Carbonylverbindingen

In een carbonylverbinding komt de groep

{\ce {C=O}}

voor. Je bent deze groep al tegengekomen bij de partiële oxidatie van alkanolen. Zowel primaire als secondaire alkanolen gaven aanleiding tot carbonylverbindingen. Carbonylverbindingen die uit een primair alkanol ontstaan zijn, reageren makkelijk verder tot een carbonzuur. Carbonylverbindingen afgeleid van secondaire alkanolen zijn niet verder partieel oxideerbaar. Op basis van dit verschil hebben de twee groepen carbonylverbindingen vanuit de historie verschillende namen gekregen:

aldehydes (enkelvoud: aldehyde) voor carbonylverbindingen die uit primaire alkanolen ontstaan zijn. Het koolstof-atoom met met dubbelgebonden zuurstof-atoom heeft ook nog een waterstof-atoom en
ketonen (enkelvoud: keton) voor die uit secondaire alkanolen ontstaan zijn. Het koolstof-atoom met de dubbelgebonden zuurstof heeft geen waterstof-atomen.

Carbonyl

Voorbeelden

Bekende voorbeelden van carbonylverbindingen zijn

Propanon: De meeste mensen zullen deze verbinding kennen als het bestanddeel dat verantwoordelijk is voor de kenmerkende geur van nagellak en nagellakremovers. Het is een goed oplosmiddel voor olieachtige verbindingen, maar zelf ook goed oplosbaar in water. De stof kookt bij 56 °C. Het is een stof die al heel lang bekend is, en, afhankelijk van het toepassingsgebied bekend is onder de triviale namen aceton, dimethylketon of DMK. Zie onder naamgeving, het voorbeeld onder 1.
Butanon: Deze verbinding is minder bekend, maar wordt ook veel gebruikt voor dezelfde toepassingen als propanon. Het grote voordeel van butanon boven propanon is het hogere kookpunt: 80 °C. Zie onder naamgeving, het voorbeeld onder 2.
Methanal: De toepassing van methanal is die van ontsmettingsmiddel. Het is de actieve component van sterk water. De stof is vooral bekend onder zijn triviale naam formaldehyde. Zie onder naamgeving, het voorbeeld onder 8.
Ethanal: Ethanal is vooral een in het laboratorium soms gebruikte bron van elektronen. (docentMet name in gevallen waarin een op een metaal gebaseerde reductor niet wenselijk is in verband met kleuring van de oplossing of oplosbaarheid.) Zie onder naamgeving, het voorbeeld onder 9.

Voorbeelden

Naamgeving

De namen van carbonylverbindingen worden gevormd door achter de naam van de langste keten, waar de carbonylgroep in voorkomt, bij de aldehyden ~al toe te voegen, bij de ketonen wordt ~on toegevoegd. Bij aldehyden hoeft er nooit een plaatsnummer bij, de carbonylgroep zit altijd aan het einde van de keten, bij ketonen kan een plaatsnummer nodig zijn. In onderstaande voorbeelden is een en ander uitgewerkt:


1	2	3	4
Propanon	Butanon	Pentaan-2-on	Pentaan-3-on

5	6	7
3-Methylbutanon	Pentaan-2,4-dion	Cyclohexanon

Enkele opmerkingen bij bovenstaande structuren en namen:

1: Bij propanon hoeft geen plaatsnummer, er is maar één koolstofatoom dat ooit een secondaire hydroxygroep gehad kan hebben.
2: Ook bij butanon hoeft geen plaatsnummer. Het dubbelgebonden zuurstof-atoom moet aan een van de twee middelste koolstof-atomen vastzitten. Maar zit het toevallig aan het andere dan moet je ook andersom tellen!
3 en 4: Bij de pentanonen is het plaatsnummer wel nodig. 4-pentanon is geen optie, want dan moet je vanaf de andere kant gaan tellen en kom je ook weer op 2-pentanon uit.
5 en 6: Andere substituenten worden op de gebruikelijke manier in de naam opgenomen. Twee keton-groepen worden op gelijke manier behandeld als je bij de diënen gezien hebt.
7: Ook bij de cyclische verbindingen kunnen ketonen voorkomen.


8	9	10	11
Methanal	Ethanal	Methylpropaandial	Pentaandial

12	13	14
3-Hydroxybutanal	Butenon	but-2-enal

8 en 9: De naam ontstaat door ~ al achter de alkaannaam te zetten. De dubbele 'a' van het alkaan wordt een enkele 'a'.
10: Bij 10 zijn geen plaatsnummers nodig: de uitgang ~ al geeft aan dat de dubbelgebonden zuurstof-atomen aan het eind van de keten zitten. De methylgroep in 10 moet op het middelste koolstof-atoom zitten, omdat hij anders aan het eind van de keten komt. De verbinding zou dan een keton- en een aldehyde-functie hebben en butaan als stamnaam.
11 en 12: De dubbele aldehydegroep en andere substituenten worden op de gebruikelijke manier in de naam verwerkt.
13 en 14: Een dubbele binding komt in een naam voor de uitgang ~on of ~ al te staan, met, indien nodig een plaatsnummer. Bij 13 is het plaatsnummer niet nodig, bij 14 wel.

Naamgeving aldehyden en ketonen

Synthese

De synthese of bereiding van carbonylverbindingen kan gerealiseerd worden door partiële oxidatie van het overeenkomstige alkanol.

{\ce {3 \ }}

+

{\ce {Cr2O7^{2-}\ + \ 8 H^{+}}}

{\ce {\longrightarrow }}

{\ce {3 \ }}

+

{\ce {2 Cr^{3+}\ + \ 7 H2O}}

\mathrm {}

Synthese

Reacties

Verbranden

Uiteraard kunnen carbonylverbindingen met zuurstof compleet geoxideerd worden:

{\ce {2}}

{\ce {\ + \ 5 O2 \ -> \ 7 CO2 \ + \ 8 H2O}}

Verbranding

Partiële oxidatie

Partiële oxidatie is alleen mogelijk voor aldehyden. Hierbij ontstaat het overeenkomstige carbonzuur..

{\ce {\ 2Fe^{3+}\ +\ H2O\ ->\ }}

{\ce {\ + \ 2 Fe^{2+}\ + \ 2 H+}}

In de biologie en het medisch laboratorium wordt deze reactie, maar dan met

{\ce {Cu^{2+}}}

dat naar

{\ce {Cu+}}

wordt omgezet, onder andere gebruikt om diabetes vast te stellen.

Partiële oxidatie

Andere reacties van carbonylverbindingen zullen later aan de orde komen.

Reactie met alkanolen

Een zowel in het chemisch laboratorium als in de biologie bekende is de reactie van carbonylverbindingen met alkanolen. Met zuur als katalysator kunnen carbonylverbindingen met alkanolen omgezet worden in eerst half-acetalen (ook wel hemiacetalen genoemd) en vervolgens in acetalen.

Acetalen,
Halfacetalen,
Hemiacetalen

Halfacetaalsynthese

Bij de vorming van het halfacetaal reageert het zuurstof-atoom van de alcohol met het koolstof-atoom van de carbonylgroep. Het waterstof-atoom van de alcohol reageert met het zuurstof-atoom van de carbonylgroep.

Aldehyde Alcohol Halfacetaal

{{{Nummer}}}

Hemiacetaal

Acetaalsynthese

Als het halfacetaal gevormd wordt in een overmaat aan alcohol dan kan het acetaal gevormd worden. In onderstaande figuur is dat aangegeven. Om aan te geven dat het om een ander alcohol-molecuul gaat is de alcohol nu in een andere kleur is weergegeven. In deze reactie ontstaat ook het water.

Halfacetaal Alcohol Acetaal Water

Fig. 2

Acetaal

Naamgeving

Voor de (half)acetalen zijn geen speciale naangevingsregels. De halfacetalen worden beschreven als alkanolen, waaraan een alkoxygroep gekoppeld is aan hetzelfde koolstof-atoom als de alcoholgroewp. Bij acetalen zijn de twee alkoxygroepen aan hetzelfde koolstof-atoom gekoppeld (zie een aantal voorbeelden bij de opgaven over ethers.

	yyy
	zzz

Nomenclatuur

Toepassingen

In het chemisch laboratorium is de vorming van een acetaal belangrijk omdat:

De alkanol geen alkanol meer is, en dus niet meer gevoelig voor bijvoorbeeld partiële oxidatie.
De carbonylverbinding geen carbonylgroep meer heeft, en dus ook niet de reacties van deze groep verbindingen vertoond.

Bij het gebruik als "verstopper" van de voor een groep verbindingen specifieke reactie wordt de daarvoor gebruikte stof een beschermende groep genoemd. De carbonylverbinding is dit voor de alkanolen, het alkanol voor de carbonylverbinding.
In de structuren hiernaast is de bovenste het half-acetaal, de onderste het acetaal dat ontstaat als butanal meyt ethanol tot een (hemi)acetaal reageert. De reactievergelijking voor de acetaalvorming luidt:

{\ce {RCHO\ +\ 2CH3CH2OH\ ->[{\ce {<-[{\ce {\ }}]}}]\ RCH(OC2H5)2\ +\ H2O}}

Wat opvalt is dat de reactie twee kanten op kan. De chemicus stuurt de reactie door of een van de producten (hier meestal water) te verwijderen bij de synthese van de acetalen, of juist erg veel water toe te voegen, als het acetaal weer omgezet moet worden in de carbonylverbinding en het alkanol. Dat laatste is belangrijk bij het gebruik als beschermende groep, die moet er ook makkelijk weer afgehaald kunnen worden.

In de biologie is de (hemy)acetaalvorming een belangrijke reactie van koolhydraten. In het hoofdstuk Koolhydraten maak je hier uitgebreid kennis mee.

Toepassingen
Beschermende groep