آلدهیدها و کتون‌ها؛ تشخیص ساختار، نام‌گذاری و تفاوت واکنش‌های اکسایش

گروه کربونیل را پیدا کن و همسایه‌های آن را ببین

گروه کربونیل از یک اتم کربن و یک اتم اکسیژن با پیوند دوگانه، یعنی C=O، ساخته شده است. این گروه در چند خانواده آلی وجود دارد؛ بنابراین پس از یافتن آن باید اتم‌ها یا گروه‌های متصل به کربن کربونیل را بررسی کنیم. در آلدهید، کربن کربونیل دست‌کم به یک هیدروژن متصل است و الگوی کلی R–CHO دارد. در کتون، همین کربن میان دو گروه کربنی قرار می‌گیرد و الگوی R–CO–R′ را می‌سازد.

در فرمول فشرده CH₃CH₂CHO، بخش پایانی CHO نشان می‌دهد کربن کربونیل به هیدروژن وصل است؛ پس ترکیب آلدهید است. در CH₃COCH₃، گروه CO میان دو گروه CH₃ قرار دارد؛ پس ترکیب کتون است. حرف R یک بخش هیدروکربنی را نشان می‌دهد و R و R′ می‌توانند یکسان یا متفاوت باشند. جایگاه کربونیل را با گروه کربوکسیل COOH اشتباه نگیر؛ اسید کربوکسیلیک خانواده دیگری است.

• آلدهید: R–CHO و کربونیل در انتهای زنجیر
• کتون: R–CO–R′ و کربونیل میان دو گروه کربنی
• وجود C=O برای تشخیص خانواده کافی نیست
• در COOH، کربونیل بخشی از گروه کربوکسیل است

زنجیر اصلی و شماره کربن کربونیل را درست انتخاب کن

برای نام‌گذاری، بلندترین زنجیری را انتخاب کن که کربن گروه عاملی را در خود داشته باشد. در آلدهید، کربن گروه CHO جزو زنجیر اصلی و همیشه کربن شماره یک است؛ به همین دلیل معمولاً نیازی به نوشتن شماره جایگاه آلدهید نیست. نام آلکان متناظر با پسوند «ـال» پایان می‌یابد: HCHO متانال، CH₃CHO اتانال و CH₃CH₂CHO پروپانال است.

در کتون، زنجیر باید از کربن کربونیل عبور کند و از سمتی شماره‌گذاری شود که این کربن عدد کوچک‌تری بگیرد. نام آلکان متناظر با پسوند «ـون» نوشته می‌شود و جایگاه کربونیل باید مشخص باشد. برای نمونه CH₃COCH₂CH₃ بوتان-۲-ون است. در CH₃CH₂COCH₂CH₃، از هر دو سو کربونیل شماره ۳ می‌گیرد و نام ترکیب پنتان-۳-ون خواهد بود.

• کربن CHO در آلدهید شماره ۱ است
• زنجیر اصلی باید کربن کربونیل را شامل شود
• پسوند آلدهید: ـال
• پسوند کتون: ـون همراه با شماره جایگاه
• شماره‌گذاری کتون از سمت نزدیک‌تر به C=O انجام می‌شود

از اکسایش الکل نوع اول و دوم، فرآورده را پیش‌بینی کن

اکسایش کنترل‌شده یک الکل نوع اول می‌تواند آلدهید بسازد. در نمایش ساده، R–CH₂OH با از دست‌دادن دو اتم هیدروژن به R–CHO تبدیل می‌شود. اگر اکسایش ادامه پیدا کند، آلدهید معمولاً به اسید کربوکسیلیک R–COOH تبدیل می‌شود؛ پس برای تهیه و نگه‌داشتن آلدهید باید شرایط واکنش کنترل شود.

الکل نوع دوم با اکسایش به کتون تبدیل می‌شود: R–CHOH–R′ به R–CO–R′ می‌رسد. کتون حاصل در شرایط معمول اکسایش ملایم به‌آسانی فرآورده متناظری با همان تعداد کربن نمی‌دهد. الکل نوع سوم نیز روی کربن حامل OH هیدروژن ندارد و در چارچوب واکنش‌های ساده دبیرستانی با اکسنده ملایم اکسید نمی‌شود. برای پیش‌بینی فرآورده، همسایه‌های کربن متصل به OH را پیش از رسم کربونیل بشمار.

• الکل نوع اول ← آلدهید ← اسید کربوکسیلیک
• الکل نوع دوم ← کتون
• الکل نوع سوم در شرایط ملایم به‌آسانی اکسید نمی‌شود
• نوع الکل را از کربن حامل OH تعیین کن

علت تفاوت اکسایش آلدهید و کتون را از ساختار بفهم

کربن کربونیل آلدهید یک پیوند با هیدروژن دارد. تبدیل آلدهید به اسید کربوکسیلیک بدون شکستن پیوند کربن–کربن انجام می‌شود و به همین دلیل اکسنده‌های نسبتاً ملایم نیز می‌توانند این تغییر را ایجاد کنند. برای نمونه اتانال CH₃CHO اکسید می‌شود و اتانوئیک اسید CH₃COOH می‌سازد.

در کتون، کربن کربونیل به دو کربن متصل است و هیدروژن آلدهیدی ندارد. اکسایش بیشتر کتون غالباً به شرایط شدیدتر و شکستن پیوند کربن–کربن نیاز دارد؛ بنابراین در مقایسه‌های دبیرستانی می‌گوییم کتون با اکسنده ملایم واکنش مثبت نمی‌دهد. این گزاره به معنی اکسیدنشدن مطلق کتون در هر شرایطی نیست، بلکه محدوده شرایط آزمایش را بیان می‌کند.

با آزمون تولنس، آلدهید را از کتون ساده جدا کن

معرف تولنس شامل یون نقره در محیطی مناسب است و یک اکسنده ملایم به شمار می‌آید. آلدهید هنگام اکسیدشدن، یون Ag⁺ را به نقره فلزی Ag کاهش می‌دهد. اگر ظرف کاملاً تمیز و شرایط درست باشد، نقره می‌تواند به صورت لایه‌ای براق روی دیواره بنشیند که به آن آزمون آینه نقره‌ای می‌گویند. در این فرایند، آلدهید اکسید و یون نقره کاهش یافته است.

کتون‌های ساده معمولاً با معرف تولنس آینه نقره‌ای تشکیل نمی‌دهند؛ بنابراین نتیجه آزمون می‌تواند برای تمایز یک آلدهید ساده از یک کتون ساده به کار رود. نتیجه منفی به‌تنهایی هویت قطعی یک ماده ناشناخته را ثابت نمی‌کند و بعضی ترکیب‌های دیگر نیز ممکن است معرف را کاهش دهند. معرف تولنس باید فقط در محیط آزمایشگاه و زیر نظر مسئول آزمایشگاه تهیه و مصرف شود، زیرا نگهداری نادرست باقی‌مانده آن خطرناک است.

• آلدهید اکسید می‌شود و Ag⁺ را کاهش می‌دهد
• نشانه مثبت معمول: تشکیل نقره فلزی یا آینه نقره‌ای
• کتون ساده معمولاً پاسخ منفی دارد
• آزمون شیمیایی باید همراه با اطلاعات ساختاری تفسیر شود

قطبیت کربونیل را به خواص فیزیکی ربط بده

اکسیژن از کربن الکترونگاتیوتر است؛ پس پیوند C=O قطبی است و مولکول‌های آلدهید و کتون می‌توانند بر یکدیگر نیروهای دوقطبی–دوقطبی وارد کنند. به همین دلیل نقطه جوش آن‌ها معمولاً از هیدروکربن‌های هم‌اندازه بیشتر است. بااین‌حال چون این مولکول‌ها پیوند O–H ندارند، میان مولکول‌های خود مانند الکل‌ها پیوند هیدروژنی قوی تشکیل نمی‌دهند و معمولاً نقطه جوششان از الکل هم‌جرم کمتر است.

اکسیژن کربونیل می‌تواند از آب پیوند هیدروژنی بپذیرد؛ ازاین‌رو اعضای کوچک این دو خانواده در آب انحلال‌پذیری قابل‌توجهی دارند. با بلندشدن بخش هیدروکربنی ناقطبی، اثر آن بیشتر و انحلال‌پذیری در آب کمتر می‌شود. پس برای مقایسه خواص، هم گروه قطبی کربونیل و هم اندازه زنجیر کربنی را در نظر بگیر.

• پیوند C=O قطبی است
• آلدهید و کتون پذیرنده پیوند هیدروژنی از آب‌اند
• نبود O–H مانع پیوند هیدروژنی میان مولکول‌های خودشان می‌شود
• افزایش طول زنجیر معمولاً انحلال‌پذیری در آب را کاهش می‌دهد

مثال حل‌شده: ساختار، نام و رفتار اکسایشی را تعیین کن

ترکیب CH₃CH₂COCH₃ را بررسی کن. گروه CO میان دو بخش کربنی CH₃CH₂ و CH₃ قرار دارد و به هیدروژن متصل نیست؛ پس ترکیب کتون است. بلندترین زنجیر شامل چهار کربن است و با شماره‌گذاری از سمت نزدیک‌تر، کربونیل روی کربن ۲ قرار می‌گیرد؛ بنابراین نام آن بوتان-۲-ون است.

این کتون را می‌توان از اکسایش بوتان-۲-الکل، یعنی CH₃CH(OH)CH₂CH₃، به دست آورد. بوتان-۲-الکل نوع دوم است، چون کربن حامل OH به دو کربن دیگر وصل است. بوتان-۲-ون در آزمون تولنس معمولی آینه نقره‌ای نمی‌دهد. زنجیر چهارکربنی، شماره ۲ و پاسخ منفی تولنس هر سه با ساختار کتون سازگارند.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: دو فرمول CH₃CH₂CH₂CHO و CH₃CH₂COCH₃ داده شده‌اند. خانواده، نام و نتیجه مورد انتظار آزمون تولنس را برای هرکدام تعیین کن. ترکیب اول گروه CHO انتهایی و چهار کربن دارد؛ پس بوتانال است و با اکسایش به بوتانوئیک اسید می‌تواند آزمون تولنس مثبت بدهد.

در ترکیب دوم، کربونیل میان دو گروه کربنی است؛ زنجیر چهارکربنی و شماره کربونیل ۲ است، پس بوتان-۲-ون نام دارد و برای آزمون تولنس کتون ساده پاسخ منفی پیش‌بینی می‌شود. روش عملی این است: ابتدا C=O را پیدا کن، همسایه‌های کربن آن را ببین، زنجیر و شماره را تعیین کن و در پایان رفتار اکسایشی را از وجود یا نبود هیدروژن آلدهیدی نتیجه بگیر.

• CHO انتهایی نشانه آلدهید است
• CO میان دو کربن نشانه کتون است
• آلدهید معمولاً با اکسنده ملایم به اسید تبدیل می‌شود
• کتون ساده معمولاً آزمون تولنس منفی دارد
• نام‌گذاری را پس از انتخاب زنجیر شامل کربونیل انجام بده