در علم شیمی، کتون (Ketone) به ترکیبات آلی اکسیژن داری گفته می شود که گروه عاملی کربونیل (C=O) دارند. در این دسته از ترکیبات آلی، هر دو گروه متصل به گروه کربونیل (Carbonyl)، هیدروکربنی (آلکیل و یا آریل) هستند. یک کتون را می‌توان با فرمول R۱(CO)R۲ بیان کرد. به بیان ساده تر، کتون یک گروه عاملی است که می توان آن را از طریق گروه کربونیلی که به دو اتم کربن متصل است، شناخت. توجه داشته باشید که این دسته از ترکیبات آلی، در ساختار خود گروه های فعالی مانند OH ،Cl و … متصل به گروه کربونیل ندارند، از این جهت به عنوان ترکیبات ساده شناخته می شوند. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی کتون و انواع مختلف آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
گروه عاملی کربونیل
در این گروه عاملی، یک اتم کربن با پیوند دوگانه به یک اتم اکسیژن متصل است. در واقع، گروه عاملی کربونیل از یک پیوند سیگما و یک پیوند پای تشکیل شده است. به دلیل عدم پخش یکنواخت بار در طول پیوند اکسیژن– کربن، این پیوند، قطبی است. این گروه عاملی علاوه بر ترکیبات آلی، در ترکیبات کمپلکس و ترکیبات معدنی نیز وجود دارد. لازم به ذکر است که پیوند های کووالانسی میان اتم کربن گروه کربونیل، با دو اتم کربن دیگر، کتون را از سایر گروه های عاملی نظیر کربوکسیلیک اسید ها، استر ها، آلدهید ها، آمید ها و دیگر ترکیبات اکسیژن دار جدا می کند. علاوه بر آن، پیوند دوگانه کربن- کربن گروه عاملی کربونیل نیز می تواند آن را از الکل ها و اتر ها متمایز نماید.
خواص کتون ها
بسته به طول زنجیره های متفاوت کتون ها، این دسته از ترکیبات آلی، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مختلفی را نشان می دهند. توجه داشته باشید که به اتم کربنی که به کربن گروه کربونیل متصل است، کربن آلفا و همچنین به اتم هیدروژنی که به این کربن پیوند داده، هیدروژن آلفا می گویند.
خواص فیزیکی
کتون ها آرایش الکترونی هیبرید شده sp۲ را نشان می دهند. همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید، مولکول های آن دارای ساختار مثلثی با زاویه های پیوندی ۱۲۰ درجه میان پیوند های C–C–C و C–C–O است. همانطور که بیان شد، کتون ها ترکیباتی قطبی محسوب می شوند. از طریق گروه کربونیل می توانند با سایر مولکول ها مانند آب، پیوند هیدروژنی بدهند. قطبیت آنها از اتر ها بالاتر است. زیرا قطبیت پیوند دوگانه کربن– اکسیژن در مقایسه با پیوند یگانه آن بیشتر می باشد. همچنین، طریقه جهت گیری دو پیوند یگانه کربن– اکسیژن در اترها به صورتی است که قدری یکدیگر را خنثی می کنند.
خواص شیمیایی
کتون ها مولکول های مایعی هستند که بسیار مشابه آلدئید ها می باشند. تفاوت اصلی میان آنها در ساختار شیمیایی است. کربن گروه عاملی کربونیل در آلدئید ها حداقل به یک اتم هیدروژن پیوند داده است، در حالیکه در کتون ها این کربن به هیچ اتم هیدروژنی متصل نیست (با دو کربن پیوند دارد). این ترکیبات همچون آلدئید ها مولکول هایی قطبی اند. دمای جوش آن ها نیز تقریبا مشابه و نزدیک آلدئید های هم جرم است.
کتون های سبک در آب انحلال پذیر هستند، اما با افزایش تعداد کربن های آنها، از حلالیت در آب به تدریج کاسته می شود. این دسته از ترکیبات آلی، خاصیت کاهندگی ندارند و از اکسایش الکل نوع دوم بدست می آیند. علاوه بر آن، انرژی پیوند کربونیل در آنها ۱۸۰ کیلو کالری بر مول است. این ترکیبات همچنین خاصیت اسیدی از خود نشان می دهند. جالب است بدانید که به عنوان باز ضعیف نیز شناخته می شوند. جالب است بدانید که آلدئید ها و کتون های هم کربن با یکدیگر ایزومر هستند. به عنوان مثال، هگزانال و هگزانون ایزومر هم می باشند.
تشخیص آلدئید از کتون
ببرخی از آزمایشاتی که برای تشخیص آلدئید ها از کتون ها بکار می روند عبارتند از: آزمایش شیف (Schiff test)، آزمایش تولنس یا تولنز (Tollens’ reagent)، آزمایش هیدروکسید سدیم و غیره. به عنوان مثال، آزمون تولنس همان محلول آمونیاکی نیترات نقره است. آلدئید به وسیله محلول آمونیاکی نیترات نقره اکسید می شود و در نتیجه یک مولکول اسید به همراه رسوب نقره (آینه) تشکیل می شود. این واکنش، واکنش آینه ای شدن نیز نامیده می شود. در حالیکه کتون بر محلول آمونیاکی نیترات نقره تاثیری ندارد. روش دیگر، استفاده از محلول پرمنگنات پتاسیم است. آلدئید به وسیله محلول اسیدی پرمنگنات پتاسیم به آسانی اکسید می گردد. محصول واکنش كربوكسیلیك اسید بوده و محلول بنفش رنگ پرمنگنات پتاسیم، بی رنگ می شود. در حالیکه بر کتون ها بی اثر می باشد.
نامگذاری کتونها
در نامگذاری آیوپاک، کتونها با پسوند ان (one) به جای پسوند اِ (e) به آخر آلکان مادر مشخص می شوند. در واقع به صورت آلکانون نامگذاری می گردند. زنجیره اصلی در حقیقت بلند ترین زنجیر شامل گروه کتون است (به بیان دیگر، زنجیر اصلی باید حتما شامل گروه کربونیل باشد). شماره گذاری از سر نزدیک تر به کربن گروه کربونیل آغاز می شود. به بیان ساده تر، شماره گذاری اتم های کربن در این ترکیبات، از طرفی انجام می شود که گروه کربونیل، شماره کمتری بگیرد. دقت داشته باشید که موقعیت گروه کربونیل در این ترکیبات، با عدد مشخص می شود. بعد از ذکر شماره گروه عاملی کربونیل، اسم هیدروکربن را بیان کرده و در نهایت پسوند اون به آن اضافه می شود. ساده ترین کتون دارای تنها سه اتم کربن است که استون، پروپانون یا دی متیل کتون نامیده می شود.
اگر ترکیبی به صورت همزمان گروه آلدئیدی و کتونی داشته باشد، گروه عاملی آلدئیدی بر کتونی مقدم است. به علاوه، اگر ترکیبی گروه اسیدی نیز داشته باشد، اولویت شماره گذاری دوباره با گروه اسیدی است. حال اگر گروه های آلدئیدی و کتونی در مولکول به صورت استخلاف باشند، برای گروه کربونیل از پیشوند اُکسو و برای گروه آلدئید از پیشوند فُرمیل استفاده می کنند.
انواع کتون ها
این ترکیبات بر اساس گروه های متصل به کربن گروه کربونیل، تقسیم بندی می شوند. به عنوان مثال، یکی از انواع دسته بندی، تقسیم آنها به دو دسته مشتقات متقارن و نامتقارن است. همانطور که از نام آنها مشخص است، تقارن یا عدم تقارن آنها، به گروه های متصل به کربن گروه کربونیل بستگی دارد. مثلا استون (CH۳(CO)CH۳) مولکولی متقارن، در حالیکه استوفنون (C۶H۵(CO)CH۳) غیر متقارن هستند.
دی‌کتون ها
دی‌کتون ها یا دایکتون ها خواص شناخته شده ای ندارند. همانطور که از نامشان مشخص است، این ترکیبات دو گروه کربونیل در ساختار خود دارند. ساده ترین آنها ملکول دی‌استیل (CH۳(CO)(CO)CH۳) است. این مولکول در ذرت بو داده به عنوان طعم دهنده مورد استفاده قرار می گیرد.
کتون های سیر نشده
این ترکیبات را می توان با توجه به اشباع یا غیر اشباع بودن زنجیره های کربنی، تقسیم بندی کرد. اگر زنجیره های کربنی آلکان باشند، کتون اشباع (سیر شده) خواهد بود. در حالیکه، اگر در ساختار این ترکیبات، گروه های آلکن و یا آلکین وجود داشته باشد، در دسته کتون های سیر نشده قرار می گیرند. به عنوان مثال، مولکول متیل واینیل کتون (CH۳C(O)CH=CH۲) را در نظر بگیرید.
کتون های حلقوی
اغلب کتون ها حلقوی می باشند. این دسته از ترکیبات دارای فرمول CH۲)n CO) می باشند که n در آنها از ۲ تا ۱۹ متغیر است. از جمله این ترکیبات می توان به سیکلوهگزانون، ایزو- فرون و سیکلو-بوتانون اشاره کرد.
سنتز کتون ها
روش های مختلفی برای سنتز کتون ها در مقیاس های صنعتی و یا آزمایشگاهی وجود دارد. همچنین این ترکیبات توسط جانداران به طرق مختلف تولید می شوند. به عنوان مثال، مهم ترین روش سنتز کتون ها در صنعت، اکسیداسیون هیدروکربن ها به وسیله هوا است. از دیگر روش های سنتز می توان اکسایش آلکن ها، اکسایش الکل های نوع دوم، هیدرولیز آلکین ها به وسیله نمک های جیوه (HgSO۴)، آسیل دار کردن فریدل- کرافتس، سنتز کتون ها با استفاده از ترکیبات آلی مس، اکسیداسیون آلکیل بنزن ها و هیدرولیز ترکیبات نیتریل (-C≡N) اشاره کرد.
واکنش های کتون ها
این ترکیبات در بسیاری از واکنش های آلی شرکت می کنند. گروه کربونیل در آنها، مهمترین مرکز واکنش محسوب می شود. در واقع به دلیل وجود پیوند دوگانه کربن- اکسیژن و همچنین با توجه به قطبی بودن این پیوند، یک گروه هسته دوست می تواند به گروه عاملی کربونیل حمله کند. جالب است بدانید که به دلیل مسطح بودن گروه کربونیل، گروه هسته دوست به راحتی می تواند از هر دو سمت به پیوند پای حمله کند. در طی این واکنش، هیبرید کربن از sp۲به sp۳ تغییر می کند.
از جمله واکنش های افزایش هسته دوستی می توان به افزایش هسته دوستی هیدرازین (واکنش ولف کیشنر)، افزایش هسته دوستی آمین ها (تشکیل ایمین و انامین)، افزایش هسته دوستی الکل ها (تشکیل استال)، افزایش هسته دوستی ایلید های فسفر (واکنش ویتیگ)، افزایش هسته دوستی مزدوج به کتون های سیر نشده a،b ، افزایش مزدوج آب، افزایش مزدوج آمین ها و افزایش مزدوج گروه های آلکیل (واکنشگر های ارگانو مس) اشاره کرد. توجه داشته باشید که ممانعت فضایی (بزرگتر شدن گروه های آلکیل) می تواند در نزدیک شدن گروه هسته دوست به کربن گروه کربنیل مشکل ایجاد کند. علاوه بر آن، گروه های الکترون دهنده باعث کاهش فعالیت گروه عاملی کربونیل می شوند، در حالیکه گروه های الکترون کشنده سبب افزایش فعالیت آن می شوند.
هیدراسیون
در واکنش کتون ها با آب، ترکیباتی به نام گمینال دی اول ها (Geminal Diol) تشکیل می شوند. همانطور که از نامشان مشخص است، در این ترکیبات، دو گروه عاملی هیدروکسیل وجود دارد. به بیان دیگر، محصول واکنش افزایش هسته دوستی کتون ها با آب، ۱، ۱- دی ال ها یا دی ال های دو قلو می باشند. دقت داشته باشید که این واکنش، برگشت پذیر است. بنابراین یک دی ال دو قلو می تواند با حذف آب به کتون اولیه تبدیل شود.
واکنش با HCN
کتون های کم ازدحام می توانند با مولکول HCN واکنش دهند و مولکول سیانو هیدرین تولید کنند. این واکنش در حالت عادی یه آرامی انجام می شود، اما با افزودن باز به محیط واکنش می توان به آن سرعت بخشید.
واکنش با واکنشگر گرینیارد و ارگانو لیتیم
در واکنش با واکنشگر گرینیارد (RMgX) و در حضور اورگانولیتیم (RLi) الکل نوع سوم سنتز می گردد.
احیای کتون ها
این دسته از ترکیبات به وسیله برخی کاهش دهنده ها مثل سدیم بورو هیدرید (NaBH۴)، لیتیم آلومینیم هیدرید (LiAlH۴) و یا هیدروژن به همراه کاتالیزور های پلاتین، پلادیم و… به الکل مربوطه نوع دوم تبدیل می شود. جالب است بدانید که احیا کننده های NaBH۴ و LiAlH۴ جوری رفتار می کنند، انگار دهنده یون هیدرید (H–) می باشند.
اکسایش کتون ها
این ترکیبات به آسانی اکسید نمی شوند. به عبارت دیگر، کتون ها نسبت به بیشتر عوامل اکسید کننده، خنثی می باشند. البته توجه داشته باشید که در مجاورت اکسید کننده پرمنگنات پتاسیم (KMnO۴) قلیایی داغ، به آرامی واکنش می دهند. عوامل اکسنده قوی، کتون را تبدیل به کربوکسیلیک اسید می کند.
کاربرد های کتون
کتون ها ترکیبات بسیار ارزشمندی می باشند که در صنعت به عنوان حلال، ماده اولیه پلیمر ها (مثلا سیکلو هگزانون به عنوان ماده اولیه مصنوعی نایلون) و همچنین مواد دارویی کاربرد فراوانی دارند. از جمله کتون های مشهور می توان به استون، بوتانون و استيل استون که کاربرد فراوانی در زندگی روزمره و صنعت دارند، اشاره کرد.
این ترکیبات دارای بوی مطبوعی نیز می باشند. از آنجاییکه محلول و فرار هستند، بنابراین به عنوان حلال و مواد افزودنی در عطر ها بکار می روند. کافور و متیل سیکلو پنتا دکانون یا همان مشک آهوی ختن نیز کتون هستند. نوعی کتون به نام بی اسیل در آماده سازی و همچنین خوش طعم کردن کره مصنوعی یا همان مارگارین استفاده می شود. این دسته از مواد شیمیایی به عنوان حلال در صنایع مواد منفجره، رنگ سازی و منسوجات مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر آن، هورمون جنسی مردانه تستسترون و هورمون استروئیدی کورتیزون موجود در بدن انسان ها نیز در دسته همین ترکیبات قرار گرفته اند.
همانطور که بیان شد، از کتون ها در صنعت داروسازی نیز استفاده می کنند. از جمله می توان به دارو های کلرتالیدن (Chlorthalidone) جهت کاهش فشار خون، تولکاپون (Tolcapone) به منظور درمان بیماری پارکینسون، متادون (Methadone) جهت سم زدایی و مهار اعتیاد، دروپریدول (Droperidol) برای کاهش تهوع در جراحی و داروی هالوپریدول (Haloperidol) به منظور درمان اختلالات روانی و شیزوفرنی اشاره کرد.
سمیت و خطرات کتون ها بر روی سلامتی انسان
اگر چه تعمیم در مورد سمیت چنین دسته گسترده ای از ترکیبات شیمیایی دشوار است، اما کتون های ساده به طور کلی بسیار سمی نیستند. این ویژگی در حقیقت یکی از دلایل محبوبیت آنها به عنوان حلال است. البته از جمله استثنا های این قانون، می توان به کتون های غیر اشباع مانند متیل وینیل کتون اشاره کرد.
