Кетоны

Кетоны — это органические соединения, в молекулах которых карбонильная группа (>C=O) связана с двумя углеводородными радикалами. Кетоны относятся к классу карбонильных соединений и являются структурными изомерами альдегидов, в которых карбонильная группа расположена на конце углеродной цепи. Общая формула кетонов — R1–CO–R2, где R1 и R2 — алкильные или арильные заместители. Простейшим представителем класса является ацетон (диметилкетон, CH3–CO–CH3). Кетоны широко распространены в природе, играют важную роль в биохимических процессах и используются в промышленности, фармацевтике и органическом синтезе.

История открытия и изучения

Первые сведения о кетонах относятся к началу XVII века. В 1606 году немецкий алхимик Андреас Либавий получил ацетон путём сухой перегонки ацетата свинца, назвав его «горючим духом свинца» (spiritus ardens plumbi). В 1832 году французские химики Жан-Батист Дюма и Жюль Булле установили эмпирическую формулу ацетона (C3H6O). В 1848 году немецкий химик Герман Кольбе впервые синтезировал ацетон из неорганических веществ, подтвердив его состав.

Термин «кетон» был предложен в 1848 году немецким химиком Леопольдом Гмелином как производное от слова «ацетон». Систематическая номенклатура кетонов была разработана в конце XIX века. В 1881 году русский химик Александр Михайлович Зайцев разработал метод получения кетонов из карбоновых кислот (реакция Зайцева). В XX веке изучение кетонов активно развивалось в рамках органической химии и биохимии, что привело к открытию кетоновых тел и их роли в метаболизме.

Физические свойства

Кетоны представляют собой бесцветные жидкости (низшие кетоны, например ацетон) или твёрдые вещества (высшие кетоны, например бензофенон). Они обладают характерным запахом, часто напоминающим запах растворителей. Физические свойства кетонов обусловлены полярностью карбонильной группы.

Основные физические характеристики:

• Температура кипения кетонов выше, чем у углеводородов с аналогичной молекулярной массой, но ниже, чем у спиртов. Например, ацетон кипит при 56,1 °C, а его изомер — пропаналь — при 48,8 °C. Это связано с отсутствием межмолекулярных водородных связей у кетонов (в отличие от спиртов).
• Растворимость в воде: низшие кетоны (до C4) хорошо растворимы в воде за счёт образования водородных связей с молекулами воды. С увеличением углеводородного радикала растворимость падает. Кетоны хорошо растворяются в органических растворителях (этанол, диэтиловый эфир, хлороформ).
• Плотность кетонов меньше плотности воды (например, плотность ацетона — 0,79 г/см³). Высшие кетоны имеют плотность, близкую к единице.
• Температура плавления возрастает с увеличением молекулярной массы и симметричности молекулы. Например, ацетон плавится при −95 °C, а бензофенон — при 48 °C.

Химические свойства

Химические свойства кетонов определяются наличием карбонильной группы, которая является электрофильным центром. Кетоны менее реакционноспособны, чем альдегиды, из-за стерических и электронных эффектов двух алкильных групп.

Реакции нуклеофильного присоединения

Карбонильная группа кетонов подвергается атаке нуклеофилов. Ключевые реакции:

• Присоединение воды (гидратация): обратимая реакция с образованием геминальных диолов (кетогидратов). Равновесие сильно смещено в сторону исходного кетона.
• Присоединение спиртов: образование полуацеталей и ацеталей (кетали) в присутствии кислотных катализаторов.
• Присоединение циановодорода: образование циангидринов (α-оксинитрилов), важных в синтезе α-гидроксикислот.
• Присоединение гидросульфита натрия: образование кристаллических гидросульфитных производных, используемых для выделения и очистки кетонов.

Реакции восстановления

• Каталитическое гидрирование (в присутствии Ni, Pt, Pd) приводит к образованию вторичных спиртов.
• Восстановление по Клемменсену (амальгама цинка в соляной кислоте) превращает кетоны в алканы.
• Восстановление по Вольфу — Кижнеру (гидразин и щёлочь) также даёт алканы.

Реакции окисления

Кетоны устойчивы к окислению в мягких условиях, в отличие от альдегидов. В жёстких условиях (сильные окислители, высокая температура) происходит разрыв углерод-углеродной связи с образованием смеси карбоновых кислот. Эта реакция используется для определения структуры кетонов.

Реакции конденсации

• Альдольная конденсация (в присутствии оснований): кетоны способны к самоконденсации, образуя β-гидроксикетоны (альдоли). При нагревании альдоли дегидратируются в α,β-ненасыщенные кетоны.
• Реакция Канниццаро для кетонов не характерна (только для альдегидов без α-водородных атомов).

Другие реакции

• Галогенирование (реакция Гелля — Фольгарда — Зелинского): замещение α-водородных атомов на галоген в присутствии кислотного катализатора.
• Реакция с реактивом Гриньяра: образование третичных спиртов.
• Реакция с гидроксиламином: образование оксимов (используются для идентификации кетонов).
• Реакция с фенилгидразином: образование фенилгидразонов.
• Реакция с аммиаком (в присутствии восстановителя): восстановительное аминирование с образованием аминов.

Классификация

Кетоны классифицируют по нескольким признакам:

По строению углеводородных радикалов

• Алифатические кетоны (ациклические): радикалы R1 и R2 — алкильные группы. Примеры: ацетон (диметилкетон), метилэтилкетон (бутанон-2), диэтилкетон (пентанон-3).
• Алициклические кетоны: карбонильная группа входит в состав циклической системы. Примеры: циклогексанон, циклопентанон.
• Ароматические кетоны: один или оба радикала — арильные группы. Примеры: ацетофенон (метилфенилкетон), бензофенон (дифенилкетон).
• Смешанные кетоны: один радикал алкильный, другой — арильный. Пример: ацетофенон.

По симметричности

• Симметричные кетоны: R1 = R2. Пример: ацетон (CH3–CO–CH3).
• Несимметричные кетоны: R1 ≠ R2. Пример: метилэтилкетон (CH3–CO–C2H5).

По числу карбонильных групп

• Монокетоны: одна карбонильная группа.
• Дикетоны: две карбонильные группы. Различают α-дикетоны (соседние группы, например диацетил), β-дикетоны (через один атом углерода, например ацетилацетон) и γ-дикетоны (через два атома углерода).
• Поликетоны: три и более карбонильных группы.

Номенклатура

В систематической номенклатуре IUPAC названия кетонов образуются путём замены суффикса «-ан» в названии соответствующего алкана на «-он» с указанием положения карбонильной группы (наименьший номер). Например: пропанон-2 (ацетон), бутанон-2 (метилэтилкетон), пентанон-3 (диэтилкетон).

Для симметричных кетонов часто используют рациональные названия, где перечисляются радикалы в алфавитном порядке с добавлением слова «кетон». Например: диметилкетон, метилфенилкетон.

Ароматические кетоны называют как производные бензофенона (дифенилкетон) или ацетофенона (метилфенилкетон).

Способы получения

Лабораторные методы

• Окисление вторичных спиртов: под действием хромовой кислоты (H2CrO4) или бихромата калия (K2Cr2O7) в кислой среде. Метод является одним из основных.
• Гидратация алкинов (реакция Кучерова): присоединение воды к алкинам в присутствии солей ртути (Hg2+) с образованием кетонов (правило Марковникова). Например, гидратация пропина даёт ацетон.
• Пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот: при нагревании образуются кетоны. Например, пиролиз ацетата кальция даёт ацетон.
• Реакция Фриделя — Крафтса: ацилирование ароматических соединений хлорангидридами карбоновых кислот в присутствии хлорида алюминия (AlCl3). Метод используется для синтеза ароматических кетонов.
• Реакция Гриньяра: взаимодействие реактивов Гриньяра с нитрилами или хлорангидридами кислот.
• Окисление алканов (в промышленности): каталитическое окисление пропана или бутана кислородом воздуха.

Промышленные методы

• Кумольный метод (для получения ацетона и фенола): окисление изопропилбензола (кумола) кислородом с последующим разложением гидропероксида кумола серной кислотой. Ацетон является побочным продуктом.
• Дегидрирование изопропилового спирта: пропуск паров спирта над медным или цинковым катализатором при 250–400 °C.
• Гидратация ацетилена (реакция Кучерова): в промышленности используется для получения ацетона из ацетилена (устаревший метод, вытеснен кумольным).
• Окисление циклогексана: для получения циклогексанона (сырьё для капролактама).

Применение

Кетоны находят широкое применение в различных отраслях промышленности и науки.

Промышленность

• Растворители: ацетон, метилэтилкетон (бутанон-2) и циклогексанон используются как растворители для лаков, красок, клеёв, пластмасс, жиров и масел. Ацетон является одним из самых распространённых органических растворителей.
• Сырьё для органического синтеза: кетоны используются для получения спиртов, кислот, полимеров, лекарственных средств. Например, ацетон применяется для синтеза метилметакрилата (сырьё для оргстекла), бисфенола А (сырьё для эпоксидных смол и поликарбонатов), ацетонциангидрина (сырьё для метилметакрилата).
• Производство полимеров: циклогексанон — сырьё для капролактама, из которого получают капрон (полиамид-6). Ацетон используется в производстве поликарбонатов.
• Фармацевтика: кетоны являются промежуточными продуктами в синтезе многих лекарственных веществ (например, анальгетиков, антибиотиков, гормонов). Ацетон используется как экстрагент и растворитель в производстве лекарств.
• Парфюмерия и косметика: некоторые кетоны (например, мускусные кетоны) используются как фиксаторы запаха и ароматизаторы. Иононы и дамасконы — кетоны с запахом фиалки и розы — применяются в парфюмерных композициях.

Биохимия и медицина

• Кетоновые тела: ацетон, ацетоуксусная кислота и β-гидроксимасляная кислота образуются в печени при метаболизме жирных кислот. В норме их концентрация в крови невелика, но при голодании, сахарном диабете или кетогенной диете их уровень возрастает (кетоз). Кетоновые тела служат альтернативным источником энергии для мозга и мышц.
• Диагностика: определение уровня кетоновых тел в моче и крови используется для диагностики сахарного диабета (диабетический кетоацидоз) и других метаболических нарушений.
• Кетогенная диета: диета с высоким содержанием жиров и низким содержанием углеводов, приводящая к повышению уровня кетоновых тел. Используется для лечения эпилепсии (особенно у детей) и некоторых неврологических заболеваний.

Другие области

• Аналитическая химия: кетоны используются как реагенты для идентификации альдегидов и кетонов (реакция с 2,4-динитрофенилгидразином).
• Фотография: некоторые кетоны (например, бензофенон) используются как фотоинициаторы в УФ-отверждаемых покрытиях.

Биологическая роль

Кетоны играют важную роль в метаболизме живых организмов. Кетоновые тела (ацетон, ацетоуксусная кислота, β-гидроксимасляная кислота) образуются в митохондриях клеток печени в процессе β-окисления жирных кислот. В условиях недостатка глюкозы (голодание, интенсивные физические нагрузки, сахарный диабет) кетоновые тела становятся важным источником энергии для мозга, сердечной мышцы и скелетных мышц.

Уровень кетоновых тел в крови регулируется гормонами (инсулин, глюкагон). При сахарном диабете 1-го типа (инсулинозависимом) дефицит инсулина приводит к неконтролируемому образованию кетоновых тел, что вызывает диабетический кетоацидоз — опасное для жизни состояние, характеризующееся закислением крови (ацидозом) и высоким уровнем ацетона в крови и моче.

Некоторые кетоны (например, фруктоза, рибоза) являются компонентами углеводов и нуклеиновых кислот. Кетоны также участвуют в синтезе стероидных гормонов (например, прогестерона, кортизола) и витамина D.

Интересные факты

• Ацетон является одним из немногих органических растворителей, смешивающихся с водой в любых пропорциях.
• В организме человека ацетон образуется в небольших количествах в процессе нормального метаболизма и выводится через лёгкие и почки. Запах ацетона изо рта может указывать на диабетический кетоацидоз.
• Кетоны используются в производстве взрывчатых веществ (например, ацетон используется для получения гексогена).
• Некоторые кетоны (например, циклические кетоны с длинной углеродной цепью) являются компонентами природных феромонов насекомых.
• В 2020 году российские учёные из Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН разработали новый метод синтеза кетонов из алкенов с использованием катализаторов на основе палладия.

Источники

• Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1981.
• Травень В. Ф. Органическая химия. — М.: Академкнига, 2004.
• Марч Дж. Органическая химия. Реакции, механизмы, структура. — М.: Мир, 1987.
• Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия. Т. 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990.
• Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А. Начала органической химии. — М.: Химия, 1974.
• Реутов О. А., Курц А. Л., Бутин К. П. Органическая химия. — М.: Бином, 2004.
• Березин Б. Д., Березин Д. Б. Курс современной органической химии. — М.: Высшая школа, 2001.