Oxovegyületek - Adehidek, Ketonok, Karbonsavak, Észterek (N)

Az oxovegyületeket két csoportra oszthatjuk aszerint, hogy a kettős kötésű oxigénatom - vagyis az OXOCSOPORT - láncvégi vagy láncközi szénatomhoz kapcsolódik-e. A láncvégi szénatomhoz kapcsolódó oxocsoportot tartalmazó vegyületek az ALDEHIDEK, a láncközi vagy gyűrűs szénatomhoz kapcsolódó oxocsoportot tartalmazók pedig a KETONOK.

Az aldehidekre a formilcsoport (aldehidcsoport) illetve a karbonilcsoport, a ketonokra a karbonilcsoport a jellemző, az oxocsoport pedig mindkettőre.

ALDEHIDEK

Funkciós csoport: FORMILCSOPORT (ls. előző ábra).

Elnevezés

• A szisztematikus elnevezés (szubsztitúciós nómenklatúra szabályai szerint) az alap szénhidrogénlánc neve + -al végződés {a formilcsoportokat alkotó szénatomok beleértendők a főláncba} (metanal, etanal, propanal stb.).
  
• Triviális név: formaldehid, acetaldehid, fahéjaldehid, glicerinaldehid, glioxál…
  
• Többértékű aldehidek esetén az aldehidcsoport számát a névben jelölni kell (bután-dial).
  
• Ciklusos aldehidek vagy nyílt láncú polialdehidek elnevezésénél a -karbaldehid utótagot használjuk. Ilyenkor a formilcsoportban szereplő szénatomokat NEM értjük bele a főláncba vagy a gyűrűs szénhidrogénbe (ciklohexán-karbaldehid; 1,3,5-pentántrikarbaldehid)!
  
• Ha a vegyületben másik, a felsorolásban előnyt élvező csoport van, a formilcsoportot a névben formil-előtaggal jelöljük (3-formil-benzoesav)
  
  
  

Homológsor: létezik. A telített, egyértékű aldehidek homológsorának összegképlete (nyílt lánc esetében): C_nH_2nO illetve CxH_2x+1-COH

Fizikai tulajdonságok

• Hidrogénkötés kialakításában akceptor.
• A legkisebb vegyület standard halmazállapota gáz: formaldehid.
• Olvadás- és forráspontjuk azonos - nem túl nagy - szénatomszám esetén az étereknél és az észtereknél magasabb  lévén erősebben dipólusosak, de nem éri el az alkoholok, fenolok, karbonsavakét (ezek hidrogénkötései erősebbek).
  
  - Nagy szénatomszám esetén a funkciós csoport hatása már elenyésző, ezért a nagy szénatomszámú vegyületek op.-ja jelentősen nem különbözik az azonos C-atomszámú szénhidrogénekétől.
  
• Vízoldékonyság a kisebb molekulák esetén jó (H-kötés létesítése!), de nem korlátlan [korlátlanul oldódik vízben a formaldehid és az acetaldehid]! A szénatomszám növekedésével nő az apoláros láncrészlet hossza, és ezért egyre rosszabbul oldódnak vízben.
• A kismolekulájú aldehidek szúrós szagúak.

Előállítási módszerek

Primer alkoholokból: 
(Ha nem desztillál át, karbonsavvá alakul.)

Karbonsav-kloriddal: 

Kémiai tulajdonságok

• Jellemző rájuk a nukleofil addíció (nukleofil reagens: elektrongazdag; kötetlen e-, esetleg ? töltésű)
• Sav-bázis jelleg: vizes oldatának kémhatása semleges.
• Oxidáció: karbonsavvá történik.
• Redukció: az esetek többségében - bár nem kizárólag - a karbonilcsoporton végbemenő addíció! Katalitikus hidrogénezéssel redukálhatók (Pt-katalizátor jelenlétében), amiH addícióját eredményezi a karbonilcsoportra, és a reakció során primer alkohol keletkezik.
• Oxo-enol tautoméria (ls. előző fejezet).
• Biológiailag fontos reakció az ezüsttükör próba:
  
  
  
  A reakciót nem adják olyan aldehidek, amelyekben a formilcsoport közvetlenül aromás gyűrűhöz kapcsolódik!!

Fontosabb aldehidek:

• Formaldehid (metanal)
  
• Acetaldehid (etanal)
  
• Akrolein (propénal) [Köztitermék az akrilsav propilénből kiinduló előállításánál]
  
  CH₂=CH-CHO
  
• Citrál (izoprénvázas "terpénaldehid")
  
• Retinal
  
• Glioxál (1,2-etándial) [Felhasználják műanyagok szintéziséhez]
  
  OHC-CHO
  
• Glicerinaldehid (biológiai funkció!)
  
  OHC-CHOH-CH₂OH

KETONOK

Funkciós csoport: KARBONILCSOPORT

Elnevezés

• A szubsztitúciós nómenklatúra szabályai szerint a ketonokat az -on illetve -keton utótag vagy az oxo- előtag beillesztésével nevezzük el az alapszénhidrogén nevéből kiindulva.
  
  CH₃-CO-CH₃  propanon v. dimetil-keton
  CH₃-CO-CH₂-CH₃  2-butanon v. etil-metil-keton
  CH₂=CH-CH₂-CO-CH₃  4-pentén-2-on v. allil-metil-keton
  
• A legegyszerűbb ketonnak, a propanonnak triviális neve is van: ACETON.
• A ciklikus ketonok elnevezésénél a ciklo- előtag alkalmazandó; illetve ha a molekulában elsőbbséget élvező csoport van (pl. karboxilcsoport), az oxo- előtag használandó:
  
  

Homológsor: létezik. A telített, egyértékű ketonok homológsorának összegképlete (nyílt lánc esetében): C_nH_2nO (n3)

Fizikai tulajdonságok

• Hidrogénkötés kialakításában akceptor.
• A legkisebb vegyület standard halmazállapota folyadék (C₃ miatt).
• Olvadás- és forráspontjuk azonos - nem túl nagy - szénatomszám esetén az étereknél és az észtereknél magasabb  lévén erősebben dipólusosak. Nagy szénatomszám esetén a funkciós csoport hatása már elenyésző, ezért a nagy szénatomszámú vegyületek op.-ja jelentősen nem különbözik az azonos C-atomszámú szénhidrogénekétől.
• Vízoldékonyság a kisebb molekulák esetén: az aceton korlátlanul, a 4-szénatomos már erősen korlátozottan oldódik.
• A kismolekulájú vegyületek jellegzetes, édeskés szagúak.

Előállítási módszerek

• Szekunder alkoholokból:
  
  
  
• Karbonsav-kloriddal:
  
  

Kémiai tulajdonságok

• Jellemző a nukleofil addíció.
• Sav-bázis tulajdonság: vizes oldatának kémhatása semleges.
• Oxidáció: csak erélyes körülmények esetén, lánchasadással következik be.
• Redukció: az esetek többségében - bár nem kizárólag - a karbonilcsoporton végbemenő addíció! Katalitikus hidrogénezéssel redukálhatók (Pt-katalizátor jelenlétében), amiH addícióját eredményezi a karbonilcsoportra, és a reakció során szekunder alkohol keletkezik. (Ha az oxovegyületek katalitikus hidrogénezését fölös ammónia jelenlétében, magasabb hőmérsékleten és nyomáson végzik, alkohol helyett primer amin képződik [ún. "reduktív aminálás"]
  
   

Fontosabb ketonok

• Aceton (propanon, dimetil-keton).
• Kámfor (izoprénvázas keton).
• 1,2-benzokinon (o-benzokinon)
• 1,4-benzokinon (p-benzokinon)
  

KARBONSAVAK ÉS ÉSZTEREK

Ha egy molekulán belül különböző kötésmódú oxigénatomok különböző szénatomhoz kapcsolódnak, akkor általában ugyanolyan sajátságokat hordoznak a vegyületek, mintha külön-külön volnának jelen. De ha a két különböző funkciós csoport azonos szénatomhoz kapcsolódik, olyan sajátságok lépnek fel, amelyek külön-külön egyik csoportra sem jellemzők. Ezért az ilyen molekula részleteket célszerű egyetlen egységnek, összetett funkciós csoportnak tekintenünk. Az azonos szénatomhoz kapcsolódó oxo- és hidroxilcsoportból felépülő összetett funkciós csoport a karboxilcsoport, az azonos szénatomhoz kapcsolódó oxo- és étercsoportból felépülő pedig azésztercsoport.

KARBONSAVAK

Funkciós csoport: KARBOXILCSOPORT  -COOH

Elnevezés

• Triviális név: benzoesav, ecetsav, citromsav stb.
  
• Régi rendszer: az alap szénhidrogénlácból képzi a nevet, amelyhez a -sav, illetve a -disav utótagot illeszti; a szénláncba a karboxilcsoport szénatomját beleszámolja, a szénatomokat görög betűvel jelöli úgy, hogy a karboxilcsoport melletti szénatom jele a, a mellette levő b, és így tovább:
  
  
  
• IUPAC nómenklatúra: az alap szénhidrogénlácból képzi a nevet, amelyhez a -sav, illetve a -disav utótagot illeszti; a szénláncba a karboxilcsoport szénatomját beleszámolja, a főlánc számozását a karboxilcsoport szénatomjával kezdi!
  
  
  
• Ha a nyíltláncú karbonsav három vagy annál több karboxilcsoportot tartalmaz, a vegyület nevét a -karbonsav utótaggal képezzük, ilyenkor a karboxilcsoportok szénatomjait NEM számoljuk bele a főláncba!
• A gyűrűs karbonsavak elnevezése is a -karbonsav utótaggal történik.
  

Homológsor: létezik. A telített, egyértékű karbonsavak homológsorának összegképlete (nyílt lánc esetében): C_nH_2nO2 v. Cx_2x+1-COOH

Csoportosítás

• Karboxilcsoportok száma szerint: mono-, di-, trikarbonsav stb.
• A szénhidrogénlánc minősége szerint
  
  

  alifás karbonsavak (nyílt láncú) alliciklikus karbonsavak (ciklohexán-karbonsav) telítetlen karbonsav (R-CH=CH-COOH) aromás karbonsav (C6H5-COOH  benzoesav)

  
  

Fizikai tulajdonságok

• Hidrogénkötés kialakításában donor és akceptor is lehet
• A legkisebb vegyület standard halmazállapota folyadék (HCOOH); a legkisebb dikarbonsav szilárd (HOOC-COOH)
• Olvadás- és forráspont (nem túl nagy szénatomszám esetén): magas (nagyfokú dimerizálódás!  H-kötés). A dikarbonsavak több molekulája asszociálódik, ezeknek még a dioloknál is magasabb az op.-ja. (Nagy szénatomszám esetén a funkciós csoport hatása már elenyésző, ezért a nagy szénatomszámú vegyületek op.-ja jelentősen nem különbözik az azonos C-atomszámú szénhidrogénekétől.)
• Vízoldékonyság a kisebb molekulák esetén: korlátlan (C₁-C₃); a dikarbonsavak rosszabbul.
• A kismolekulájú vegyületek - C₁-C₃ - savanyú, szúrós; C₄ bűzös szagúak; a nem illékonyak szagtalanok.

Előállítási módszerek

• Alkánok oxidációja (ipari):
  
  
  
• Alkének oxidációja:
  
  
  
• Benzol homológokból:
  
  
  
• Alkoholok oxidációjával:
  
  
  - Primer alkoholokból:
  
  
  
  - Szekunder alkoholokból:
  
  
• Karbonsav-észterek hidrolízisével:
  
  

Kémiai tulajdonságok

• Sav-bázis jelleg: a vízhez viszonyítva savak. A szubsztituensek hatással vannak a savi erősségre. Ezek egy-két atomnyi távolságban hatnak, ha a szubsztituens elektronszívó (pl. halogén), a proton leadásakor keletkező aniont stabilizálja, és így növeli a savi erősséget! Így például a triklór-ecetsav az erős ásványi savak erősségével vetekszik.
  
• NaOH-dal, NaHCO3-tal és Na-mal is reakcióba lép.
  
• Oxidáció (szelektíven a funkcióscsoport szénatomját tekintve): általában csak erélyes körülmények között zajlik le.
  
• Kémiai reakciók:
  
  

  Ammóniával, aminokkal amidképzés. Sóképzés: R-COOH + NaOH  R-COONa + H2O Észteresítés: Redukció alkohollá. Karbonsavak dekarboxilezése: Halogénezés (α-helyzetű C-atomra történik): Karboxilcsoportban helyettesített származékok:

Fontosabb karbonsavak:

• hangyasav (metánsav)
• ecetsav (etánsav)
• vajsav (butánsav)
• valeriánsav (pentásav)
• palmitinsav
• sztearinsav
• olajsav
• akrilsav (propénsav)
• benzoesav
• oxálsav (etándisav)

ÉSZTEREK

Nevezéktan

Az észtereket úgy nevezzük el, mint a karbonsavak olyan származékait, amelyekben a karboxilcsoport hidrogénatomját szénhidrogéncsoport helyettesíti, vagyis amelyekben egy szénhidrogéncsoport kapcsolódik egy savmaradékhoz. Az alkánsavakból levezethető alkil-észterek típusneve tehát alkil-alkanoát.

Homológsor: A telített, egyértékű észterek homológsorának összegképlete C_nH_2nO2 (n3).

Fizikai tulajdonságok

• Hidrogénkötés kialakításában akceptor.
• A legkisebb vegyület standard halmazállapota folyadék (metil-formiát).
• Olvadás- és forráspont azonos (nem túl nagy szénatomszám esetén) az éterekénél magasabb (lévén gyenge dipólus-dipólus kölcsönhatás).
• Vízoldékonyság a kisebb molekulák esetén nem jó.
• A kismolekulájú vegyületeknél: különböző gyümölcsaromák (a nagy szénatomszámú, nem illékony képviselőik szagtalanok).

Kémiai tulajdonságok

• Sav-bázis jelleg: A vizes oldat kémhatása semleges, hidrolízis esetén gyengén savas.
  
• Hidrolízis: lúgos közegben az észterek karbonsavra és alkoholra hidrolizálnak! Mivel a közeg lúgos, ezért a sav ionos formában lesz jelen a hidrolízis után:
  
  
  
  A hidrolízis során tehát gyakorlatilag sót (a karbonsav nátrium sóját) és alkoholt kaptunk. Ha a karbonsav sójának R-csoportja (alkil-csoport) nagy, úgy szappanokról beszélünk. Az észterek lúgos hidrolízisét szappanosításnak nevezzük.
  
• Oxidáció: csak erélyes körülmények között megy végbe.
  
• Ammóniával és aminokkal amidokat képeznek, ugyanis a reakció során karbonsav-amid (ls. ábra) és alkohol keletkezik. A folyamat hasonló, mint az észterhidrolízis, csak mivel az amid stabilisabb, mint az észter, az egyensúly gyakorlatilag teljesen az amidképzés irányába tolódik el.

Fontosabb észterek

• Zsírok és olajok (trigliceridek)
  
  Az acilező savak mindig páros szénatomszámúak, leggyakrabban OLAJSAV, PALMITINSAV, SZTEARINSAV. Az alkohol pedig a GLICERIN.
  
• Foszfatidok
  
• Gyümölcsészterek
  
  Kis szénatomszámú alkánsavak egyszerű alkilésztere.
  
• Viaszok
  
  Nagy és páros szénatomszámú, normál láncú, telített karbonsavak és ugyanilyen típusú alkoholok észterei! (pl. méhviasz)