Công thức Tên thông thường Tên IUPAC
CH3-CO-CH3 Đimetyl xeton (Axeton) Propanon
CH3-CO-CH2-CH3 Metyl etyl xeton Butanon
CH3-CO-CH(CH3)2 Metyl isopropyl xeton 3-Metylbutan-2-on
CH3-CO-C(CH3)3 Metyl tert-butyl xeton (Pinaconon)
3,3-Đimetylbutan-2-on
CH3-CO-CH=CH2 Metyl vinyl xeton But-3-en-2-on
CH3-CO-CH2-CH=CH2 Metyl alyl xeton Pent-4-en-2-on
CH3-CO-C6H5 Metyl phenyl xeton Axetonphenon
C6H5-CO-C6H5 Điphenyl xeton Benzophenon
Nhóm CH3-CO được gọi là nhóm axetyl, nhóm C6H5-CO được gọi là nhóm
benzoyl, khi các nhóm đó đính vào vòng của hiđrocacbon, ta có thể gọi tên xeton như là dẫn xuất axetyl hay benzoyl của vòng đó.
Axetylbenzen (Axetonphenon)
Benzoylbenzen (Benzophenon)
Benzoylxiclopentan
Ngoài ra, vì nhóm cacbonyl còn có tên gọi là nhóm oxo, ta có thể gọi tên anđehit và tên xeton theo nhóm này, nhất là đối với các hợp chất policacbonyl.
O=CH- CH=O
O=CH-CO-CH2-CH2- CH=O
CH3-CO-CO-CH3
1,2-Đioxoetan 1,3,5-Trioxopentan 2,3-Đioxobutan
8.2. Tính chất vật lý
Sự phân cực của nhóm cacbonyl tạo ra lực hút hấp dẫn lưỡng cực – lưỡng cực giữa các phân tử anđehit và các phân tử xeton làm cho anđehit và xeton có nhiệt độ sôi cao hơn hiđrocacbon và ete có khối lượng phân tử tương đương. Anđehit và xeton không có liên kết O-H nên giữa chúng không tạo liên kết hiđro và do đó nhiệt độ sôi thấp hơn đáng kể so với các ancol có khối lượng tương đương.
Các anđehit, xeton đầu dãy (C5) hòa tan tốt trong nước. Các đồng đẳng có số nguyên tử cacbon lớn hơn hòa tan ít hoặc không tan trong nước, chúng chỉ tan trong các dung môi hữu cơ thông thường.
Mùi của anđehit và xeton thường khác nhau: anđehit có mùi xốc, xeton có mùi thơm dễ chịu.
Ở điều kiện thường anđehit fomic là chất khí, các đồng đẳng trung bình là chất lỏng.
Các xeton có số nguyên tử cacbon nhỏ thường là chất lỏng, các đồng đẳng cao là chất rắn.
8.3. Tính chất hóa học
8.3.1. Đặc điểm của nhóm cacbonyl
Trong phân tử anđehit và xeton nguyên tử cacbon và oxi nối với nhau bằng liên kết đôi gồm một liên kết xichma và một liên kết pi, nói chung liên kết đôi C=O giống liên kết đôi C=C của anken, nhưng kém bền hơn.
Sự phân cực của nhóm cacbonyl có thể mô tả như sau:
Những phản ứng của hợp chất cacbonyl gồm ba loại chính: phản ứng cộng hợp vào nhóm cacbonyl, phản ứng thế ở gốc hiđrocacbon và phản ứng oxi hóa – khử.
8.3.2. Phản ứng cộng hợp
Hợp chất cacbonyl có thể tác dụng với nhiều hợp chất khác nhau tạo thành sản phẩm cộng theo sơ đồ sau:
Trong đó H-Y là H-OH, H-OC2H5, H-CN, H-SO3Na, …
Hợp chất cacbonyl gem-điol
Fomanđehit bị hiđrat hóa gần như hoàn toàn. Khi thay thế nguyên tử hiđro trong HCHO bằng nhóm ankyl thì khả năng hiđrat hóa giảm đi nhiều. Nói chung, các
gem-điol là những hợp chất không bền, dễ bị tách nước thành hợp chất cacbonyl ban đầu.
Tương tự nước, hiđro xianua có thể cộng vào nhóm cacbonyl của anđehit và xeton tạo thành xiahiđrin. Thí dụ:
8.3.3. Các phản ứng thế ở gốc hiđrocacbon
Do có sự phân cực của nhóm cacbonyl, nguyên tử hiđro ở vị trí α đối với nhóm đó trở nên linh động và hợp chất cacbonyl (anđehit cũng như xeton) dễ bị clo hóa, brom hóa và cả iot hóa ở vị trí này. Thí dụ:
8.3.4. Phản ứng khử
a) Phản ứng khử thành ancol
Phương pháp khử đơn giản nhất để chuyển hóa hợp chất cabonyl thành ancol là hiđro hóa trên bề mặt chất xúc tác kim loại.
Chất xúc tác thường dùng là niken, palađi, platin.
c) Phản ứng khử thành hiđrocacbon
Có thể dùng hỗn hống kẽm trong axit clohiđric để khử nhóm C=O thành nhóm CH2:
8.3.5. Phản ứng oxi hóa anđehit và xeton
a) Phản ứng oxi hóa thành axit cacboxylic
Anđehit và xeton rất khác nhau về phản ứng đối với các chất oxi hóa.
Anđehit có thể dễ dàng bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa mạnh như kali bicromat, kli pemanganat, hoặc các chất oxi hóa yếu như thuốc thử Tollens ([Ag(NH3)2]+). Sơ đồ tổng quát của các phản ứng oxi hóa :
Thí dụ:
Chất oxi hóa chọn lọc cao là dung dịch amoniac trong ancol nước của oxit bạc (tác nhân Tonllens). Tác nhân oxi hóa này thuộc loại êm dịu, không đụng chạm đến liên kết đôi C=C hay liên kết ba C≡C, …
b) Phản ứng Cannizzaro
Phản ứng oxi hóa – khử các anđehit thơm đã được phát hiện từ năm 1853 bởi Cannizzaro. Các anđehit không no có hiđro ở nguyên tử cacbon α, khi nung nóng trong dung dịch kiềm ancol – nước sẽ phân bố lại để tạo thành những lượng bằng nhau của ancol bậc một và axit cacboxylic. Phản ứng này được dùng rộng rãi trong dãy các anđehit thơm, còn trong dãy các anđehit không vòng chỉ hạn chế ở nhóm các hợp chất có công thức chung R3CCHO :
8.3.6. Phản ứng đecacbonyl hóa các anđehit
Phản ứng đecacbonyl hóa các anđehit được xảy ra dưới tác dụng của một số phức chất kim loại chuyển tiếp, trong đó có hiệu lực nhất là xúc tác Uynkinxơn [(C6H5)3P]3RhCl:
8.3.7. Phản ứng tự oxi hóa của anđehit
Anđehit nói chung dễ tham gia phản ứng tự oxi hóa khi tiếp xúc với không khí. Thí dụ:
Anđehit benzoic Axit benzoic
Để hạn chế quá trình tự oxi hóa, người ta cho thêm vào anđehit một lượng nhỏ chất chống oxi hóa như phenol, amin thơm, …
Riêng anđehit fomic bền trong dung dịch nước.
8.4. Điều chế 8.4.1. Đi từ ancol 8.4.1. Đi từ ancol
Oxi hóa ancol bậc 1 tạo ra anđehit, oxi hóa ancol bậc 2 tạo ra xeton.
hoặc đehiđro hóa ancol với xúc tác Cu ở 300°C
8.4.2. Đi từ axit cacboxylic và muối của chúng a) Nhiệt phân muối của axit cacboxylic a) Nhiệt phân muối của axit cacboxylic
b) Nhiệt phân axit cacboxylic
8.4.3. Đi từ hiđrocacbon
a) Oxi hóa ankan và anken
Trong những điều kiện thích hợp, người ta có thể oxi hóa nhiều hiđrocacbon khác nhau thành hợp chất cabonyl tương ứng. Thí dụ hỗn hợp metan với không khí ở 600-700oC có mặt chất xúc tác nitơ oxit sẽ tạo ra fomanđehit.
Các anken bị oxi hóa đứt mạch thành hợp chất cabonyl nhờ tác dụng của ozon. Phản ứng này cho phép điều chế các anđehit từ anken đối xứng:
Oxi hóa đứt mạch anken không đối xứng thường cho một hỗn hợp sản phẩm không phải là phương pháp tổng hợp tốt. Thí dụ:
Hai anđehit khác nhau
b) Hiđrat hóa ankin
8.4.4. Đi từ dẫn xuất halogen
Khi đun nóng các gem-đihalogen (hợp chất có 2 halogen cùng đính vào một nguyên tử cacbon) với dung dịch kiềm sẽ tạo ra hợp chất cacbonyl. Nếu hai halogen đính vào nguyên tử cacbon đầu mạch, sản phẩm là anđehit, nếu ở cacbon trong mạch, sản phẩm là xeton.
8.5. Một số hợp chất anđehit và xeton no tiêu biểu 8.5.1. Formanđehit (metanal): HCHO 8.5.1. Formanđehit (metanal): HCHO
a) Tính chất và ứng dụng
Formanđehit là chất khí không màu, mùi xốc, tan vô hạn trong nước; được dùng trong y học làm chất tẩy uế, sát trùng, bảo quản các mẫu giải phẫu (formol: dung dịch HCHO 40% trong nước).
HCHO phản ứng với amoniac thu được hexametylen tetramin có tên gọi là urotropin được dùng làm chất ức chế ăn mòn kim loại
6HCHO + 4NH3 (CH2)6N4 + 6H2O Từ urotropin tác dụng với HNO3 cho chất nổ
HCHO tham gia phản ứng trùng ngưng với phenol tạo nhựa phenolformalđehit.
b) Điều chế trong công nghiệp
Đehiđro hóa metanol với xúc tác Cu:
Oxi hóa metanol với xúc tác Cu hoặc Ag, với oxi không khí ở nhiệt độ 250- 300°C:
Oxi hóa metan hoặc khí thiên nhiên:
8.5.2. Etanal: CH3CHO
Trong công nghiệp được sản xuất từ phương pháp oxi hóa trực tiếp etylen hoặc từ etanol.
CH2=CH2 + PdCl2 + H2O CH3CHO + Pd + 2HCl Axetanđehit được dùng để điều chế axit axetic, etylaxetat, ...
8.5.3. Benzanđehit: C6H5CHO
Benzanđehit có trong dầu hạnh nhân và một số hạt của quả đào, mận,… Trong công nghiệp, benzanđehit có thể điều chế từ benzyl clorua (thủy phân, oxi hóa).
Benzanđehit là chất lỏng không màu, sôi ở 180°C, có mùi thơm hắc đặc trưng (mùi dầu hạnh nhân) tương tự như mùi thơm của nitrobenzen.
Benzanđehit được dùng để tổng hợp phẩm nhuộm (xanh malachit) và một số hóa chất.
8.5.4. Axeton: CH3-CO-CH3
Axeton là chất lỏng, không màu, sôi ở 56°C, tan vô hạn trong nước, hòa tan được nhiều chất hữu cơ khác nhau, trong đó có các chất cao phân tử như xenlulozo
nitrat. Vì thế một lượng lớn axeton được dùng làm dung môi trong sản xuất tơ nhân tạo, dung môi để hòa tan axetylen, để gelatin hóa xenlulozo nitrat khi chế thuốc súng không khói.
Axeton còn là nguyên liệu rất giá trị để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ rất quan trọng như cloroform, iodoform, metylmetacrylat (nguyên liệu tổng hợp thủy tinh hữu cơ),...
8.5.5. Hợp chất cacbonyl thiên nhiên: Vanilin: C8H8O3 là anđehit thơm
Vanilin là chất rắn, kết tinh hình kim, không màu, nhiệt độ nóng chảy 82°C; có trong vỏ quả vani dưới dạng glycozit. Vanilin có mùi thơm hấp dẫn, dùng làm gia vị và chất thơm cho bánh kẹo.
B. AXIT CACBOXYLIC VÀ DẪN XUẤT
Axit cacboxylic là hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm cacboxyl (-COOH) liên kết với gốc hiđrocacbon (trường hợp đặc biệt: nhóm cacboxyl liên kết với H là axit fomic HCOOH). Tùy theo cấu tạo gốc hiđrocacbon, người ta phân chia thành axit cacboxylic no: CH3CH2COOH, C6H11COOH, axit không no: CH2=CH2COOH và axit thơm : C6H5COOH.
Ngoài ra, nếu trong phân tử có một nhóm cacboxyl ta gọi là axit monocacboxylic CH3COOH, có hai nhóm cacboxyl là axit đicacboxylic HOOC- COOH, có ba nhóm cacboxil là axit tricacboxylic C6H3(COOH)3.
8.6. Danh pháp
Các axit cacboxylic thường có tên gọi liên quan đến nguồn gốc tìm ra. Thí dụ axit fomic, axit axetic, axit butyric, axit stearic, …
Theo cách gọi tên hợp lý, người ta gọi những axit có gốc hiđrocacbon ở vị trí α đối với nhóm cacboxil như những dẫn xuất của axit axetic, do đó có tên như sau:
C6H5-CH2-COOH (CH3)3C-COOH
Axit phenylaxetic Axit trimetylaxetic
Theo cách gọi tên IUPAC, tên của axit được lấy từ tên của hiđrocacbon tương ứng có cùng số nguyên tử cacbon, với đuôi oic và thêm từ axit ở trước. Đánh số mạch cacbon bắt đầu từ nhóm cacboxyl.