Метилкетоны

Метилкетоны — это класс органических соединений, кетоны, содержащие метильную группу (CH₃—), непосредственно связанную с карбонильной группой (C=O). Общая формула метилкетонов — CH₃–C(O)–R, где R — алкильный или арильный радикал. Метилкетоны являются наиболее простыми представителями кетонов и широко распространены в природе, промышленности и биохимии.

Химическое строение и номенклатура

Метилкетоны отличаются от других кетонов наличием метильного заместителя при карбонильном углероде. Карбонильная группа в метилкетонах обладает полярностью, что обусловливает их физические и химические свойства. По номенклатуре IUPAC метилкетоны называют, добавляя суффикс «-он» к названию углеводородной цепи, содержащей карбонильную группу, с указанием положения метильной группы. Например, CH₃–C(O)–CH₃ — пропанон (ацетон), CH₃–C(O)–CH₂CH₃ — бутанон (метилэтилкетон).

Физические свойства

Метилкетоны — это, как правило, бесцветные жидкости с характерным запахом. Низшие метилкетоны (ацетон, бутанон) хорошо растворимы в воде и органических растворителях, обладают высокой летучестью и низкой вязкостью. С увеличением длины углеводородного радикала R растворимость в воде падает, а температура кипения и вязкость возрастают. Многие метилкетоны являются легковоспламеняющимися жидкостями.

Химические свойства

Метилкетоны вступают в типичные для кетонов реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе (например, с циановодородом, гидросульфитом натрия, аммиаком и его производными). Особенностью метилкетонов является способность к реакции иодоформной пробы (галоформная реакция): при нагревании с йодом и щелочью они образуют йодоформ (CHI₃) — вещество с характерным запахом, что используется для качественного определения метилкетонов. Также метилкетоны могут подвергаться альдольной конденсации, окислению до карбоновых кислот (с разрывом углерод-углеродной связи), восстановлению до вторичных спиртов.

Классификация и примеры

По строению радикала R метилкетоны делятся на:

• Алифатические (R — алкил): ацетон (пропанон), метилэтилкетон (бутанон), метилпропилкетон (пентанон-2), метилизобутилкетон (гексанон-2).
• Ароматические (R — арил): ацетофенон (метилфенилкетон), метилтолилкетон.
• Циклические (R — циклоалкил): метилциклогексилкетон.

Получение

Основные промышленные способы получения метилкетонов:

• Окисление вторичных спиртов (например, окисление изопропанола до ацетона).
• Гидратация алкинов (реакция Кучерова) — присоединение воды к ацетилену и его гомологам в присутствии солей ртути (II) с последующей изомеризацией. Например, из ацетилена получают ацетон, из метилацетилена — ацетон.
• Окисление алкилбензолов (например, окисление изопропилбензола — кумола — до ацетона и фенола).
• Пиролиз солей карбоновых кислот (например, пиролиз ацетата кальция даёт ацетон).
• Каталитическое дегидрирование спиртов (например, дегидрирование изопропанола в присутствии медных или цинковых катализаторов).

Применение

Метилкетоны находят широкое применение в промышленности и быту:

• Растворители: ацетон и метилэтилкетон являются одними из самых распространённых растворителей для лаков, красок, клеёв, смол, жиров и масел. Ацетон используется для обезжиривания поверхностей, очистки лабораторной посуды.
• Сырьё для органического синтеза: ацетон является исходным веществом для получения метилметакрилата (полиметилметакрилат, оргстекло), бисфенола А (эпоксидные смолы, поликарбонаты), ацетонциангидрина, дикетена, уксусного ангидрида. Метилизобутилкетон используется как экстрагент в металлургии (извлечение урана, циркония).
• Фармацевтика: ацетон используется как растворитель в производстве лекарственных препаратов. Ацетофенон применяется в синтезе некоторых лекарственных средств (например, парацетамола).
• Парфюмерия и косметика: ацетон входит в состав средств для снятия лака, ацетофенон обладает запахом, напоминающим запах померанца, и используется в отдушках.
• Пищевая промышленность: ацетон (пищевая добавка E1520) разрешён в качестве экстрагента и растворителя в ограниченных количествах.
• Аналитическая химия: реакция иодоформной пробы используется для качественного обнаружения метилкетонов и этанола.

Биологическая роль и токсикология

Метилкетоны, в частности ацетон, образуются в организме человека в небольших количествах в процессе метаболизма жиров (кетоновые тела). При нарушениях углеводного обмена (например, при сахарном диабете, голодании) концентрация ацетона в крови и моче может повышаться, что приводит к состоянию кетоза.

Большинство метилкетонов являются токсичными веществами. Они обладают наркотическим действием, раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При длительном воздействии могут вызывать поражение нервной системы, печени и почек. Ацетон и метилэтилкетон классифицируются как легковоспламеняющиеся жидкости, их пары образуют взрывоопасные смеси с воздухом. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны для ацетона составляет 200 мг/м³, для метилэтилкетона — 200 мг/м³.

Экологические аспекты

Метилкетоны, особенно низшие, являются летучими органическими соединениями (ЛОС). Их выбросы в атмосферу способствуют образованию фотохимического смога и озона в приземном слое. В связи с этим в ряде стран (например, в странах Европейского союза, США) действуют ограничения на содержание ЛОС в лакокрасочных материалах и бытовой химии, что стимулирует замену ацетона и метилэтилкетона на менее летучие растворители (например, сложные эфиры, гликоли). В водной среде метилкетоны подвергаются биодеградации, но могут оказывать токсическое действие на водные организмы.

Источники

1. Химическая энциклопедия. Том 3. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.
2. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1981.
3. Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1961–1967.
4. Вредные вещества в промышленности. Справочник. Том 1. — Л.: Химия, 1976.
5. ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.