Aldeidi e chetoni

Se si lascia una bottiglia di vino aperta per un periodo di tempo sufficientemente lungo, alla fine il sapore del vino risulterà aspro e acido. Il pH si abbassa e l'etanolo si trasforma in acido etanoico. Questo è un esempio di ossidazione di un alcol. Tuttavia, prima di trasformarsi in acido carbossilico, l'alcol si ossida in qualcosa di completamente diverso: un'aldeide.

• Questo articolo è un'introduzione alle aldeidi e ai chetoni in chimica organica.
• Inizieremo con l'apprendimento delle formule generali di aldeidi e chetoni prima di esaminare la loro nomenclatura.
• Esploreremo poi alcune delle loro proprietà e vedremo come si confrontano con altre molecole organiche.
• Infine, esamineremo brevemente alcune reazioni comuni che coinvolgono aldeidi e chetoni.

Differenza tra aldeidi e chetoni

Come abbiamo detto in precedenza, le aldeidi e i chetoni sono molecole organiche contenenti il gruppo carbonilico, C=O. Nelle aldeidi, l'atomo di carbonio del legame C=O è legato ad almeno un atomo di idrogeno. Ciò conferisce alle aldeidi la formula generale RCHO. Nei chetoni, invece, l'atomo di carbonio del legame C=O è legato a due gruppi R organici. Questi possono essere uguali o diversi. I chetoni vengono rappresentati con la formula RCOR'.

Figura 1. Formula generica di un'aldeide a sinistra e di un chetone a destra. Si noti che il gruppo carbonilico in un chetone non è mai legato ad un atomo di idrogeno ma è sempre legato a due gruppi organici.

La tabella seguente dovrebbe aiutare a riassumere le differenze tra aldeidi e chetoni:

Tabella 1. Differenze tra aldeidi e chetoni con esempi.

Nomenclatura di aldeidi e chetoni

La denominazione di aldeidi e chetoni è piuttosto semplice. Se non hai dimestichezza con la classificazione dei composti, ti consigliamo di consultare prima i Composti organici, ma se ti senti sicuro con le leggi della nomenclatura, non dovresti trovarlo difficile.

Nomenclatura delle aldeidi

Le aldeidi utilizzano il suffisso - ale. Per trovare il nome della radice includiamo l'atomo di carbonio nel legame C=O, che come ricorderai indica la lunghezza della catena carboniosa più lunga. Tuttavia, non è necessario utilizzare un numero per indicare dove trovare il gruppo C=O, poiché nelle aldeidi si trova sempre ad un'estremità della molecola. Invece, assumiamo sempre che il gruppo carbonilico si trovi sul carbonio 1.

Ad esempio, questa aldeide ha tre atomi di carbonio nella sua catena più lunga e nessun altro gruppo funzionale. La chiamiamo propanale.

Figura 2. Un esempio di aldeide.

Le aldeidi seguenti sono un po' più complicate. Anch'essa ha una catena lunga tre atomi di carbonio, ma contiene due gruppi laterali: un gruppo metile indicato in verde e un atomo di cloro indicato in blu. Se consideriamo l'atomo di carbonio del gruppo carbonilico come carbonio 1, allora il gruppo metilico è legato al carbonio 2 e l'atomo di cloro è legato al carbonio 3. Ricordiamo che gli altri gruppi laterali sono elencati in ordine alfabetico. Questa molecola si chiama quindi 3-cloro-2-metilpropanale.

Figura 4. 3-cloro-2-metilpropanale.

Nomenclatura dei chetoni

Per denominare i chetoni si usa il suffisso -one . Ricorda di includere il gruppo carbonilico quando contate il numero di atomi di carbonio nella catena carboniosa più lunga della molecola. Si noti inoltre che nei chetoni più lunghi è necessario indicare la posizione del gruppo carbonilico con un numero, assicurandosi di dare il numero più basso possibile. Questo è un esempio della regola del "numero più basso" e può significare contare dal lato sinistro della catena o da quello destro.

Ad esempio, questo chetone ha cinque atomi di carbonio nella sua spina dorsale e un gruppo carbonilico in posizione 2 o 4, a seconda del lato della molecola da cui si conta. Poiché il 2 è inferiore al 4, lo classifichiamo correttamente come pentan-2-one:

Figura 5. Pentan-2-one, mostrato con la corretta numerazione degli atomi di carbonio nella sua spina dorsale.

Il chetone successivo ha una catena di carbonio lunga quattro atomi. Questo gli conferisce il nome di radice -but-. Considerando il gruppo carbonilico come carbonio 2, possiamo vedere che ha anche un atomo di bromo attaccato al carbonio 3, e quindi si chiama 3-bromobutan-2-one.

Figura 6. 3-bromobutan-2-one

Proprietà di aldeidi e chetoni

Osserva la seguente tabella. Mostra le elettronegatività di diversi elementi.

Tabella 1. Elettronegatività degli elementi.

Si noterà che l'ossigeno ha un'elettronegatività molto più elevata del carbonio. Nel legame carbonilico, l'ossigeno attrae verso di sé la coppia di elettroni di legame condivisa, diventando parzialmente carico negativamente e lasciando l'atomo di carbonio parzialmente carico positivamente. Questo rende il legame C=O polare e crea un momento di dipolo, influenzando le proprietà di aldeidi e chetoni.

Figura 7. Legame polare in un'aldeide, il metanale.

Esploriamo ora alcune di queste proprietà.

Punto di ebollizione

Le aldeidi e i chetoni hanno punti di fusione e di ebollizione elevati rispetto agli alcani con una massa molecolare simile. Ciò è dovuto al fatto che le aldeidi e i chetoni presentano forze dipolo-dipolo permanenti tra le molecole a causa del loro doppio legame polare, come illustrato in precedenza. Tuttavia, i loro punti di ebollizione non sono così alti come quelli degli alcoli. Si ricorda che gli alcoli possono formare legami a idrogeno tra le molecole in quanto hanno un atomo di ossigeno legato a un atomo di idrogeno. Questi legami a idrogeno sono molto più forti delle forze permanenti dipolo-dipolo e richiedono più energia per essere superati.

Come per gli alcani, il punto di ebollizione dei carbonili aumenta con l'aumentare della lunghezza della catena. Questo perché le molecole più grandi hanno più elettroni e formano dipoli temporanei più forti. Ciò aumenta la forza dell'attrazione di van der Waals tra le molecole.

Solubilità

In generale, le aldeidi e i chetoni sono solubili in acqua.

Sebbene le molecole di aldeidi e chetoni non possano formare legami idrogeno tra loro, possono farlo con l'acqua. Questo li rende solubili in acqua. L'atomo di ossigeno del gruppo carbonilico ha due coppie di elettroni solitari che vengono attratti dagli atomi di idrogeno densamente carichi delle molecole d'acqua, liberando molta energia. Tuttavia, le aldeidi e i chetoni a catena più lunga sono meno solubili in acqua di quelli a catena più corta. Le loro lunghe catene idrocarburiche non polari ostacolano i legami idrogeno e interferiscono con il legame.

Figura 8. Pentan-2-one. Rappresentato con la corretta numerazioni degli atomi di carbonio della catena,

Reazioni di aldeidi e chetoni

Come abbiamo visto in precedenza, il legame C=O nelle aldeidi e nei chetoni è fortemente polare. Di conseguenza, l'atomo di carbonio parzialmente carico è facilmente attaccabile dai nucleofili.

Ne è un esempio lo ione cianuro CN^-. I nucleofili sono sempre carichi negativamente o parzialmente negativamente e contengono una coppia solitaria di elettroni.

Avrai notato che le aldeidi e i chetoni sono insaturi, cioè contengono un doppio legame. Pertanto, partecipano facilmente alle reazioni di addizione. Infatti, la maggior parte delle loro reazioni sono addizioni nucleofile. Ad esempio, facendo reagire il cianuro con un'aldeide si ottiene un idrossinitrile, ovvero una molecola che contiene sia il gruppo funzionale nitrile $\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ che quello alcolico -OH , rispettivamente.