Hợp chất carbonyl

1. Khái niệm

Nhóm trong phân tử hợp chất hữu cơ được gọi là nhóm carbonyl. Aldehyde, ketone thuộc loại hợp chất carbonyl.

Dãy đồng đẳng của aldehyde no, đơn chức, mạch hở, có công thức chung là C_nH_2n+1CH=O (n \(\geq\) 0).

Ví dụ: methanal (HCH=O) và ethanal (CH₃CH=O)

               

Mô hình phân tử methanal (formaldehyde) và ethanal (acetaldehyde)

Công thức của ketone

Ketone đơn giản nhất là acetone có công thức CH₃COCH₃.

2. Danh pháp

a) Tên thay thế

Công thức và tên theo danh pháp thay thế của một số aldehyde và ketone như sau:

Aldehyde		Ketone
Công thức	Tên thay thế	Công thức	Tên thay thế
HCHO	methanal	CH3COCH3	propanone
CH3CHO	ethanal	CH3CH2COCH3	butanone
CH3CH2CHO	propanal	CH3CH2CH2COCH3	pentan-2-one
CH3CH2CH2CHO	butanal	CH3CH2OCH2CH3	pentan-3-one
CH3CH(CH3)CHO	2-methylpropanal	C6H5COCH3	1-phenylethan-1-one
CH3[CH2]3CHO	pentanal	C6H5COCH3	diphenylmethanone
C6H5CHO	phenylmethanal

Tên thay thế của aldehyde và ketone được thiết lập như sau:

Chú ý: Đối với hợp chất carbonyl mạch nhánh hoặc có gốc hydrocarbon chưa no thì việc đánh số mạch chính bắt nguồn từ phía nào gần nhóm carbonyl hơn.

b) Tên thông thường

Tên thông thường của aldehyde:

• Các aldehyde mà acid tương ứng của chúng có tên thông thường thì có thể gọi tên thông thường bằng cách thay “… ic acid” bằng “ …ic aldehyde” hoặc “…aldehyde”.
• Tên thông thường của một số aldehyde

Công thức	Tên thông thường
HCHO	formic aldehyde (formaldehyde)
CH3CHO	acetic aldehyde (acetaldehyde)
C6H5CHO	benzoic aldehyde (benzaldehyde)
CH2=CH-CHO	acrylic aldehyde (acrylaldehyde)
C6H5CH=CH-CHO	cinamie aldehyde (cinnamaldehyde)

Tên thông thường của ketone: Một số ketone có tên thông thường.

Ví dụ:

CH₃COCH₃: Acetone;

C₆H₅COCH₃: Acetophenone.

II. Tính chất vật lí

• Hai aldehyde đơn giản nhất (formic aldehyde và acetic aldehyde) là chất khí ở nhiệt độ thường. Các hợp chất carbonyl khác là chất lỏng hoặc chất rắn.
• Các hợp chất carbonyl có nhiệt đôi sôi, nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với các alcohol có cùng số nguyên tử carbon; nhưng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với hydrocarbon có phân tử khối tương đương.
• Các hợp chất carbonyl mạch ngắn tan tốt trong nước nhờ tạo liên kết hydrogen với nước, còn các hợp chất carbonyl mạch dài hơn không tan hoặc ít tan trong nước.

Liên kết hydrogen giữa phân tử acetaldehyde (a) và acetone (b) với nước

• Hợp chất carbonyl thơm hầu như không tan trong nước.

III. Tính chất hóa học

Trong hợp chất carbonyl, nhóm C=O có một số tính chất giống alkene.

1. Phản ứng khử hợp chất carbonyl

Dưới tác dụng của NaBH₄ hoặc LiAlH₄, aldehyde bị khử sinh ra alcohol bậc một; ketone bị khử sinh ra alcohol bậc hai.

Ví dụ: 

CH₃-CH=O \(\xrightarrow{{\mathrm{LiAlH}}_4}\) CH₃CH₂OH 

CH₃-CO-CH₃ \(\xrightarrow{{\mathrm{NaBH}}_4}\) CH₃-CHOH-CH₃

2. Phản ứng oxi hóa aldehyde

a) Phản ứng với nước bromine

Phương trình hóa học tổng quát khi cho aldehyde phản ứng với nước bromine:

R-CH=O + Br₂ + H₂O → R-COOH + 2HBr

Ví dụ:

CH₃CHO + Br₂ + H₂O → CH₃COOH + 2HBr

b) Phản ứng với thuốc thử Tollens

Thuốc thử Tollens là dung dịch AgNO₃ trong NH₃ dư:

AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → [Ag(NH₃)₂]OH + NH₄NO₃

 Phản ứng tổng quát giữa thuốc thử Tollens với aldehyde: 

R-CH=O + 2[Ag(NH₃)₂]OH \(\overset{t^{\circ} }{\rightarrow}\) R-COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O

Ví dụ:

CH₃-CH=O + 2[Ag(NH₃)₂]OH \(\overset{t^{\circ} }{\rightarrow}\) CH₃-COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O

Phản ứng sinh ra lớp bạc bám trên thành ống nghiệm nên còn được gọi là phản ứng tráng bạc.

c) Phản ứng với Cu(OH)₂

Phản ứng của aldehyde với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm sinh ra kết tủa Cu₂O màu đỏ gạch.

Ví dụ:

HCHO + 2Cu(OH)₂ + NaOH \(\overset{t^{\circ} }{\rightarrow}\) HCOONa + Cu₂O + 3H₂O 

                       màu xanh                                  màu đỏ gạch

Chú ý: Ketone không có phản ứng với thuốc thử Tollens hoặc Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm nên có thể dùng thuốc thử Tollens hoặc Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm để phân biệt aldehyde và ketone. 

3. Phản ứng với hydrogen cyanide

Hydrogen cyanide (HCN) phản ứng được với các aldehyde hoặc ketone tạo thành sản phẩm là các cyanohydrin.

Ví dụ:

4. Phản ứng tạo iodoform

Hợp chất chứa nhóm methyl ketone (CH₃CO-R) phản ứng với iodine trong môi trường kiềm tạo kết tủa iodoform màu vàng.

Phản ứng tạo iodoform

Ví dụ:

CH₃CO-H + 3I₂ + 4NaOH → H-COONa + 3NaI + CHI₃ + 3H₂O

CH₃CO-CH₃ + 3I₂ + 4NaOH → CH₃COONa + 3NaI + CHI₃ + 3H₂O

Phản ứng dùng để nhận biết hợp chất chứa nhóm CH₃CO-.

IV. Ứng dụng và điều chế

1. Ứng dụng

a) Formaldehyde:

• Chủ yếu để sản xuất nhựa, phẩm nhuộm, chất nổ và dược phẩm.
• Dung dịch 37 - 40% formaldehyde trong nước được gọi là formalin, được dùng để ngâm xác động thực vật, tẩy uế, tiệt trùng.

b) Acetaldehyde (ethanal): để sản xuất dược phẩm hoặc các chất có ứng dụng trong thực tiễn.

c) Acetone: dùng làm dung môi trong trong sản xuất tơ nhân tạo, thuốc súng không khói,…Ngoài ra, acetone còn dùng nhiều trong tổng hợp bisphenol-A, chloroform, thuốc an thần,...

2. Điều chế

a) Điều chế acetaldehyde

Trong công nghiệp, acetaldehyde được điều chế bằng phương pháp oxi hóa ethylene:

2CH₂=CH₂ + O₂ \(\overset{xt, t^{\circ} }{\rightarrow}\) 2CH₃-CH=O

b) Điều chế acetone

Trong công nghiệp, acetone thu được trong quá trình oxi hóa cumene qua hai giai đoạn:

\({\mathrm C}_6{\mathrm H}_5\mathrm{CH}{({\mathrm{CH}}_3)}_2\;\xrightarrow[{2)\;{\mathrm H}_2\mathrm O,\;{\mathrm H}_2{\mathrm{SO}}_4}]{1)\;{\mathrm O}_2\;(\mathrm{kk})}{\mathrm C}_6{\mathrm H}_5\mathrm{OH}+\;{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COCH}}_3\)