cykloheksanon O
1-hydroksy-2 oksodicykloheksyl cykloheksylideno-cykloheksan-2-on (90%)
Jak uprzednio wspomniano produkt kondensacji aldolowej acetonu  4-hydroksy-4-
metylopenta-2-on powstaje w reakcji równowagowej jedynie z wydajnością 5%. Jeżeli jednak
reakcja będzie prowadzona w temperaturze powyżej 50oC, to z dobrą wydajnością tworzy się
sprzężony enon, zwany tlenkiem mezytylu.
O
O O
OH
Ba(OH)2
50oC H3C
C
CH3
H3C-C-CH3 H3C-C-CH2-C-CH3 C=C
H3C H
aceton
CH3
4-hydroksy-4-metylopenta-2-on (5%) tlenek mezytylu (95%)
23
Reakcja podobna do kondensacji aldolowej zachodzi również w środowisku kwaśnym. Aceton
po nasyceniu chlorowodorem ulega przekształceniu w tlenek mezytylu; równocześnie tworzy się
produkt trimeryzacji i dehydratacji, nazywany foronem.
O
CH3
H3C
C
C=C C=C
foron
CH3
H3C
H
H
Zadanie: napisz etapy powstawania foronu i jego cyklizacji do mezytylenu, który tworzy się z
acetonu pod wpływem stężonego kwasu siarkowego.
4.2 Mieszane (krzyżowe) reakcje kondensacji aldolowej
W reakcji kondensacji aldolowej dwóch różnych aldehydów, np. etanalu i propanalu powstaną
cztery produkty dimeryzacji: dwa w wyniku połączenia się wzajemnego 2 takich samych
czÄ…steczek (etanal + etanal) i (propanal + propanal) oraz dwa jako efekt dimeryzacji mieszanej:
(etanal + propanal) i (propanal + etanal).
OH
OH
CH3CH2CHCHCHO +
+
CH3CHCH2CHO
CH3
CH3CHO
3-hydroksybutanal 3-hydroksy-2-metylopentanal
etanal
:B-
+
CH3CH2CHO
OH OH
+ CH3CHCHCHO
+ CH3CH2CHCH2CHO
propanal
CH3
3-hydroksy-2-metylobutanal 3-hydroksypentanal
Reakcja, w której powstają 4 różne produkty o podobnych właściwościach fizycznych i
chemicznych jest mało przydatna, nie tylko dlatego, że wydajności poszczególnych związków są
niskie, ale również z tego powodu, że trudno je rozdzielić. Syntezę chemiczną należy tak
prowadzić, żeby z maksymalnie wysoką wydajnością otrzymywać jeden czysty produkt.
Wobec tego wydawać się może, że mieszane kondensacje aldolowe są praktycznie
nieprzydatne. Jeżeli jednak w reakcji będzie brał udział jeden z substratów, który nie zawiera
atomu wodoru przy CÄ…, to teoretycznie powstanÄ… dwa produkty: autokondensat i mieszany. Jest
to sytuacja znacznie korzystniejsza. Ponadto tę reakcję można tak prowadzić, żeby zmniejszyć
wydajność autokondensatu, który w takiej reakcji jest produktem ubocznym (niepożądanym).
Założony cel osiągną się przez wkraplanie substratu zawierającego Hą (A) do alkalicznego
środowiska reakcji, w którym znajduje się składnik bez Hą (B). W ten sposób substrat A dopiero
w środowisku zasadowym może autokondesować, spotyka jest jednak ze znacznym nadmiarem
składnika B i wobec tego powstaje głównie produkt mieszany (A + B, a nie A + A). Dodatkowo
należy tak dobierać reagenty, żeby grupa karbonylowa składnika B była silniejszym elektrofilem
niż reagenta A, np. grupy karbonylowe benzaldehydu czy metanalu są silniejszymi elektrofilami
niż u większości innych aldehydów, nie wspominając o ketonach. Substrat A nazywany jest
często donorem (eletronów), a B akceptorem.
Z benzaldehydu i etanalu otrzymuje się w ten sposób aldehyd cynamonowy (główny składnik
aromatu cynamonu), a z benzaldehydu i propanalu powstaje aldehyd Ä…-metylocynamonowy.
24
O
O
O
NaOH
CCH
CH
CH
CH3CH2CH
+
CH3
10oC
benzaldehyd B propanal A aldehyd Ä…-metylocynamonowy (80%)
(akceptor) (donor)
Zadanie: wyjaśnij dlaczego należy roztwór propanalu wkraplać do intensywnie mieszanego roztworu benzaldehydu
w środowisku zasadowym, a nie odwrotnie.
Jako inny przykład krzyżowej kondensacji aldolowej służy reakcja benzaldehydu z ketonem, np.
metylocykloheksanonem.
O
CHO O
CH3
CH3 NaOEt
+
- HOH
benzaldehyd 2-metylocyloheksanon 2-benzylideno-6-metylocykloheksanon (78%)
W reakcji benzaldehydu z acetonem powstaje benzylidenoaceton. Reakcja biegnie szybko z
dobra wydajnością.
O
NaOH
O
CH CHCCH3
CHO
C - HOH benzylidenoaceton
+
CH3
H3C
(77%)
beznaldehyd aceton
Benzylidenoaceton można przekształcić w dibenzylidenoaceton przez traktowanie go kolejną
porcjÄ… benzaldehydu.
O O O
NaOH
(77%)
CH CHCCH3 + CH CHCCH=CH
HC
- HOH
benzylidenoaceton dibenzylidenoaceton
benzaldehyd
Akceptorem często wykorzystywanym w krzyżowej kondensacji aldolowej jest metanal. W
reakcji metanalu z etanalem powstaje produkt addycji trzech czÄ…steczek metanalu do etanalu,
który ulega spontanicznej redukcji nadmiarem metanalu do polialkoholu zwanego
pentaerytrytolem. Jest on używany jako preparat w leczeniu zaparć, a jego ester z kwasem
azotowym  tetraazotan pentaerytrytolu  podobnie jak nitrogliceryna rozszerza naczynia
wieńcowe i stosuje się go leczniczo oraz zapobiegawczo w przypadku dusznicy bolesnej. Działa
dłużej niż nitrogliceryna. Tetraazotan pentaerytrytolu również jak nitrogliceryna jest silnym
materiałem wybuchowym.
CHO
O CHO
- HCOOH
Ca(OH)2
HO OH
C
3 HCH + C
HO OH
H HOCH2 CH2OH HCHO
H
krzyżowa reakcja
H (55%)
CH2OH
Cannizzaro
pentaerytrytol
(trihydroksymetylo)etanal
metanal etanal
Wysoką wydajność jednego tylko produktu w krzyżowych kondensacjach aldolowych zapewnia
użycie jako donora związku posiadającego bardziej kwaśne atomy wodoru niż Hą
aldehydów i ketonów. Do takich związków należy, np. acetylooctan etylu. Dwie grupy
25
karbonylowe mocniej uaktywniają atomy wodoru, które przez to łatwiej ulegają oderwaniu
tworząc karboanion przyłączający się do grupy karbonylowej akceptora.
O O
O
O
O
OEt
NaOEt
+ CH3CCH2COEt
- HOH
acetylooctan etylu
cykloheksan (akceptor) (donor) cykloheksylidenoacetylooctan etylu (80%)
4.3 WewnÄ…trzczÄ…steczkowa kondensacja aldolowa  reakcje cyklizacji
Cząsteczki zawierające grupę akceptorową i donorową mogą ulegać wewnątrzcząsteczkowej
kondensacji aldolowej w wyniku, czego dochodzi do cyklizacji. W tego typu reakcjach biorÄ…
udział dialdehydy i diketony (także oksoaldehydy); najłatwiej kondensuję te, w których grupy
karbonylowe oddalone są od siebie tak, żeby powstawały pięcio- lub sześcioczłonowe
pierścienie. Z 1,4-diketonu tworzy się pochodna cyklopentanonu.
O
O
heksano-
CH3 NaOH
3-metylocyklopent-2-enon
-2,5-dion
(40%)
CH3 - HOH
O
Z 1,5-ketonu powstanie pochodna cykloheksanonu.
O O
NaOH
heptano- 3-metylocyklo-
CH3
2,6-dion heks-2-enon (44%)
CH3 - HOH
O
Natomiast z 6-oksoheptanalu otrzymuje się głównie pochodną cyklopetanonu pomimo tego, że
odległość pomiędzy grupami karbonylowymi jest taka sama jak w hepta-2,6-dionie. Jest to
spowodowane tym, że lepszym akceptorem jest grupa aldehydowa, zaś atomy wodoru przy C5 są
bardziej kwaśne niż przy C7.
O
O O
NaOH
CH3CCH2CH2CH2CH2CH CCH3
- HOH
6-oksoheptanal keton 1-cyklopentenylowometylowy (73%)
Mechanizm reakcji:
..
:
O
O O
O
-
CH3CCHCH2CH2CH2CH CH3CCHCH2CH2CH2CH
..
-
OH
H
6-oksoheptanal
..
.. -
:OH :O:
O O O
HOH
CCH3 CCH3
CCH3 -
OH
H
keton 1-cyklopentenylowo-metylowy
Aktywność elektronoakceptorowa ketonowej grupy karbonylowej w stosunku do aldehydowej
jest zmniejszona w wyniku elektrodonorowego oddziaływania dwóch reszt alkilowych:
O
O
R C R' R C H
w ketonach w aldehydach
26
4.4 Addycja nukleofilowa do Ä…,²-nienasyconych aldehydów i ketonów
Przyłączenie nukleofila do karbonylowego atomu węgla sprzężonych enonów nie zawsze
prowadzi do addycji 1,2. Może nastąpić addycja 1,4. Kierunek reakcji w dużej mierze zależy
od właściwości nukleofilowo-zasadowych odczynnika nukleofilowego.
Grupa karbonylowa jest spolaryzowana, przy czym częściowy ładunek dodatni jest
zlokalizowany przy atomie C i w to miejsce skierowany jest atak nukleofila  :Nu-. W alkenach
i enonach izolowanych znajduje się podwójne wiązanie C=C, które ma powinowactwo do
elektrofila E+.
- ..
O
´- : : : :
O
C C
+
´+
C
C
E+
:Nu-
Natomiast enonach sprzężonych na skutek oddziaływania elektronów Ą obu podwójnych wiązań
(C=C i C=O) dochodzi do polaryzacji cząsteczki i utworzenia częściowego ładunku dodatniego
na atomie węgla C4, który tym samym staje się podatny na oddziaływanie odczynnika
nukleofilowego :Nu-.
:Nu-
- ..
brak reakcji .. -
:O :
: :
O
:Nu- :O:
C
C
C C C
C
C C
C
+
C
C
E+ +
Nu
C C
alken
sprzężony enon
E
Mechanizm addycji 1,2 i 1,4:
1 addycja
1
..
1 1,2
..
´- : :
O - :
OH
: :
O
4
4
+ 2
2
3 H/HOH
´+
3
C 4
C
C
2 C
3
C
C
:Nu- C C C
Nu
Nu
nienasycony alkohol
1
..
1
-
..
: :
: : O
O
-
: :
O +
H/HOH 4
4
+
3
3 4
C
C C
C 3
C
2
C :Nu- C C C
2
2
Nu
H
Nu
aldehyd lub keton
addycja
1,4
Silnie zasadowe odczynniki nukleofilowe, np. związki Grignarda przyłączają się głównie w
sposób 1,2.
27
O
+
H/HOH
THF
CH3CH=CHCCH3 + CH3MgBr
pent-3-en-2-on bromek metylomagnezowy
OH
O
CH3CH=CHCCH3 + CH3CHCH2CCH3
CH3
CH3
3-metylopent-2-en-3-ol (72%) 4-metylopent-2-on (20%)
addycja 1,2 addycja 1,4
Mechanizm reakcji addycji 1,2 związków Grignarda:
.. ..
.. ´+
: :
O MgX OH
´-:O MgX
HX
C C C C C C
C C C
R
R - MgX2
´-
´+ R
addycja 1,2
Mechanizm reakcji addycji 1,4 związków Grignarda:
..
.. .. ..
´+
: : :
O
O MgX O H
O:
MgX
C HX
C C C
R
´- R - MgX2 R R
C
C C C
C
C C C
H
sprzężony enon enol aldehyd lub keton
addycja 1,4
Mniej zasadowe nukleofile, np. odczynniki Gilmana przyłączają się prawie wyłącznie w sposób
1,4.
Otrzymywanie odczynników Gilmana:
pentan CuI
Li+(-R-Cu-R) + LiI
R Li
R X + 2 Li
eter
- LiX
halogenek alkilu alkilolit dialkilomiedzian litu (odczynnik Gilmana)
Za pomocą dimetylomiedzianu litu można wprowadzić grupę metylową do łańcucha węglowego
sprzężonego enonu:
O
O
+H/HOH
CH3CCH2CH2CH3
CH3CCH=CH2 + Li(CH3)2Cu
but-1-en-3-on dimetylomiedzian litu pentan-2-on (97%)
Tym sposobem przyłącza się również reszty nienasycone lub aromatyczne:
O
O
(65%)
+H/HOH
Li(H2C=CH)2Cu
+
CH=CH2
cykloheks-2-enon diwinylomiedzian litu 3-winylocykloheksanon
28
O O
(70%)
+H/HOH
Li(C6H5)2Cu
+
cykloheks-2-enon difenylomiedzian litu 3-fenylocykloheksanon
Odczynniki Gilmana stanowią wyjątek pośród związków metaloorganicznych, np. butylolit i
inne alkilolity jako silnie zasadowe ulegajÄ… addycji 1,2.
O
cykloheks-2-enon
1. CH3MgBr
1. CH3Li
1. Li(CH3)2Cu
2. +H/HOH
2. +H/HOH
2. +H/HOH
O
HO CH3
HO CH3
CH3
1-metylocykloheks-2-enon 3-metylocykloheksanon
Do grupy nukleofili, które do sprzężonych enonów przyłączają się w sposób 1,4 należy jon
cyjankowy. Jest on silnym nukleofilem o umiarkowanej zasadowości.
O
O
1. CN-
CHCH2 C
CH=CH C
1. H+
CN
keton fenylowo-(2-fenylowinylowy) 3-cyjano-1,3-difenylo-3-oksopropan (95%)
Także karboaniony powstałe z C-kwasów są silnymi nukleofilami i przyłączają się zwykle w
sposób 1,4. Wykorzystując je można przeprowadzać skomplikowane syntezy.
O
O
O
O (65%)
O
O
CH3 -
OH/MeOH -
CH3 -
OH/MeOH
CH3
-.. CH2=CHCCH3
OH
CH2
H
CH2
- HOH
MeOH
O
O
O
O
O
OH
karboanion C
O
H3C
2-metylocyklo-
5,6-didehydro-1,7-diokso-
heksa-1,3-dion
-10-metylodekalina
5. Azotowe pochodne aldehydów i ketonów
Aldehydy i ketony reagują z aminami i ich analogami tworząc pochodne, których budowa zależy
od rzędowości amin. Z aminami 1o powstają iminy (aldiminy lub ketiminy) zwane zasadami
Schiffa, podczas gdy z aminami 2o tworzą się enaminy (grupa aminowa przyłączona do C=C).
Reakcja jest katalizowana kwasami, jednak środowisko silnie kwaśnie nie sprzyja reakcji;
optymalne pH wynosi ~ 4.
29
O
H
C
aldehyd
C
lub keton
..
..
R-NH2 R2NH
R R
..
R
:
N
N
+ HOH
H
+ HOH
C
C
C
C
imina (aldimina lub ketimina) enamina
Mechanizm addycji amin 1o
..
.. ..+H
..
-
H
..
:OH
:O + Y
:O H2N-Y :
O H Y
+
H
- HOH - H+
:
N
N
..
..
+ C
C
C C
NH C
NH2 NH
C
aldehyd
Y
Y Y
lub keton zasad Schiffa
aminoalkohol
(karbinoloamina)
W zależności od reszty Y przyłączonej do grupy aminowe otrzymuje się szereg azotowych
pochodnych aldehydów i ketonów :NH2-Y.
Y: wzór nazwa Y: wzór nazwa
H
NH
-NH-
-H C N aldimina lub ketimina
C N
..
..
fenylohydrazon
R zasada Schiff
C N
-R (alkil, aryl)
.. (imina)
NH NO2
-NH- NO2
C N
OH ..
-OH oksym
N
C O2N
O2N
2,4-dinitrofenylohydrazon
O
O
NH2 hydrazon
-NH2
C N
NH C NH2
..
-NH-C-NH2
C N
..
semikarbazon
Jedną z najbardziej znanych imin jest benzylidenoanilina, preparat, który prawie każdy student
wydziału chemicznego zamodzielnie syntezuje w trakcie zajęć laboratoryjnych z chemii
organicznej, ponieważ jest on niezwykle łatwy w wykonaniu  miesza się ze sobą oba substraty i
krystalizuje produkt.
CHO H2N CH N
+
- HOH
benzaldehyd anilina benzylidenoanilina (84%)
30
Duże znaczenie pośród azotowych pochodnych ketonów ma oksym cykloheksanonu. Z niego po
przeształceniu w kaprolaktam (przegrupowanie Hofmanna) wytwarzana jest lizyna, służy także
jako monomer w przemyśle włókien syntetycznych. Oksym cykloheksanonu otrzymuje się w
reakcji cykloheksanonu z chlorowodorkiem hydroksyloaminy w obecności octanu sodu (buforu
obniżającego pH).
..
NaAc N
O OH
+ H2NOH.HCl
cykloheksanon chlorowodorek hydroksyloaminy oksym cykloheksanonu (87%)
Oksymy i innego podobne związki zawierające układ =N- tworzą stereoizomery typu cis-/trans-
zwane syn- i anti-.
..
HO
.. OH
N
N
syn anti
C
C
H
H
stereoizomery oksymu benzaldehydu
Takie pochodne aldehydów i ketonów, jak oksymy, fenylohydrazony, 2,4-
dinitrofenylohydrazony i semikarbazony wykorzystuje się do charakteryzowania związków
karbonylowych. Są one zwykle krystaliczne i dzięki temu po specyficznych temperaturach
topnienia można zidentyfikować aldehydy i ketony, z których powstały. Ten sposób identyfikacji
stracił obecnie na znaczeniu, z uwagi na powszechne stosowanie metod spektralnych, szczególnie
użytecznego do tego celu NMR.
Przykłady krystalicznych pochodnych ciekłych związków karbonylowych:
NH2
NH
H NO2
H
C
OH
N
NH
N
C N
N O
N C
H
C
NO2
C
H3C H
CH3
H3C
oksym etanalu fenylohydrazon benzaldehydu 2,4-dinitrofenylohydrazon semikarbazon
(tt. 47oC) (tt. 158oC) acetonu (tt. 126oC) benzaldehydu (tt. 222oC)
Mechanizm addycji 2o amin do związków karbonylowych
.. -
..
.. R R
+ R
+:OH R
..
:
:
: : O
O +
:
OH
H
2 N - +H/HOH
- HOH N
..
H
C H
H
C H C
C
C
R2NH ..
+
C
C
C
C
C
+ HOH C
.. C
R2N R2N
R2N
..
..
H
H
enamina
Często do otrzymywania enamin używa się 2o amin cyklicznych, np. pirolidyny.
- HOH
N:
O + :
HN
cykloheksanon pirolidyna pirolidynowa enamina cykloheksanonu
6. Redukcja Wolffa-Kiżnera
Grupę karbonylową można zredukować do CH2. Służy do tego redukcja Wolffa-Kiżnera.
31
Ludwig Wolff (1857-1919); ur. w Neustadt/Hardt (Niemcy), doktorat w Strasburgu, Francja, u Fittiga; prof. Uniw.
w Jenie.
N. M. Kiżner (1867-1935); ur. w Moskwie; doktorat w Moskwie u Markownikowa; prof. w Tomsku i w Moskwie.
Reakcja addycji hydrazyny do grupy karbonylowej jest wykorzystywana do redukcji tej grupy
do -CH2-, czyli przekształcania związku karbonylowego w węglowodór; nosi ona nazwę
redukcji Wolffa-Kiżnera. Polega ona na ogrzewaniu aldehydu lub ketonu z hydrazyną w
obecności KOH w temperaturze 240oC. Pośrednio powstaje fenylohydrazon. Póz
niejsza
modyfikacja polegająca na zastosowaniu DMSO jako rozpuszczalnika pozwoliła na znaczne
obniżenie temperatury reakcji. Redukcja Wolffa-Kiznera jest alternatywnym redukcji grupy
karbonylowej do metody Clemmensena (za pomocą amalgamatu rtęci).
O
H2NNH2/KOH CH2CH2CH3
C
CH2CH3 DMSO
+ HOH + N2
propiofenon propylobenzen (keton etylowo-fenylowy) (82%)
7. Reakcja haloformowa
Ketony metylowe i acetaldehyd rozpadają się w środowisku zasadowym pod wpływem
halogenów; wydziela się przy tym haloform (CHX3), a z reszty tworzy się sól kwasu
karboksylowego.
O
O
-
-
OH
COO
X2
C
C
CX3
CH3 -
+ CHX3
OH
acetofenon trihalogenoacetofenon benzoesan haloform
Ketony metylowe ulegają w środowisku zasadowym halogenowaniu pod wpływem jodu, bromu
lub chloru. Reakcja nie zatrzymuje się na monohalogenowaniu, ale biegnie dalej aż do
podstawienia wszystkich atomów wodoru grupy metylowej. Taki trihalogenometylowy keton
jest nietrwały w obecności zasad i rozpada się na haloform oraz jon karboksylanowy:
..
..
-
O
: : : : : :O:
: : O O Br :O:
O
H
Br2
Br2
Br2 :B-
-
- -
:B-
C COO + CHBr3
R
C CH2 C CH2 C CH2 + Br C CBr3
C CH2 R R R R
R
:B- :B-
jon enolanowy jon
chloroform
karboksylanowy
Podobnej reakcji ulegajÄ… 2o alkohole zawierajÄ…ce grupÄ™ CH3 przy hydroksylowanym atomie
węgla. Tego typu alkohole łatwo utleniają się pod wpływem halogenu do metylowego ketonu:
O
OH
X2
RCHCH3 - HX RCCH3
2o alkohol zawierajÄ…cy grupÄ™ CH3 keton metylowy
przy hydroksylowanym atomie C
Działanie jodem na ketony metylowe, acetaldehyd i 2o alkohole zawierające grupę CH3 przy
hydroksylowanym atomie C, służy jako test do wykrywania tego typu ugrupowań:
OH
O
i
-CHCH3
-CCH3
32
Po dodaniu jodu do zasadowego roztworu takich związków wypada jodoform w formie żółtych
kłaczków. Test ten nosi nazwę reakcji jodoformowej.
I2
O
-
+ CHI3 jodoform
-COO
-CCH3 -OH
8. Kondensacja pinakolinowa
Pinakolanami nazywane sÄ… wicynalne glikole zawierajÄ…ce grupy hydroksylowe przy 3o atomach
węgla, przy czym najprostszy z nich, czyli 2,3-dimetylo-2,3-dihydroksybutan nosi nazwę
pinakolu. Pinakole powstają w środowisku aprotonowym w wyniku dimeryzacji ketonów pod
wpływem reaktywnych metali. W obecności donorów protonów metale te redukują ketony do
alkoholi. Pierwszy etapem reakcji w obu przypadkach jest utworzenie anionorodnika (ketylu) w
procesie przeniesienia pojedynczego elektronu (SET, ang. single electron transfer).
.. -
: :
O : :
O
anionorodnik
SET
(ketyl)
C R' + Mo
R C R'
R
.
Dalsze etapy reakcji zależą od środowiska:
A. W środowisku protonowym anionorodnik przyłącza proton i przekształca się w rodnik,
który ponownie w reakcji SET pobiera elektron od atomu metalu przechodząc w anion.
Z anionu po kolejnym protonowaniu tworzy siÄ™ alkohol.
B. Zaś w środowisku aprotonowym anionorodnik dimeryzuje tworząc dianion
(alkoholan), z którego po zakwaszeniu powstaje pinakol.
..
-
: :
O
anionorodnik
(ketyl)
C
R R'
.
A
B
środowisko
H+ środowisko
protonowe
aprotonowe
..
R'
:
OH
..
-
C O
anionorodnik R
rodnik
C R' . ..:
R
.
+
.
..
-
C O
anionorodnik R
..:
SET Mo
R'
..
:
OH
-
anion
C
R R' R'
..
-
..
C O
R
H+ ..:
..
alkoholan
..
C O-
R
..:
:
OH
R'
C
R R'
H+
H
R' R'
alkohol
R C C R
pinakol OH
HO
33
Dowodem na to, że w reakcji kondensacji pinakolinowej pośrednio powstaje anionorodnik jest
zmiana barwy roztworu, w którym zachodzi reakcja. Zarówno substrat  keton, jak i produkt 
pinakol sÄ… bezbarwne, natomiast w trakcie reakcji pojawia siÄ™ intensywnie niebieskie (lub
fioletowe) zabarwienie, typowe dla anionorodników.
.. -
K+
:O
:
:O:
K
C
C
. C C
+
THF
H
HO OH
benzofenon
ketyl benzofenonu
intensywnie
bezbarwny
benzopinakol bezbarwny
niebieski
Pinakol, czyli 2,3-dimetylobutano-2,3-diol jest najczęściej otrzymywanym pinakolem.
Otrzymuje się z bardzo dobrą wydajnością w reakcji acetonu z magnezem; krystalizuje w postaci
hydratu.
.. -
:
O:
:O
:
CH3 CH3
C CH3 2+ CH3 CH3
H3C
. +
Mg
H
H3C C CH3
2
. Mg H3C C C CH3 H3C C C CH3. 6 HOH
benzen
C CH3
H3C
:.. : :O HOH HO OH
aceton O
..:
- -
:
O:
..
-
hydrat pinakonu 95%
9. Addycja wodorosiarczanu (IV)  połączenia bisulfitowe
Wodorosiarczany (IV) przyłączają się do grupy karbonylowej aldehydów i niektórych ketonów
(nie zawierających objętościowo dużych podstawników) tworząc krystaliczne, trudno
rozpuszczalne w wodzie sole kwasów ą-hydroksysulfonowych, zwane połączeniami
bisulfitowymi.
OH
O
+ - połączenie bisulfitowe
aldehyd lub
- +
+ C SO3 Na
Na HSO3
C
keton (Ä…-hydroksysulfonian sodu)
Z połączeń bisulfitowych łatwo odtwarza się wyjściowe związki karbonylowe. Ulegają one
rozkładowi pod wpływem kwasów lub zasad. Połączenia bisulfitowe służą często do
wyodrębniania związków karbonylowych z mieszanin (ze środowiska reakcji) lub do usuwania
ich resztek, kiedy były użyte jako substraty.
O
SO2 + HOH
+
C
+
H
OH
-
C SO3
O
-
OH
+ SO3-2 + HOH
C
10. Reakcja Wittiga
Georg Wittig (1897-1987), ur. w Berlinie; doktorat w Marburgu u von Auwersa; prof. uniwersytetów we Freiburgu,
Tybindze i Heiderbergu; laureat nagrody Nobla w 1979 r.
Reakcja Wittiga służy do otrzymywania alkenów z aldehydów lub ketonów. Kluczowym
reagentem w tej reakcji sÄ… ylidy  specyficzne pochodne trifenylofosfiny.
34
..
P
trifenylofosfina
Trifenylofosfina ulega Å‚atwo alkilowaniu do 4o soli fosfoniowej.
SN2 +
Ph3P: + CH3 Br Ph3P CH3 -
Br
trifenylo- bromek
bromek trifenylometylofosfoniowy
fosfina metylu
4o sole fosfoniowe, np. bromek trifenylometylofosfoniowy pod wpływem silnych zasad
przekształca się w betainę, będącą izomeryczną formą ylidu. Zasada odrywa z halogeneku
trifenyloalkilofosfoniowego kwaśny atom wodoru znajdujący się przy Cą w stosunku do atomu
fosforu.
BuLi
..
+ +
Ph3P CH2 Ph3P CH2
Ph3P CH2 H
-
-
Br
ylid
betaina
bromek
trifenylometylofosfoniowy
Betaina tym różni się od ylidu, że w betainie rozdzielone są ładunki. Obie te formy są
odmianami mezomerycznymi tego samego zwiÄ…zku.
Ylid reaguje ze związkami karbonylowymi tworząc nietrwały addukt, który się rozpada na alken i
tlenek trifenylofosfiny.
+
Ph3P CH2
+
..
H2C C
CH2
CH2 Ph3P -
Ph3P
.. :
O C
.. - Ph3P=O
C O: -
alken
ylid
tlenek trifenylofosfiny
Reakcja Wittiga, pośród wielu metod otrzymywania alkenów, należy do najbardziej
selektywnych, szczególnie gdy produktem ma być związek o rozbudowanym szkielecie
węglowym.
Z aldehydów lub ketonów można trzymać alkeny również innym sposobem: poprzez ich reakcję
ze związkami Grignarda, a następnie dehydratację otrzymanych alkoholi pod wpływem POCl3,
jednak produktem jest zwykle mieszanina izomerów.
CH2
CH3
1. CH3MgBr
+
O
2. POCl3
metyleno-
1-metylocykloheksen
cykloheksen
CH2
Ph3P=CH2
metylenocykloheksen
(84%)
35
O efektywności reakcji Wittiga świadczy to, że znalazła ona zastosowanie przemysłowe, np. do
wytwarzania ²-karotenu (prowitaminy A).
O
CH HC
+
PPh3 ylid retinylideno-
retinal
trifenylofosfoniowy
reakcja
Wittiga
²-karoten
11. Tautomeria keto-enolowa
Związki karbonylowe zawierające atom wodoru w położeniu ą ulegają tautomerii, przemianie
polegającej na przemieszczaniu się Hą pomiędzy atomami O"!C. W większości przypadków
równowaga jest przesunięta w kierunku grupy karbonylowej (na lewo):
..
..
:O H
O: R
H
C
C C C
R
R''
R''
R'
R'
Zjawisko przejścia atomu wodoru (przegrupowanie H) w obrębie tej samej cząsteczki nazywane
jest tautomerią (grec. tauto  takie samo, meros  część). Poszczególne izomery tautomeryczne
nazywane są tautomerami. Tautomeria jest związana z mezomerią. Etapem pośrednim
tautomeryzacji jest jon enolanowy, a powstajÄ…cy tautomer jest enolem.
Nazwa enol pochodzi od połączenia końcówek dwóch grup funkcyjnych  en (od alkenu) i  ol
(od alkoholu) i oznacza, że grupa -OH jest przyłączona do atomu węgla tworzącego podwójne
wiÄ…zanie (tzn. o hybrydyzacji sp2).
..
- ..
..
:O:
:
O H
R
O: - H+ R + H+
R
forma
C C C
C
enol
C
C
R' + H+ - H+
karbonylowa
R' R'' R' R''
R''
H
jon enolanowy
W środowisku obojętnym tautomeria jest reakcją wolną, natomiast w obecności zarówno
kwasów jak i zasad jej szybkość znacznie wzrasta.
Kataliza kwasowa:
.. .. ..
.. +
: :
O H O H
H
+
O: H H O H
H - +H
C
C C C C C
C C
+
forma enolowa
forma ketonowa
Kataliza zasadowa:
..
..
..
.. -
:
O H
O: : - +H
H O: -OH O:
C C
C C
C C C C
-
- HOH
forma enolowa
forma ketonowa
36
Aldehydy i ketony, chociaż występuję w obu formach (ketonowej i enolowej) to najczęściej
równowaga jest zdecydowanie przesunięta w kierunku grupy karbonylowej. Znane są jednak
związki, w których forma enolowa przeważa, należy do nich fenol, a także 1,3-diony.
Równowaga tautomeryczna przykładowych związków
forma ketonowa forma enolowa
OH
O
aldehyd
CH3CH CH2 CH
octowy
<0,001%
99,99%
OH
O
aceton H2C CCH3
CH3CCH3
<0,0001%
99,999%
OH
O
cykloheksanon
1,2%
98,8%
OH
O
fenol
99,999%
<0,001%
OH O
O O
penta-2,4-dion CH3C=CHCCH3
CH3CCHCCH3
76%
24%
Aromatyczność cząsteczki fenolu jest przyczyną jej stabilności; przeważa forma enolowa,
ponieważ fenol ma niższą energię potencjalną niż tautomerczny keton.
W przypadku 1,3-dionów wiązanie wodorowe H& O& H w formie enolowej obniża energię
czÄ…steczki.
..
..
H H
O: O: O: O:
O: O: : :
: : :
H3C CH3 H3C
H3C CH3 CH3
H H
H H
forma ketonowa forma enolowa
penta-2,4-dion
Z powodu tautomerii dochodzi czasami do nieoczekiwanych, a nawet zaskakujÄ…cych przemian.
Przykładem może być racemizacja (przemiana enancjomeru w racemat) optycznie czynnych
związków karbonylowych.
O
Et
O
O Et
Et
-
OH
C C Ph
C C +
Ph
C C Ph
lub +H
H
Me Me
Me
H
H
keton (+)-sec-butylowo-fenylowy keton (Ä…)-sec-butylowo-fenylowy
37
Przyczyną tej racemizacji jest tworząca się przejściowo, pozbawiona chiralnego atomu węgla
forma enolowa. W trakcie odtworzania grupy karbonylowej -C=O dochodzi do powstanie takiej
samej ilości izomeru (+) jak i (-), czyli racematu.
Zadanie: napisz wzory mezomeryczne jonu enolanowego powstałego z ketonu sec-butylowo-fenylowego.
Dzięki tautomerii można wprowadzać izotopy wodoru w położenie ą do grupy karbonylowej.
H3C O
H3C O
+
D/DOD
CH3CH2CC
CH3CH2CC
lub -OD/DOD
H
D
1-fenylo-2-metylobutan-1-on 2-deutero-1-fenylo-2-metylobutan-1-on
Zadanie: przedstaw mechanizm ą deuterowania związków karbonylowych.
Stosunkowo łatwa wymiana protonu przy Cą na deuteron (lub tryton) jest możliwa dzięki
stosunkowo dużej wartości pKa (kwasowości) atomu wodoru w tej pozycji  pKa przy Cą
wynosi 19-20, podczas gdy przy C² jedynie 40-50.
O
Ä… ²
R C C C
H H
19-20 40-50
pKa
Ä™! Ä™!
kwasowy atom H niekwasowy alifatyczny atom H
1o i 2o nitrozwiązki też ulegają tautomerii, tworząc przy tym stosunkowo silne kwasy.
Nitrozwiązki w formie tautomerycznej noszą nazwę aci-nitropochodnych. Stała kwasowa Hą dla
nitrometanu wynosi 6,1.10-11, podczas gdy jego formy aci  5,6.10-4. Roztwór nitrometanu nie
daje odczynu kwaśnego wobec papierka uniwersalnego, natomiast nitrometan w formie aci
zabarwia ten papierek podobnie jak kwas octowy. W nitrozwiązkach w środowisku obojętnym
równowaga przesunięta jest w kierunku formy nitrowej; w nitrometanie formy aci jest jedynie
około 0,00001%, w nitroetanie 0,009%, a w 2-nitropropanie 0,3%.
..
..
H
:O
: H
O
C
C N R N
R ..
..
-
-
+
+
O
O
..:
..:
forma nitro forma aci
W obecności zasad nitrozwiązki wolno tworzą rozpuszczalne w wodzie sole formy aci. Sole te
pod wpływem mocnych kwasów szybko zostają przekształcane w nietrwałe kwasy  aci-
nitrozwiązki. Po ponownym zalkalizowaniu świeżo otrzymanych aci-nitrozwiązków powstają z
nich sole tak szybko, jak z kwasów mineralnych. Aci-nitrozwiązki z ciągu kilku godzin
samorzutnie przechodzÄ… w formÄ™ nitro.
38
kilka godzin
..
.. :O H
.. - +
H
szybko
H+
:
O :
O CH
Na
N
..
-
NaOH
CH +
N CH
N
..
.. O
-
-
..:
+
+
O O
..: wolno
..: NaOH szybko
fenylonitrometan
fenylonitrometan
forma nitro ciecz, tw. 226oC
forma aci ciało stałe, tt. 84oC
Większość nitrozwiązków w formie aci jest tak nietrwała, że trudno je wyizolować w postaci
indywiduów chemicznych. Fenylonitrometan należy do tych nitrozwiązków, które są trwałe przez
kilka godzin, co wystarcza, żeby je wyodrębnić i scharakteryzować.
Aci-nitropochodne są silniejszymi kwasami niż kwas węglowy i rozpuszczają się w roztworach
węglanu sodu czy potasu, natomiast nitrozwiązki w formie nitro nie rozpuszczają się w
roztworach węglanów. Aci-nitrozwiązków pod wpływem roztworu chlorku żelaza (III) przyjmują
czerwone zabarwienie, podobnie jak enole i fenole.
Fenole sÄ… przykÅ‚adem trwaÅ‚ych enoli. Do trwaÅ‚ych enoli należą również 1,3-diony, ²-
oksyaldehydy, ²-oksynitryle czy ²-oksyestry.
12. Polimeryzacja aldehydów
Aldehydy niskoczÄ…steczowe (metanal i etanal) ulegajÄ… cyklicznej oligomeryzacji lub liniowej
polimeryzacji. TworzÄ… siÄ™ przy tym produkty zawierajÄ…ce wiÄ…zania acetalowe. Aldehydy
aromatyczne zawierające grupę karbonylową przy pierścieniu nie ulegają polimeryzacji.
Tendencja do polimeryzacji aldehydów alifatycznych zmniejsza się wraz ze wzrostem ich masy
czÄ…steczkowej.
Metanal jest trwały w stanie gazowym. Ślady wody i wiele innych zanieczyszczeń powodują jego
szybkÄ… polimeryzacjÄ™. W roztworach wodnych polimeryzacja jest wolniejsza, ale widoczny
osad (polimer metanalu) na dnie formaliny (wodnego roztworu metanalu) świadczy, że
polimeryzacja ma miejsce. Można ją przyspieszyć. Katalitycznie działają zarówno kwasy, jak i
zasady. Z wodnego roztworu metanalu pod wpływem wodorotlenków alkalicznych powstaje ą-
polioksymetylen.
+
H lub -OH
(n + 2) HCHO + HOH
HOCH2(OCH2)nOCH2OH
metanal polioksymetylen
Pod wpÅ‚ywem stężonego kwasu siarkowego wytrÄ…ca siÄ™ ²-polioksymetylen, a paraformaldehyd
tworzy się w trakcie odparowywania pod obniżonym ciśnieniem wodnych roztworów metanalu.
Wszystkie te trzy formy są liniowo spolimeryzowanym metanalem. Różnica polega na tym, że
stopień polimeryzacji n paraformaldehydu mieści się w granicach 10-50, zaś stopień
polimeryzacji polioksymetylenów jest wiÄ™kszy. ²-Polioksymetylen zawiera maÅ‚e iloÅ›ci kwasu
siarkowego związanego estrowo. Obecnie paraformaldehyd jest również zaliczany do
polioksymetylenów.
Paraformaldehyd jest produkowany na skalę przemysłową, stanowi bowiem dogodną formę
przechowywania i transportowania metanalu. Paraformaldehyd łatwo przekształcić w wolny
39
aldehyd, ponieważ depolimeryzuje on w temperaturze 140-160oC bezpośrednio do gazowego
produktu. Również w niektórych reakcjach zachowuje się jak wolny aldehyd.
Trioksan (trioksymetylen), cykliczny trimer metanalu powstaje w trakcie ogrzewania
paraformaldehydu (polioksymetylenu) z katalityczną ilością kwasu siarkowego w zamkniętym
naczyniu. Jest to w odróżnieniu od polimerów liniowych związek jednorodny i w odróżnieniu od
metanalu ma przyjemny zapach.
trioksan
H2SO4 O
HOCH2(OCH2)nOCH2OH
tt. 64oC
O O
polioksymetylen
Etanal i wyższe aldehydy przechowywane w stanie czystym, w szczelnie zamkniętym naczyniu są
trwałe  nie ulegają samorzutnej polimeryzacji. Jednak pod wpływem katalitycznych ilości
silnych kwasów etanal szybko trimeryzuje. Ten trimer nazywany jest paraacetaldehydem lub
krócej paraaldehydem (paraldehydem). Równocześnie powstaje tetramer zwany metaaldehydem
(metaldehydem).
H3C O CH3 H3C O CH3
+
H
O O
O O
3 CH3CHO +
O
CH3
CH3 H3C
etanal paraaldehyd metaaldehyd
(tw. 21oC, tt.  125oC) (tw. 124oC, tt. 10oC) (tt. 190oC, subl.)
Reakcja oligomeryzacji etanalu jest reakcją odwracalną, przy czym stan równowagi zależy od
temperatury; w temp. 50oC 40% aldehydu ulega oligomeryzacji. W niższych temperaturach
równowaga przesuwa się w kierunku oligomerów. Czysty paraaldehyd otrzymuje się przez
oddestylowanie go po zobojętnieniu mieszaniny równowagowej. Z pozostałości wydziela się
metaaldehyd. Dawniej metaaldehyd w formie kostek służył jako bezpieczne paliwo turystyczne.
Nie stwarzało ono tyle problemów, co np. benzyna w szklanych butelkach. Wadą metaaldehydu
jako paliwa jest jego niska wartość energetyczna, ponieważ jest w znacznym stopniu utleniony.
Obecnie metalowe butle z ciekłym gazem (propan/butan) są najpopularniejszym paliwem
turystycznym.
Z paraaldehydu po zakwaszeniu wydziela siÄ™ etanal. Jest to jedna z metod wprowadzania etanalu
jako reagenta do wielu syntez.
WieloczÄ…steczkowy, liniowy polimer etanalu powstaje poprzez polimeryzacjÄ™ etanalu wobec
tlenku glinu. Można go również otrzymać z zamrożonego do -120oC monomeru. Po jego
podgrzaniu do temperatury pokojowej otrzymuje się gęstą ciecz, która samorzutnie przekształca
się w stały produkt.
40