کتون ها — به زبان ساده

کتون‌ها یک گروه عاملی با ساختار  $$R C ( = O ) R ^ \prime$$ هستند. در این ساختار $$R ^ \prime$$ و $$R$$ برای نشان دادن گروه‌های کربن‌دار استفاده می‌شوند. همچنین کتون،‌ ترکیبی شامل گروه عاملی کربونیل است. کتون‌ها به دلیل اینکه در ساختار خود فاقد گروه‌های فعال OH و Cl متصل به گروه کربونیل هستند، به عنوان ترکیبات ساده در صنعت و بیولوژی شناخته می‌شوند. از نمونه‌های کتون می‌توان به شکر و حلال صنعتی اَستون اشاره کرد.

خواص و ساختار کتون‌ها

کتون‌ها معمولا با آرایش الکترونی $$s p ^ 2$$ و «هیبرید شده» (Hybridized) توصیف می‌شوند. در مولکول‌های آن ساختار مثلثی با زاویه پیوند 120 درجه بین پیوندهای $$C - C - C$$ و $$C - C - O$$ وجود دارد. کتون‌ها به این دلیل با آلدهیدها تفاوت دارند که در آن‌ها گروه کربونیل $$C = O$$ از دو طرف به ساختار کربنی متصل است؛ اما در آلدهیدها گروه کربونیل از یک طرف به کربن و از طرف دیگر به هیدروژن متصل است.

به دلیل الکترونگاتیوی بیشتر عنصر اکسیژن نسبت به کربن در جدول تناوبی، گروه کربونیل خاصیت قطبی دارد. بنابراین کتون‌ها از قسمت اکسیژن، «هسته دوست» (Nucleophilic) و از قسمت کربن، «الکترون دوست» (Electrophilic) هستند. کتون‌ها به کمک گروه کربونیل، از طریق پیوند هیدروژنی با آب وارد واکنش می‌شوند و همین امر سبب انحلال‌پذیری بیشتر آنها در آب نسبت به ترکیبات «متیلن» (Methylene) شده است.

کتون‌ معمولا پذیرنده پیوند هیدروژنی است و نمی‌تواند به عنوان دهنده پیوند هیدروژنی عمل کند. همچنین کتون‌ها نمی‌توانند با یکدیگر تبادل پیوند هیدروژنی داشته باشند که این عامل سبب فراریت بیشتر آن‌ها نسبت به الکل‌ها و کربوکسیلیک اسیدها با وزن مولکولی یکسان شده است. خواص اشاره شده باعث شده است تا استفاده از کتون ها در عطرها و حلال‌ها فراگیر شود.

دسته‌بندی کتون‌ ها

کتون‌ها بر اساس گروه‌های جانشین کربنی دسته‌بندی می‌شوند. یک از دسته‌بندی‌های مهم، تقسیم کتون‌ها به دو دسته مشتقات متقارن و غیرمتقارن است. تقارن یا عدم تقارن کتون‌ها، به گروه‌های جانشین متصل به گروه کربونیل بستگی دارد. استون با فرمول $$\left(\mathrm{CH}_{3}\right)_{2} \mathrm{CO}$$ و بنزوفنون $$\left(\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{5} \mathrm{C}(\mathrm{O}) \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{5}\right)$$ متقارن، و استوفنون $$\left(\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{5} \mathrm{C}(\mathrm{O}) \mathrm{CH}_{3}\right)$$،‌ نامتقارن هستند.

دی‌کتون‌ها

دی‌کتون‌ها (دایکتون‌ها) شامل خواص شناخته شده‌ای نیستند. این ترکیبات شامل دو گروه کربونیل $$(C = O)$$ در ساختار خود هستند. ساده‌ترین آن «دیاستیل» $$(\left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{C}(\mathrm{O}) \mathrm{C}(\mathrm{O}) \mathrm{CH}_{3}\right.)$$ است که به عنوان طعم‌دهنده در ذرت بو داده استفاده می‌شود.

کتون‌های سیر نشده

کتون‌هایی که شامل آلکان‌ها و آلکین‌ها باشند به عنوان کتون‌های سیرنشده شناخته می‌شوند. «متیل واینیل کتون» $$(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{C}(\mathrm{O}) \mathrm{CH}=\mathrm{CH}_{2})$$ معروف‌ترین نوع کتون است که در واکنش‌های ساخت پیوندهای حلقوی کربن-کربن به کار می‌رود. البته کتون‌ها به طور کل ماهیتی سیر نشده دارند و این یعنی می‌توان آنها را هیدروژن‌دار (هیدروژنه)‌ کرد.

کتون‌های حلقوی

بیشتر کتون‌ها حلقوی هستند. ساده‌ترین نوع آنها با فرمول $$\left(\mathrm{CH}_{2}\right)_{n} \mathrm{CO}$$ شناخته می‌شوند که در آن $$n$$ از ۲ تا ۱۹ تغییر می‌کند. از انواع کتون‌های حلقوی می‌توان به سیکلوهگزانون با ساختار متقارن اشاره کرد که در تولید نایلون نقش دارد. همچنین «ایزو-فرون» (Isophoron)، که از استون مشتق شده است، یک کتون سیرنشده با ساختاری نامتقارن است که از آن در تولید پلیمرها استفاده می‌شود. «سیکلو-بوتانون» نیز در دسته‌بندی کتون‌های حلقوی جای می‌گیرد.

توتومریزاسیون

کتون‌هایی که دارای هیدروژن آلفا باشند، تحت یک واکنش تعادلی با نام «توتومریزاسیون» (Tautomerization) به «انول» تبدیل می‌شوند و نوع پیوند هیدروژن خود را تغییر می‌دهند. در این تغییر، هیدروژن متصل به کربن به اکسیژن متصل می‌شود و یک انول را تشکیل می‌دهد.

فیلم آموزش شیمی آلی 1 – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

از واکنش‌های کاتالیستی توسط اسید و باز برای سرعت بخشیدن به توتومری شدن بهره می‌گیرند. معمولا یک کتون نسبت به انول پایدارتر است. این امر سبب می‌شود تا برای تشکیل کتون‌ها از هیدروژناسیون آلکین‌ها استفاده شود.

خواص اسیدی و بازی کتون ها

کتون‌ها با داشتن $$pK_a$$ در حدود 20، خاصیت اسیدی به مراتب بیشتری نسبت به آلکان‌ها با $$pK_a$$ حدود 50 دارند. کتون‌ها همچنین به عنوان باز ضعیف نیز شناخته می‌شوند.

فیلم آموزش شیمی آلی 1 – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

اکسیداسیون در کتون

همانطور که گفته شد، تفاوت آلدهیدها با کتون‌ها در هیدروژن متصل به گروه کربونیل است. با توجه به اینکه کتون‌ها، هیدروژن متصل به کربونیل را ندارند، مقاومت آنها نسبت به اکسید شدن بیشتر است و تنها با عوامل اکسنده قوی که توانایی شکافتن پیوند کربن-کربن را داشته باشند اکسید می‌شوند. لازم به ذکر است که کتون‌ها به خوبی طیف فروسرخ را تا نزدیک به $$1700 \ cm ^{-1}$$ جذب می‌کنند.

سنتز کتون ها

روش‌های متعددی برای آماده‌سازی کتون‌ها در مقیاس صنعتی و آزمایشگاهی وجود دارد. علاوه بر این، کتون‌ها به طرق مختلف توسط جانداران تولید می‌شوند.

در صنعت، مهم‌ترین روش تولید کتون، اکسیداسیون هیدروکربن‌ها توسط هوا است. به طور مثال، سالانه هزار میلیارد کیلوگرم سیکلوهگزانون توسط اکسیداسیون سیکلوهگزان با هوا تولید می‌شود. در مقیاس آزمایشگاهی، کتون‌ها با اکسیداسیون الکل‌های نوع دوم تولید می‌شوند:

\begin{equation}
\mathrm{R}_{2} \mathrm{CH}(\mathrm{OH})+\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{R}_{2} \mathrm{C}=\mathrm{O}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}
\end{equation}

در واکنش بالا از «پتاسیم پرمنگنات» $$(K M n O _ 4)$$ یا ترکیبات کروم به عنوان عامل اکسنده قوی استفاده می‌شود.

روش‌های دیگری برای تولید کتون‌ها وجود دارد که در زیر به برخی از آنها اشاره شده است:

هیدرولیز هالیدهای «گمینال» (Geminal): در تصویر زیر این فرآیند نشان داده شده که در آن $$X$$ یک هالوژن است.

هیدروژنه کردن آلکین‌ها: این فرآیندها نیازمند انول در حضور اسید و $$Hg S O_4$$ است که در نهایت سبب تولید کتون می‌شود:

فرآیند فریدل-کرافتس: کتون‌های آروماتیک با استفاده از «آسیلاسیون فریدل-کرافتس» (Friedel–Crafts Acylation) تهیه می‌شوند:

واکنش‌ها

کتون‌ها در بسیاری از واکنش‌های آلی حضور دارند. اساس بیشتر این واکنش‌ها به دلیل شرکت کردن کربن متصل به گروه کربونیل در واکنش‌های افزایشی هسته‌دوست و تمایل «انولات‌ها» (Enolates) به اضافه شدن به الکترون‌دوست‌ها است. این نوع از واکنش‌ها به صورت زیر است:

• کتون‌ها در واکنش با آب (هیدراسیون)، ترکیباتی را موسوم به «گمینال دی اول‌ها» (Geminal Diol) را تشکیل می‌دهند. این ترکیبات شامل دو گروه عاملی هیدروکسیل هستند که ساختار کلی آنها در تصویر زیر آورده شده است:

• در واکنش با ماده گرینیارد در حضور یک اورگانولیتیوم، الکل نوع سوم بدست می‌دهند.
• با عوامل اکسنده قوی، کربوکسیلیک اسیدها بدست می‌آیند.

کاربردها

کتون‌ها در مقیاس صنعتی برای داروسازی، پلیمر و همچنین به عنوان حلال، بکار گرفته می‌شوند. مهمترین کتون‌ها عبارت از استون، متیل اتیل کتون (بوتانون) و سیکلوهگزانون هستند. کاربرد این کتون‌ها بیشتر در بیوشیمی است و در شیمی آلی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. سوختن هیدروکربن‌ها، فرآیند اکسیداسیون کنترل نشده|ی است که منجر به تولید کتون در کنار دیگر ترکیبات می‌شود.

داروسازی

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد،‌ از کتون‌ها در داروسازی نیز بهره می‌گیرند. در جدول زیر، نام برخی از داروهای برگرفته از کتون‌ها آورده شده است:

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
• آموزش داکینگ مولکولی (Molecular Docking) با نرم افزار AutoDock
• عدد اکسایش — به زبان ساده
• تیتراسیون — به زبان ساده

^^