PRACOVNÝ LIST: KETÓNY

1. Úvod do ketónov

Ketóny sú organické zlúčeniny obsahujúce karbonylovú skupinu (>C=O), ktorá je viazaná na dva uhlíkové atómy. Ich všeobecný vzorec je R-CO-R‘, kde R a R‘ sú uhľovodíkové skupiny. Najjednoduchším ketónom je propanón (známy ako acetón, CH3COCH3).

Vlastnosti

• Polárne zlúčeniny rozpustné v polárnych rozpúšťadlách.
• Nižšie ketóny (napr. acetón) sú miešateľné s vodou.
• Majú charakteristickú vôňu a široké priemyselné využitie.

Pomocná informácia: Acetón je bežne dostupný v odlakovačoch na nechty a v priemyselných čistiacich prostriedkoch.

Použitie

• Ako rozpúšťadlá (napr. acetón v odlakovači na nechty).
• V chemickom priemysle na výrobu plastov, liečiv a farbív.
• V biologických procesoch (napr. metabolizmus mastných kyselín, tvorba ketolátok pri cukrovke).

Pomocná informácia: Pri cukrovke môžu v tele vznikať ketolátky, čo môže viesť ku ketoacidóze, nebezpečnému stavu.

---

2. Chemické reakcie ketónov

a) Redukcia ketónov

Ketóny sa redukujú na sekundárne alkoholy. Príklad: Propanón (acetón, CH3COCH3) + vodík (H2) → propan-2-ol (izopropanol, CH3CH(OH)CH3) Príklad z praxe: Redukcia ketónov sa využíva pri výrobe liečiv.

b) Oxidácia ketónov

Ketóny sa ťažšie oxidujú ako aldehydy. Silné oxidačné činidlá môžu spôsobiť štiepenie molekúl. Príklad: Propanón (acetón, CH3COCH3) + kyslík ([O]) → oxid uhličitý (CO2) + voda (H2O) (pri extrémnych podmienkach) Príklad z praxe: Oxidácia sa využíva pri spracovaní ropných produktov.

c) Reakcia s hydrazínom (Wolff-Kishnerova redukcia)

Ketóny sa menia na alkány. Príklad: Propanón (acetón, CH3COCH3) + hydrazín (N2H4) + hydroxid draselný (KOH) → propán (CH3CH3) + dusík (N2) + voda (H2O) Príklad z praxe: Táto reakcia sa využíva pri syntéze organických zlúčenín.

d) Adičné reakcie (reakcia s Grignardovými činidlami)

Ketóny reagujú s Grignardovými činidlami za vzniku alkoholu. Príklad: Propanón (acetón, CH3COCH3) + metylmagnéziumbromid (CH3MgBr) → 2-metyl-2-propanol (terc-butylalkohol, CH3C(OH)(CH3)CH3) Príklad z praxe: Použitie v syntéze farmaceutík.

e) Aldolová kondenzácia

Ketóny reagujú v prítomnosti bázy a vytvárajú dlhšie reťazce. Príklad: Propanón (acetón, CH3COCH3) + etanal (acetaldehyd, CH3CHO) → 4-hydroxybut-2-en-2-on (CH3CH=CHCOCH3) + voda (H2O) Príklad z praxe: Táto reakcia sa využíva pri výrobe plastov a vonných látok.

---

3. Úlohy pre študentov

1. Napíšte chemickú rovnicu redukcie butanónu (butylmetylketónu) na sekundárny alkohol.
2. Vysvetlite, prečo ketóny nepodliehajú Tollensovej a Fehlingovej reakcii.
3. Aký produkt vznikne pri reakcii propanónu (acetónu) s metylmagnéziumbromidom? Napíšte chemickú rovnicu.
4. Ktorý ketón sa často používa ako rozpúšťadlo? Uveďte jeho chemický vzorec a jednu aplikáciu.
5. Navrhnite jednoduchý experiment na odlíšenie aldehydu od ketónu.

---

Záver

Tento pracovný list ponúka študentom základné informácie o ketónoch, ich vlastnostiach, chemických reakciách a priemyselnom využití. Cvičenia pomáhajú aplikovať vedomosti na praktické problémy.

---

Résumé en français

Les cétones sont des composés organiques contenant un groupe carbonyle (>C=O) attaché à deux atomes de carbone. Elles sont largement utilisées dans l’industrie chimique et en biochimie. Ce document présente leurs propriétés, leurs principales réactions chimiques telles que la réduction et l’oxydation, ainsi que leurs applications pratiques comme solvants et intermédiaires en synthèse pharmaceutique.

Les réactions des cétones incluent leur réduction en alcools secondaires, leur oxydation sous conditions extrêmes, ainsi que des réactions spécifiques comme la condensation aldolique et l’addition de réactifs de Grignard. Ces transformations sont essentielles pour la production de médicaments, de polymères et de produits aromatiques.

Des exercices sont proposés pour permettre aux étudiants de mieux comprendre et appliquer ces notions en chimie organique.

Učebný materiál: Aldehydy (pre stredoškolákov)

Úvod do aldehydov

Aldehydy sú organické zlúčeniny s charakteristickou skupinou -CHO, nazývanou karbonylová skupina. Táto skupina sa nachádza na konci uhlíkového reťazca. Karbonylová skupina má kyslík, ktorý je elektronegatívnejší ako uhlík, čo spôsobuje jej polaritu.

Pomocné vysvetlenie:

• Karbonylová skupina pozostáva z uhlíka s dvojitou väzbou na kyslík na konci reťazca.
• Polarita znamená, že kyslík priťahuje elektróny viac ako uhlík, preto má mierne záporný náboj.

Všeobecný vzorec a štruktúra

Aldehydy majú všeobecný vzorec R–CHO, kde:

• R je uhlíkový reťazec (alkylová alebo arylová skupina)
• CHO je aldehydová skupina

Príklad: metanal (formaldehyd) – HCHO

Pomocné vysvetlenie:

• „R“ predstavuje akúkoľvek skupinu atómov uhlíka, napríklad metyl (-CH3) alebo etyl (-CH2CH3).

Názvoslovie aldehydov

Aldehydy sa pomenúvajú podľa IUPAC pravidiel, pričom sa pridáva prípona -al.

Príklady:

• Metanal (formaldehyd) – HCHO
• Etanal (acetaldehyd) – CH3CHO
• Propanal – CH3CH2CHO

Pri aldehyde naviazanom na benzén sa používa názov benzaldehyd.

Pomocné vysvetlenie:

• Názvy aldehydov sú odvodené od názvu príslušného alkánu s koncovkou -al.
• Napríklad metán → metanal, etán → etanal.

Fyzikálne vlastnosti

• Nižšie aldehydy (metanal, etanal) sú plyny so silným zápachom.
• Vyššie aldehydy sú kvapaliny alebo tuhé látky s príjemnou vôňou.
• Polárna povaha karbonylovej skupiny umožňuje tvorbu vodíkových väzieb s vodou, čím sa zvyšuje ich rozpustnosť.

Pomocné vysvetlenie:

• Nižšie aldehydy sú plynné, preto sa rýchlo šíria vo vzduchu (ako zápach formalínu).
• Vyššie aldehydy sú súčasťou voňaviek a esencií.

Chemické vlastnosti

1. Oxidácia: Aldehydy sa oxidujú na karboxylové kyseliny.

• Príklad: CH3CHO + [O] → CH3COOH (kyselina octová)
• Vysvetlenie: Kyslík sa viaže na uhlík karbonylovej skupiny, čím vzniká karboxylová skupina.
• Použitie: Výroba octu.

Pomocné vysvetlenie:

• Oxidácia znamená pridanie kyslíka alebo odobratie vodíka.

2. Redukcia: Aldehydy sa redukujú na primárne alkoholy.

• Príklad: CH3CHO + 2[H] → CH3CH2OH (etanol)
• Vysvetlenie: Vodík sa viaže na uhlík karbonylovej skupiny a vytvorí hydroxylovú skupinu.
• Použitie: Výroba etanolu.

Pomocné vysvetlenie:

• Redukcia je opačný proces ako oxidácia – pridávame vodík alebo odoberáme kyslík.

3. Adícia kyanovodíka:

• Príklad: CH3CHO + HCN → CH3CH(OH)CN
• Vysvetlenie: Nukleofilný útok na elektrofilný uhlík v karbonylovej skupine.
• Použitie: Výroba medziproduktov vo farmácii.

Pomocné vysvetlenie:

• Pri adícii sa pripojí molekula k dvojitej väzbe.

4. Reakcia s Fehlingovým činidlom:

• Príklad: CH3CHO + 2Cu2+ + 4OH- → CH3COOH + Cu2O + 2H2O
• Vysvetlenie: Aldehyd sa oxiduje, meďnaté ióny sa redukujú na Cu2O (červený prášok).
• Použitie: Dôkaz prítomnosti cukrov.

Pomocné vysvetlenie:

• Fehlingov roztok je modrý a po reakcii s aldehydom vznikne červený oxid meďnatý.

5. Reakcia s Tollensovým činidlom:

• Príklad: CH3CHO + 2[Ag(NH3)2]+ + 3OH- → CH3COO- + 2Ag + 4NH3 + 2H2O
• Vysvetlenie: Aldehyd sa oxiduje a strieborné ióny sa redukujú na kovové striebro.
• Použitie: Testovanie cukrov v potravinárstve.

Pomocné vysvetlenie:

• Ak aldehyd reaguje s Tollensovým činidlom, na skle skúmavky sa vytvorí strieborné zrkadlo.

Výroba aldehydov

• Dehydrogenácia primárnych alkoholov: CH3CH2OH → CH3CHO + H2
• Oxidácia alkénov: CH2=CH2 + O2 → CH3CHO

Pomocné vysvetlenie:

• Dehydrogenácia znamená odobratie vodíkov.

Význam a použitie

• Metanal (formaldehyd): výroba plastov (Bakelit), dezinfekčné prostriedky (Formalin).
• Etanal (acetaldehyd): výroba kyseliny octovej a syntetického kaučuku.
• Benzaldehyd: výroba aróm (mandľová aróma).
• Vyššie aldehydy: výroba parfumov (Chanel No. 5).

Pomocné vysvetlenie:

• Aldehydy sa využívajú v priemysle, voňavkách a potravinárstve.

Bezpečnostné opatrenia

Aldehydy môžu dráždiť oči, dýchacie cesty a pokožku. Pri práci je potrebné používať rukavice, okuliare a pracovať v dobre vetranom priestore.

Pomocné vysvetlenie:

• Pri práci s aldehydmi je potrebné dbať na to, aby sme sa ich nedotkli a nevdýchli výpary.

Príklady reakcií

1. Reakcia formaldehydu s amoniakom:
   • Rovnica: 6HCHO + 4NH3 → (CH2)6N4 + 6H2O
   • Použitie: Dezinfekčné prostriedky a tuhé palivo.

Pomocné vysvetlenie:

• Reakcia vytvára látku používanú na dezinfekciu.

2. Reakcia acetaldehydu s hydroxylamínom:
   • Rovnica: CH3CHO + NH2OH → CH3CH=NOH
   • Použitie: Výroba pesticídov.

Pomocné vysvetlenie:

• Hydroxylamín sa pridáva k aldehydu za vzniku oxímov.

3. Reakcia benzaldehydu s kyanovodíkom:
   • Rovnica: C6H5CHO + HCN → C6H5CH(OH)CN
   • Použitie: Výroba aróm.

Pomocné vysvetlenie:

• Táto reakcia sa používa pri výrobe aróm s mandľovou príchuťou.

---

Résumé en français

Les aldéhydes sont des composés organiques contenant un groupe carbonyle (-CHO) situé à l’extrémité d’une chaîne carbonée. Ils possèdent des propriétés chimiques variées, telles que l’oxydation en acides carboxyliques et la réduction en alcools primaires. Ces réactions sont utilisées dans la production de plastiques, de désinfectants et de parfums. Les aldéhydes sont également importants dans les réactions de test, comme celles avec les réactifs de Fehling et de Tollens, qui permettent d’identifier la présence de sucres réducteurs. Leur manipulation nécessite des précautions de sécurité en raison de leur toxicité potentielle.

Poznámka: Tento text bol upravený na úroveň stredoškolákov s predchádzajúcimi znalosťami chémie v súlade so štandardmi MŠ SR z roku 2019.

Pracovný list (15 minút)

Úlohy:

1. Napíšte chemickú rovnicu oxidácie etanalu na kyselinu octovú a vysvetlite mechanizmus.
2. Popíšte, ako funguje Tollensovo činidlo a kde sa používa.
3. Napíšte rovnicu reakcie benzaldehydu s kyanovodíkom.
4. Porovnajte metanal a benzaldehyd.
5. Aký produkt vznikne redukciou formaldehydu?

 

 

 

Kľúč správnych odpovedí:

1. CH3CHO + [O] → CH3COOH; vzniká karboxylová skupina.
2. Tollensovo činidlo oxiduje aldehydy na kyseliny, pričom vzniká strieborné zrkadlo.
3. C6H5CHO + HCN → C6H5CH(OH)CN; výroba aróm.
4. Metanal je jednoduchší aldehyd; benzaldehyd má aromatický kruh.
5. Redukciou formaldehydu vzniká metanol (CH3OH).

🧪 Príklady reakcií aldehydov s podrobným vysvetlením

---

1️⃣ Oxidácia aldehydov na karboxylové kyseliny

Rovnica:

CH3CHO+[O]→CH3COOH\text{CH}_3\text{CHO} + [O] \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}

🔍 Podrobný rozbor:

• CH3CHO – etanal (acetaldehyd): bezfarebná, prchavá kvapalina s dráždivým zápachom.
• [O] – kyslík (oxidačné činidlo, napr. kyselina dusičná HNO3 alebo manganistan draselný KMnO4).
• CH3COOH – kyselina octová: organická kyselina s charakteristickou kyslou vôňou a chuťou.

🛠️ Mechanizmus:
Kyslík sa viaže na uhlík karbonylovej skupiny aldehydu, čím vznikne karboxylová skupina (-COOH).

🎯 Praktický príklad:

• Výroba octu: Etanal vznikajúci počas fermentácie etanolu sa oxiduje na kyselinu octovú, ktorá sa používa v potravinárstve ako konzervačná látka.

Zaujímavosť: Ocot v kuchyni má zvyčajne 5 – 6 % kyseliny octovej.

---

2️⃣ Redukcia aldehydov na primárne alkoholy

Rovnica:

CH3CHO+2[H]→CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CHO} + 2[H] \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}

🔍 Podrobný rozbor:

• CH3CHO – etanal (acetaldehyd): prchavá kvapalina s ostrým zápachom.
• [H] – vodík (redukovadlo, napr. katalytická hydrogenácia s použitím H2 a katalyzátora Pt alebo Ni).
• CH3CH2OH – etanol (etylalkohol): prchavá kvapalina, ktorá je súčasťou alkoholických nápojov.

🛠️ Mechanizmus:
Vodík sa viaže na karbonylový uhlík a kyslík, čím vznikne hydroxylová skupina (-OH) a primárny alkohol.

🎯 Praktický príklad:

• Výroba etanolu: V chemickom priemysle sa aldehydy redukujú na alkoholy, ktoré sa používajú ako rozpúšťadlá, palivové aditíva a dezinfekčné prostriedky.

Zaujímavosť: Redukciou formaldehydu vzniká metanol, ktorý sa používa ako prísada do nemrznúcich zmesí.

---

3️⃣ Adícia kyanovodíka na aldehydy (cyanhydríny)

Rovnica:

CH3CHO+HCN→CH3CH(OH)CN\text{CH}_3\text{CHO} + \text{HCN} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OH)CN}

🔍 Podrobný rozbor:

• CH3CHO – etanal (acetaldehyd): aldehyd s dvoma uhlíkmi.
• HCN – kyanovodík: bezfarebný, vysoko toxický plyn s mandľovým zápachom.
• CH3CH(OH)CN – 2-hydroxypropanonitril (kyanohydrín etanalu): nestála zlúčenina, medziprodukt v organickej syntéze.

🛠️ Mechanizmus:
Kyanidový ión (CN-) sa nukleofilne viaže na elektrofilný uhlík karbonylovej skupiny, čo vedie k tvorbe hydroxylovej skupiny a kyanoskupiny (-CN).

🎯 Praktický príklad:

• Výroba farmaceutických látok: Cyanohydríny sú dôležitými medziproduktmi pri výrobe liečiv, ako sú antidepresíva alebo anestetiká.

Zaujímavosť: Kyanohydríny sa používajú aj pri syntéze akrylátov na výrobu plastov.

---

4️⃣ Reakcia s Fehlingovým činidlom (dôkaz aldehydov)

Rovnica:

CH3CHO+2Cu2++4OH−→CH3COOH+Cu2O+2H2O\text{CH}_3\text{CHO} + 2\text{Cu}^{2+} + 4\text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{Cu}_2\text{O} + 2\text{H}_2\text{O}

🔍 Podrobný rozbor:

• CH3CHO – etanal (acetaldehyd): redukujúci aldehyd.
• Cu2+ – meďnaté ióny v modrom Fehlingovom roztoku.
• Cu2O – oxid meďnatý: červený prášok, ktorý sa vylučuje pri pozitívnom teste.
• CH3COOH – kyselina octová: vzniká oxidáciou etanalu.

🛠️ Mechanizmus:
Aldehyd je redukčným činidlom – oxiduje sa na kyselinu octovú, pričom redukuje meďnaté ióny Cu2+ na Cu2O.

🎯 Praktický príklad:

• Test na cukry: Fehlingovo činidlo sa používa v potravinárstve na dôkaz redukujúcich cukrov, napr. glukózy v mede alebo ovocných šťavách.

Zaujímavosť: Ak roztok ostane modrý, aldehyd nie je prítomný. Ak sa objaví červená zrazenina, test je pozitívny.

---

5️⃣ Reakcia s Tollensovým činidlom (strieborné zrkadlo)

Rovnica:

CH3CHO+2[Ag(NH3)2]++3OH−→CH3COO−+2Ag+4NH3+2H2O\text{CH}_3\text{CHO} + 2[\text{Ag(NH}_3)_2]^+ + 3\text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + 2\text{Ag} + 4\text{NH}_3 + 2\text{H}_2\text{O}

🔍 Podrobný rozbor:

• CH3CHO – etanal (acetaldehyd): aldehyd schopný redukcie.
• Ag(NH3)2+ – Tollensovo činidlo: komplexný katión striebra s amoniakom.
• Ag – kovové striebro: vytvára na skle zrkadlový povlak.
• CH3COO- – octanový anión: vzniká oxidáciou aldehydu.

🛠️ Mechanizmus:
Aldehyd sa oxiduje na karboxylovú kyselinu (vo forme octanu), pričom strieborné ióny sa redukujú na kovové striebro.

🎯 Praktický príklad:

• Test na cukry v potravinárstve: Tollensovo činidlo sa používa na dôkaz glukózy, ktorá obsahuje voľnú aldehydovú skupinu.

Zaujímavosť: Tento test sa kedysi používal aj na výrobu zrkadiel vďaka usadzovaniu striebra na sklenenom povrchu.

---

✅ Zhrnutie reakcií:

Reakcia	Východisková zlúčenina	Produkt	Praktické využitie
Oxidácia	Etanal	Kyselina octová	Výroba octu, potravinárstvo
Redukcia	Etanal	Etanol	Výroba rozpúšťadiel, dezinfekcií
Adícia kyanovodíka	Etanal	Kyanohydrín	Farmaceutický priemysel
Reakcia s Fehlingovým činidlom	Etanal	Kyselina octová, Cu2O	Dôkaz cukrov v potravinách
Reakcia s Tollensovým činidlom	Etanal	Kyselina octová, Ag	Dôkaz cukrov, výroba strieborných povrchov

---

🎯 Dúfam, že vám tieto príklady pomohli lepšie pochopiť chémiu aldehydov! 😊