第十五章 醛、 酮、醌
醛(aldehyde)、酮(ketone)和醌(quinone)的分子構(gòu)造中都含有相同的官能團—羰基(carbonyl group) (),因而統(tǒng)稱為羰基化合物。它們在性質(zhì)上有很多相似的地方。許多醛和酮是重要的工業(yè)原料,有些是香料或重要藥物。
第一節(jié) 醛 和 酮
一、醛和酮的構(gòu)造和分類
羰基與一個氫原子和一個烴基相連的化合物叫醛(甲醛例外,它的羰基與兩個氫原子相連),可用通式表示。稱為醛基,是醛的官能團,可簡寫為-CHO,它位于碳鏈的一端。
羰基與兩個烴基相連的化合物叫做酮,可用通式表示。酮的官能團稱為酮基,位于碳鏈中間。
羰基中的碳原子為sp2雜化,其中一個sp2雜化軌道與氧原子的一個
由于氧原子的電負性比碳原子大,因此羰基中
因此,羰基化合物是極性化合物,具有較大的偶極距(2.3~2.8D)。
醛和酮可以按照它們的分子中含有的醛基或酮基的數(shù)目,分為一元及多元醛或酮;如果以烴基的類型分類,則有脂肪、脂環(huán)及芳香醛、酮之分;還可以根據(jù)分子中是否含有碳碳重鍵,分為飽和及不飽和醛、酮。此外,根據(jù)酮分子中的兩個烴基是否相同,分為簡單酮(RCOR)和混合酮(RCOR')。
碳原子數(shù)相同的鏈狀飽和一元醛及飽和一元酮是同分異構(gòu)體。
二、醛和酮的命名
(一) 普通命名法
簡單的脂肪醛按分子中碳原子的數(shù)目,稱為某醛。例如:
甲醛 乙醛 丁醛
簡單的酮可按羰基所連接的兩個烴基命名。例如:
甲乙酮 二乙酮
(二) 系統(tǒng)命名法
對構(gòu)造比較復(fù)雜的醛、酮,則用系統(tǒng)命名法命名。命名時先選擇包括羰基碳原子在內(nèi)的最長碳鏈作主鏈,稱為某醛或某酮。從醛基一端或從靠近酮基一端開始把主鏈中碳原子編號。由于醛基一定在碳鏈的鏈端,故不必標明其位置,但酮基的位置必須標明,寫在酮名的前面。主鏈上如有支鏈或取代基,應(yīng)標明位次,把它的位次(按次序規(guī)則)、數(shù)目、名稱寫在某醛、某酮的前面。主鏈中碳原子的編號也可以用希臘字母表示,即把與羰基碳直接相連的碳原子用α表示,其它碳原子依次為
3-甲基丁醛2,3-二甲基戊醛
(
2-戊酮 4-甲基-3-己酮
命名不飽和醛、酮則需標示出不飽和鍵和羰基的位置。
3-丁烯醛
多元醛、酮命名時,同樣選擇包括羰基碳原子在內(nèi)的最長碳鏈作為主鏈,編號時使羰基位置數(shù)字最小,同時加上用漢字表示的羰基數(shù)目。
丁二醛2,4 - 戊二酮
芳香醛、酮的命名,是以脂肪醛、酮為母體,芳基烴基作為取代基。
2-苯基丙醛苯乙酮 二苯甲酮
三、醛和酮的物理性質(zhì)
在常溫下,除甲醛是氣體外,12個碳原子以下的脂肪醛、酮都是液體,高級的脂肪醛、酮和芳香酮多為固體。
由于醛或酮分子之間不能形成氫鍵,沒有締合現(xiàn)象,故它們的沸點比相對分子質(zhì)量相近的醇低。但由于羰基的極性,增加了分子間的引力,因此沸點較相應(yīng)的烷烴高。如表15-1所示。
表15-1 相對分子質(zhì)量相近的烷、醇、醛、酮的沸點
名 稱 | 正 戊 烷 | 正 丁 醇 | 丁 醛 | 丁 酮 |
相對分子質(zhì)量 | 72 | 74 | 72 | 72 |
沸點/ OC | 36.1 | 117.7 | 74.7 | 79.6 |
表15-2 一些醛、酮的物理常數(shù)
名 稱 | 構(gòu)造式 | 熔點/℃ | 沸點/℃ | 相對密度 | 溶解度 g·(100gH2O)-1 |
甲醛 | HCHO | -92 | -19.5 | 0.815 | 55 |
乙醛 | CH3CHO | -123 | 20.8 | 0.781 | 溶 |
丙醛 | CH3CH2CHO | -81 | 48.8 | 0.807 | 20 |
乙二醛 | 15 | 50.4 | 1.14 | 溶 | |
苯甲醛 | -26 | 179 | 1.046 | 0.33 | |
丙酮 | CH3COCH3 | -95 | 56 | 0.792 | 溶 |
2-戊酮 | CH3COCH2CH2CH3 | -77.8 | 102 | 0.812 | 幾乎不溶 |
苯乙酮 |
| 19.7 | 202 | 1.026 | 微溶 |
醛及酮羰基上的氧可以與水分子中的氫形成氫鍵,因而低級的醛、酮(如甲醛、乙醛、丙酮等)易溶于水,但隨著分子中碳原子數(shù)目的增加,它們的溶解度則迅速減少。醛和酮易溶于有機溶劑。一些醛、酮的物理常數(shù)見表15-2。
四、醛和酮的化學(xué)性質(zhì)
醛和酮的分子中含有反應(yīng)性很強的,它們的化學(xué)性質(zhì)活潑。其結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系可以分析如下:
(1)能發(fā)生親核加成反應(yīng)。
(2)能加氫或還原。
(3)α-H的活潑性 在羰基的影響下,α-H具有酸性。它們在堿(B-)或酸的作用下生成烯醇鹽或烯醇,進一步發(fā)生其它反應(yīng)。
(4)醛基氫的反應(yīng) 醛基的氫可被弱氧化劑所氧化,也能發(fā)生歧化反應(yīng)。
下面分別討論它們的化學(xué)反應(yīng)。
(一) 羰基的加成
醛和酮的羰基中含有π鍵,所以醛和酮都容易發(fā)生加成反應(yīng)。由于羰基中的帶負電荷的氧比帶正電荷的碳較為穩(wěn)定,所以,當羰基化合物發(fā)生加成反應(yīng)時,首先是試劑中帶負電荷的部分加到羰基的碳原子上,形成氧帶負電荷的中間體,然后試劑中帶正電荷的部分加到帶負電荷的氧上。這種由親核試劑(能提供電子對的試劑)進攻而引起的加成反應(yīng)叫做親核加成反應(yīng)(nucleophilic addition)。這類加成反應(yīng)可用下式表示:
醛和酮可以與氫氰酸、亞硫酸氫鈉、醇、氨的衍生物(如羥胺、肼)等試劑起加成反應(yīng)。在反應(yīng)產(chǎn)物中都是試劑中的氫與羰基上的氧相連接,其余部分與羰基的碳相連。
1. 加氫氰酸
醛及脂肪族甲基酮與氫氰酸加成,生成α-羥基腈。
α-羥基腈
從上面的反應(yīng)式可以看出,生成物比反應(yīng)物增加了一個碳原子,因此這個反應(yīng)可用來增長化合物的碳鏈。羥基腈在酸性水溶液中水解,即可得到羥基酸。
乙醛 α-羥基丙腈乳酸
如果在醛、酮與氫氰酸反應(yīng)中加入少量的堿時,則反應(yīng)速率就明顯加快;如果加入酸,則抑制反應(yīng)的進行。其原因是氫氰酸是一個弱酸,其離解過程為:
在上述平衡體系中加入酸,能抑制HCN的離解,加入堿則促進HCN的離解,使CN-的濃度增大。堿能加速羰基與氫氰酸加成反應(yīng)表明,首先向羰基進攻的是CN -。這也是親核加成反應(yīng)歷程的實驗依據(jù)。
對于同一種親核試劑,親核加成的難易取決于羰基碳原子所帶正電荷的強弱及位阻效應(yīng)的大小。所謂位阻效應(yīng)是指分子中相鄰的原子或原子團,在空間所占的體積和位置所產(chǎn)生的影響。羰基碳原子所帶的正電荷愈多,反應(yīng)愈易進行。羰基上連接的烴基越大則位阻效應(yīng)越大,親核試劑就越不容易接近,反應(yīng)也就越不容易進行。酮的羰基和兩個烴基相連,由于烷基的斥電子作用,降低了羰基碳原子的正電荷;另一方面,酮的兩個烴基增大了位阻效應(yīng),所以在許多親核加成反應(yīng)中,酮一般不如醛活潑。醛、酮親國家醫(yī)學(xué)考試網(wǎng)核加成反應(yīng)的活潑性順序排列如下:
2.加亞硫酸氫鈉
醛、脂肪族甲基酮及低級環(huán)酮(成環(huán)的碳原子在8個以下)都能與過量的亞硫酸氫鈉飽和溶液發(fā)生加成反應(yīng),生成穩(wěn)定的亞硫酸氫鹽加和物。
醛亞硫酸氫鈉加和物
酮亞硫酸氫鈉加和物
上述反應(yīng)是可逆的。為使反應(yīng)完全,常加入過量的飽和亞硫酸氫鈉溶液,促使反應(yīng)向右移動。由于這些加成物能被稀酸或稀堿分解為原來的醛或甲基酮。故常用這個反應(yīng)來分離、精制醛或甲基酮。
其它脂肪酮或芳香酮(包括芳香族甲基酮)由于受位阻效應(yīng)的影響難以進行這種加成反應(yīng)。
3. 加醇
醛與醇在干燥HCl的催化下,發(fā)生加成反應(yīng),生成半縮醛。
半縮醛
開鏈半縮醛是一類不穩(wěn)定的化合物,能繼續(xù)與另一分子醇反應(yīng),脫去一分子水生成比較穩(wěn)定的縮醛。
縮醛
縮醛是具有水果香味的液體,性質(zhì)與醚相近?s醛對氧化劑和還原劑都很穩(wěn)定,在堿性溶液中也相當穩(wěn)定,但在酸性溶液中則可以水解生成原來的醛和醇,在有機合成中,常先將含有醛基的化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榭s醛,然后再進行別的化學(xué)反應(yīng),最后使縮醛變?yōu)樵瓉淼娜,這樣可以避免活潑的醛基在反應(yīng)中被破壞,即利用縮醛的生成來保護醛基。
若在同一分子中既含有羰基又含有羥基,則有可能在分子內(nèi)生成環(huán)狀半縮醛(酮)。半縮醛(酮)、縮醛(酮)比較重要,因為它是學(xué)習(xí)糖類化學(xué)的基礎(chǔ),以后還要討論。
4.與氨的衍生物的反應(yīng)
醛、酮與氨的衍生物如:羥胺(NH2OH)、肼(NH2NH2)、苯肼(C6H5NHNH2)、2,4-二硝基苯肼等試劑作用,生成含結(jié)構(gòu)的化合物;反應(yīng)產(chǎn)物分別是肟、腙、苯腙及2,4-二硝基苯腙。
這些反應(yīng)首先是N-H鍵斷裂和羰基加成,然后再脫去一分子水生成產(chǎn)物。例如:
羥胺肟
2,4-二硝基苯肼
2,4-二硝基苯腙
醛、酮與2,4-二硝基苯肼作用生成的2,4-二硝基苯腙是黃色結(jié)晶,具有一定的熔點,反應(yīng)也很明顯,便于觀察,所以常被用來鑒別醛、酮。其它反應(yīng)產(chǎn)物肟、腙大都也是具有一定熔點的晶體,也可用來鑒別醛、酮。因此,把這些氨的衍生物也稱為羰基試劑(即檢驗羰基的試劑)。
肟、腙等在稀酸的作用下,可水解為原來的醛、酮,故可利用該反應(yīng)來分離和精制醛、酮。
(二)α碳原子上氫的反應(yīng)
醛、酮分子中
醛、酮
1.鹵化及鹵仿反應(yīng)
醛或酮的α氫原子易被鹵素取代,生成α-鹵代醛或酮。例如:
鹵化反應(yīng)繼續(xù)進行時, 也可生成
鹵代醛或鹵代酮都具有特殊的刺激性氣味。三氯乙醛的水合物CCl3CH(OH)2又稱水合氯醛,具有催眠作用;溴丙酮具有催淚作用;
含有活潑甲基的醛或酮與鹵素的NaOH溶液作用,三個
因為這個反應(yīng)生成鹵仿,所以稱為鹵仿反應(yīng)。如用I2-NaOH溶液,則生成碘仿(稱為碘仿反應(yīng))。碘仿為黃色晶體,難溶于水,并具有特殊的氣味,容易識別,可用來鑒別是否含有 構(gòu)造的羰基化合物。
次鹵酸鹽是一種氧化劑,可以使醇類氧化成相應(yīng)的醛、酮。因此,凡含有 構(gòu)造的醇會先被氧化成乙醛或甲基酮,再進行鹵仿反應(yīng)。所以碘仿反應(yīng)也能鑒別具有上述構(gòu)造的醇類。如乙醇、異丙醇等。
2.羥醛縮合(aldolcondensation)
含有α氫原子的醛在稀堿的作用下,一分子醛的
3-羥基丁醛
(
在堿或酸性溶液中加熱時,含
含α-H的酮也可以發(fā)生類似的反應(yīng),生成β-羥基酮,脫水后生成α、β-不飽和酮。
(三)還原反應(yīng)
醛或酮經(jīng)催化氫化可分別被還原為伯醇或仲醇。
醛、酮與氫化鋁鋰(LiAlH4)、硼氫化鈉(NaBH4)或異丙醇鋁作用,也都還原生成相應(yīng)的醇。這些還原劑具有較高的選擇性,只能還原羰基,不影響分子中或-C≡C-等其它可被催化氫化的基團。例如,巴豆醛如果用鎳催化氫化則得到正丁醇,而用LiAlH4還原可以得到巴豆醇。
正丁醇
巴豆醛 巴豆醇
(四)醛的特殊反應(yīng)
醛的羰基碳原子上連有氫原子,因此容易被氧化,不僅強氧化劑,即使弱氧化劑也可以使它氧化。醛氧化時生成同碳數(shù)的羧酸。酮則不易被氧化。
一些弱氧化劑只能使醛氧化而不能使酮氧化,說明醛具有還原性而酮一般沒有還原性。因此,可以利用弱氧化劑來區(qū)別醛和酮。常用的弱氧化劑有土倫(Tollens)試劑、費林(Fehling)試劑和本尼迪特(Benedict)試劑。
1.與土倫試劑反應(yīng)
土倫試劑是由硝酸銀堿溶液與氨水制得的銀氨配合物的無色溶液。它與醛共熱時,醛被氧化成羧酸,試劑中的一價銀離子被還原成金屬銀析出。由于析出的銀附著在容器壁上形成銀鏡,因此這個反應(yīng)又叫做銀鏡反應(yīng)。
此反應(yīng)可簡單表示如下:
2.與費林試劑反應(yīng)
費林試劑包括甲、乙兩種溶液,甲液是硫酸銅溶液,乙液是酒石酸鉀鈉和氫氧化鈉溶液。使用時,取等體積的甲、乙兩液混合,開始有氫氧化銅沉淀產(chǎn)生,搖勻后氫氧化銅即與酒石酸鉀鈉形成深藍色的可溶性配合物。
費林試劑能氧化脂肪醛,但不能氧化芳香醛,可用來區(qū)別脂肪醛和芳香醛。費林試劑與脂肪醛共熱時,醛被氧化成羧酸,而二價銅離子則被還原成磚紅色的氧化亞銅沉淀。
本尼迪特試劑也能把醛氧化成羧酸,它是由硫酸銅、碳酸鈉和檸檬酸鈉組成的溶液。它與醛的作用原理和費林試劑相似。臨床上常用它來檢查尿液中的葡萄糖。
五、重要的醛和酮
(一)甲醛
甲醛又叫蟻醛,是具有強烈刺激臭味的無色氣體,沸點-21oC,易溶于水。其0.4(40%)水溶液叫福爾馬林(formalin),可作為消毒劑和防腐劑。甲醛溶液能使蛋白質(zhì)變性。細菌的蛋白質(zhì)與甲醛接觸后即凝固,致使細菌死亡,因而起了消毒、防腐作用。
(二)戊二醛
戊二醛是無色油狀液體,味苦,有微弱的甲醛氣味。沸點187~189oC,溶于水和乙醇。在4oC時穩(wěn)定。戊二醛的微堿性水溶液有良好的殺菌作用,比甲醛強2~10倍,但價格較貴。pH 7.5~8.5的溶液可保存14天,pH>9時迅速聚合。戊二醛對皮膚及粘膜的刺激性比甲醛小,可用于消毒內(nèi)窺鏡及不能用加熱法消毒的醫(yī)療器械,也可配制心臟瓣膜消毒液。
(三) 丙酮
丙酮(acetone)是最簡單的酮。它是無色具特殊香味的液體,沸點56.5oC,極易溶于水,幾乎能與一切有機溶劑混溶,也能溶解油脂、蠟、樹脂及某些塑料等,故廣泛用作溶劑。丙酮易燃燒,使用時應(yīng)注意。
糖尿病患者由于新陳代謝紊亂,體內(nèi)有過量的丙酮生成,可由尿排出或隨呼吸呼出。
(四)樟腦
樟腦是一種脂環(huán)酮。學(xué)名為2-莰酮,構(gòu)造式為:
樟腦是無色半透明晶體,具有穿透性的特異芳香,味略苦而辛,有清涼感,熔點176~l77oC,易升華,在常溫下即可以慢慢揮發(fā)。不溶于水,能溶于醇、油脂中。樟腦是我國的特產(chǎn),可以從樟樹皮中得到。
樟腦在醫(yī)藥上的用途甚廣,可用作呼吸循環(huán)興奮劑,外用成藥清涼油、十滴水及消炎鎮(zhèn)痛膏等均含有樟腦。它還可用以驅(qū)蟲和防衣物被蛀蝕。
(五)麝香酮
麝香酮為油狀液體,具有麝香香味,是麝香的主要香氣成分,現(xiàn)可由人工合成。沸點328oC,微溶于水,能與乙醇混溶。麝香酮的構(gòu)造為一個含十五個碳原子的大環(huán),環(huán)上有一個甲基和一個羰基,屬脂環(huán)酮。
麝香是非常名貴的中藥。麝香酮具有擴張冠狀動脈及增加冠脈血流量的藥理作用,用于心絞痛的治療。
第二節(jié) 醌
一、醌的構(gòu)造和命名
醌(quinone)是對含有環(huán)己二烯二酮構(gòu)造的一類化合物的總稱。
醌類化合物是以苯醌、萘醌等作為母體命名的,兩個羰基的位置可用阿拉伯數(shù)字標明寫在醌名字前。也可用鄰、對、遠或
對苯醌 鄰苯醌 α-萘醌 9,10-蒽醌
(1,4-苯醌) (1,2-苯醌) (1,4-萘醌)
具有醌型構(gòu)造的化合物通常具有顏色。對位的醌多呈現(xiàn)黃色,鄰位的醌多呈現(xiàn)紅色或橙色,所以它是許多染料和指示劑的母體。
二、醌的化學(xué)性質(zhì)
從醌的構(gòu)造來看,其分子中既有羰基,又有碳碳雙鍵,因此,可以發(fā)生羰基加成,碳碳雙鍵加成。
(一)羰基的加成
醌與醛、酮一樣,可與羰基試劑發(fā)生加成反應(yīng)。如對苯醌與羥胺反應(yīng),先生成對苯醌一肟,再生成對苯醌二肟。
對苯醌一肟 對苯醌二肟
(二)碳碳雙鍵的加成
醌的C=C上也可以發(fā)生加成反應(yīng)。例如,對苯醌能加一或二分子Br2,生成二溴或四溴化合物。
三、重要的醌類化合物
(一)對苯醌
對苯醌是黃色晶體,熔點115.7oC,能隨水蒸氣蒸出,具有刺激性臭味,有毒,能腐蝕皮膚,能溶于醇和醚中。對苯醌很容易被還原成對苯二酚。對苯二酚也很容易被氧化為對苯醌。
對苯二酚
醌與其相應(yīng)的芳香族1,4與1,2-二羥基化合物的衍生物(簡稱為氫醌)的氧化還原在生物體內(nèi)的氧化過程中起著重要作用。
(二)α-萘醌和維生素K
α-萘醌又叫1,4-萘醌,是黃色結(jié)晶,熔點125oC,可升華。它微溶于水,溶于乙醇和乙醚,有刺鼻的氣味。
一些天然的植物色素含有α-萘醌的結(jié)構(gòu)。例如維生素K1與K2,二者僅側(cè)鏈不同。
維生素K1
維生素K2
維生素K1為黃色油狀液體,維生素K2為黃色晶體。維生素K1 及K2廣泛存在于自然界中,綠色植物(如苜蓿、菠菜等)、蛋黃、肝臟等含量豐富。維生素K1與K2的主要作用是能促進血液的凝固,所以可用作止血劑。
在研究維生素K1與K2及其衍生物的化學(xué)構(gòu)造與凝血作用的關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)2- 甲基-1,4-萘醌
具有更強的凝血能力,稱之為維生素K3,可由合成方法制得。
維生素K3(2- 甲基-1,4-萘醌)
維生素K3是黃色結(jié)晶,熔點105~107oC,難溶于水,可溶于植物油或其它有機溶劑。由于維生素K3是油溶性維生素,故醫(yī)藥上用的是它的可溶于水的亞硫酸氫鈉加成物。
習(xí)題:
1. 命名下列化合物:
(1) (2)
(3) (4)
(5) (6)
(7) (8)
(9) (10)
2. 寫出下列化合物的構(gòu)造式:
(1) 3-戊烯醛(2)丁二醛
(3) 4-甲基-2-戊酮 (4)鄰甲基苯甲醛
(5) 對氯苯乙酮 (6)1,2-二甲基-9,10-蒽醌
(7) 丁醛苯腙(8)丙酮肟
3. 完成下列反應(yīng)式:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
4.下列化合物中哪些能發(fā)生碘仿反應(yīng)?哪些能與飽和的NaHSO3溶液發(fā)生加成反應(yīng)?
(1) (2)
(3) (4)
(5) (6)
(7) (8)
5. 用化學(xué)方法區(qū)別下列各組化合物:
(1) 丙醛、丙酮和正丙醇
(2) 2-戊酮和3-戊酮
(3) 乙醛、苯甲醛和苯甲醇
(4) 甲醛、甲醇和乙醇
6. 由丁醛合成下列化合物(用反應(yīng)式表示):
(1) 2-乙基-2-羥基己醛
(2) 2-乙基-2-己烯醛
(3) 2-乙基-1-己醇
7. 從指定原料合成下列化合物(用反應(yīng)式表示):
www.med126.com(1)
(2)
(3)
8. 某化合物的分子式為C4H10O,它與金屬鈉作用放出氫氣;與氧化劑作用得到一種中性產(chǎn)物,該產(chǎn)物與苯肼作用生成苯腙,但不與費林試劑作用。試寫出該化合物的可能構(gòu)造式。
9. 某化合物的相對分子質(zhì)量為86,含碳69.77%,含氫11.63%,其余為氧。此化合物能發(fā)生碘仿反應(yīng),且能和飽和NaHSO3 發(fā)生加成反應(yīng),但不與費林試劑作用。試寫出該化合物的構(gòu)造式。
10. 有一化合物C8H14O(甲),可以很快地使溴水褪色,可以與苯肼發(fā)生反應(yīng)。(甲)氧化后得一分子丙酮及另一化合物(乙),(乙)具有酸性,與次碘酸鈉反應(yīng)生成碘仿和一分子酸,酸的構(gòu)造式是HOOCCH2CH2COOH,試寫出(甲)的構(gòu)造式。