B4.3 Aldehyder og ketoner

Det skal du kunne

genkende og navngive simple aldehyder og ketoner
forklare, hvad primære, sekundære og tertiære alkoholer bliver til ved oxidation
finde oxidationstallet for et carbonatom i et organisk molekyle
forklare aldehyders og ketoners kogepunkt og opløselighed
bruge testen med DNPH og Tollens’ test til at skelne mellem aldehyder og ketoner

En flaske vin, der står åben, bliver sur. Efter en fest nedbryder leveren ethanol trin for trin. I begge tilfælde bliver en alkohol oxideret, og på vejen dannes der stoffer med en carbonylgruppe: aldehyder og ketoner.

Carbonylgruppen

Gruppen C=O hedder en carbonylgruppe. Den findes i to stofklasser, som kun adskiller sig ved, hvor gruppen sidder.

I et aldehyd sidder carbonylgruppen for enden af kæden. Carbonatomet er bundet til et hydrogenatom. Navnet ender på -al.
I en keton sidder carbonylgruppen inde i kæden. Carbonatomet er bundet til to andre carbonatomer. Navnet ender på -on.

Figur 1: To aldehyder og to ketoner. I aldehyderne er hydrogenatomet på carbonylgruppen tegnet med.

I et aldehyd er carbonatomet i gruppen altid nummer 1, så der står ikke noget tal i navnet. I en keton skal tallet med fra fem carbonatomer: pentan-2-on og pentan-3-on er to forskellige stoffer. Propanon og butanon kan kun se ud på én måde.

Et aldehyd og en keton med lige mange carbonatomer har samme molekylformel. Propanal, CH₃CH₂CHO, og propanon, CH₃COCH₃, har begge formlen C₃H₆O. De to stoffer er funktionsisomerer, som du lærte om i afsnit B3.3. Molekylformlen kan derfor ikke vise, om et stof er et aldehyd eller en keton. Det kan en test, og den står sidst i dette afsnit.

Oxidation af alkoholer

Aldehyder og ketoner dannes, når alkoholer bliver oxideret. Hvad der kommer ud af det, afhænger af alkoholens type fra afsnit B4.2.

Figur 2: Sådan oxideres de tre typer af alkoholer.

En primær alkohol oxideres til et aldehyd. Aldehydet kan oxideres videre til en carboxylsyre.
En sekundær alkohol oxideres til en keton. Ketonen kan ikke oxideres videre.
En tertiær alkohol kan ikke oxideres på denne måde.

Reaktionen kan også gå den anden vej. Et aldehyd eller en keton kan reduceres til den alkohol, det kom fra.

Forklaringen ligger i hydrogenatomerne. Hver oxidation kræver et hydrogenatom på det carbonatom, OH-gruppen sidder på. En primær alkohol har to hydrogenatomer på det carbonatom og kan oxideres to gange. En sekundær har ét og kan oxideres én gang. En tertiær har ingen.

Som oxidationsmiddel bruges tit kaliumpermanganat, KMnO₄, eller kaliumdichromat, K₂Cr₂O₇, i sur opløsning. Begge skifter farve, når de reagerer. Permanganat går fra violet til farveløs, og dichromat går fra orange til grøn. Farveskiftet viser, at alkoholen er blevet oxideret.

Mild eller kraftig oxidation

Skal en primær alkohol kun oxideres til aldehydet, må aldehydet fjernes fra blandingen, så snart det er dannet. Det kan gøres ved at destillere det fra, fordi aldehydet har et lavere kogepunkt end alkoholen. Får oxidationsmidlet lov at virke længe, og er der overskud af det, ender man med carboxylsyren. Det kaldes en kraftig oxidation.

Oxidationstal i organiske molekyler

I afsnit 8.3 i bogen til C-niveau lærte du, at en oxidation er en stigning i oxidationstal. Det gælder også her. I organiske molekyler finder man oxidationstallet for ét carbonatom ad gangen ved at se på dets fire bindinger:

Hver binding til hydrogen tæller −1.
Hver binding til oxygen tæller +1. En dobbeltbinding til oxygen tæller +2.
Bindinger til andre carbonatomer tæller 0.

Figur 3: Oxidationstallet for carbonatomet med den funktionelle gruppe stiger med 2 ved hver oxidation.

Reglen følger af elektronegativiteten. Oxygen trækker elektronerne til sig, så carbon mister dem. Hydrogen har lavere elektronegativitet end carbon, så her er det carbon, der får elektronerne.

Eksempel: ethanol og dichromat

Ethanol oxideres til ethanal af dichromat i sur opløsning. Reaktionsskemaet kan afstemmes med de fem trin fra afsnit 8.4 i bogen til C-niveau.

Carbon stiger fra −I til +I. Det er 2 for hvert ethanolmolekyle. Chrom falder fra +VI i Cr₂O₇²⁻ til +III i Cr³⁺. Det er 3 for hvert chromatom og 6 for hele ionen. Der skal derfor 3 ethanol til 1 dichromat:

3 C₂H₅OH + Cr₂O₇²⁻ + 8 H⁺ → 3 CH₃CHO + 2 Cr³⁺ + 7 H₂O

Ladningen er −2 + 8 = +6 til venstre og 2 · 3 = +6 til højre. Der er 10 oxygenatomer og 26 hydrogenatomer på hver side.

Kogepunkt og opløselighed

Carbonylgruppen er polær. Aldehyder og ketoner har derfor dipol-dipolbindinger, som du så i afsnit B3.2. De har ikke noget hydrogenatom på oxygen og kan ikke danne hydrogenbindinger med hinanden.

Stof	Stofklasse	Molarmasse	Kogepunkt
butan	alkan	58,1 g/mol	−1 °C
propanal	aldehyd	58,1 g/mol	49 °C
propanon	keton	58,1 g/mol	56 °C
propan-1-ol	alkohol	60,1 g/mol	97 °C

Kogepunktet ligger altså mellem alkanens og alkoholens.

Oxygenatomet i carbonylgruppen kan tage imod hydrogenbindinger fra vand. Små aldehyder og ketoner som ethanal og propanon kan derfor blandes med vand. Propanon kan også opløse mange upolære stoffer, og det gør det til et godt opløsningsmiddel, fx i neglelakfjerner.

Test for aldehyder og ketoner

To klassiske test bruges til at finde carbonylgrupper.

Figur 4: Sådan ser de to test ud i reagensglasset.

Test med DNPH

DNPH er en forkortelse for stoffet 2,4-dinitrophenylhydrazin. Det reagerer med carbonylgruppen i både aldehyder og ketoner og danner et gult eller orange bundfald. Alkoholer, carboxylsyrer og estere giver ikke bundfald.

Tollens’ test

Tollens’ reagens indeholder sølvioner, Ag⁺, i en basisk opløsning med ammoniak. Et aldehyd bliver oxideret til carboxylsyrens ion, og sølvionerne bliver reduceret til frit sølv. Sølvet sætter sig som et blankt spejl på indersiden af glasset eller som et gråsort bundfald.

CH₃CHO + 2 Ag⁺ + 3 OH⁻ → CH₃COO⁻ + 2 Ag + 2 H₂O

Carbonatomet i aldehydgruppen stiger fra +I til +III, og de to sølvioner falder hver fra +I til 0. En keton kan ikke oxideres videre og giver derfor intet sølvspejl.

Ammoniakken har en opgave. I en basisk opløsning ville sølvionerne ellers danne et tungtopløseligt bundfald. Ammoniak holder dem opløst.

De to test i rækkefølge

Figur 5: Med to test kan du afgøre, om et ukendt stof er et aldehyd, en keton eller ingen af delene.

Aldehyder og ketoner i hverdagen

Methanal kaldes også formaldehyd. Det er en giftig gas, som i vandig opløsning bruges til at konservere biologiske præparater.
Ethanal dannes i leveren, når ethanol bliver oxideret. Det er giftigt og er en af grundene til tømmermænd. Leveren oxiderer det videre til ethansyre.
Propanon kaldes også acetone. Det bruges som opløsningsmiddel.
Mange duftstoffer er aldehyder eller ketoner. Det gælder fx vanillin i vanilje og kanelaldehyd i kanel.

Kort sagt

Aldehyder og ketoner har en carbonylgruppe, C=O. I et aldehyd sidder den for enden af kæden, og i en keton inde i kæden.
En primær alkohol oxideres til et aldehyd og videre til en carboxylsyre.
En sekundær alkohol oxideres til en keton. En tertiær alkohol oxideres ikke.
Oxidationstallet for et carbonatom findes ud fra bindingerne: −1 for hver binding til hydrogen og +1 for hver binding til oxygen.
Aldehyder og ketoner har dipol-dipolbindinger, men danner ikke hydrogenbindinger med hinanden.
DNPH giver gult bundfald med både aldehyder og ketoner. Tollens’ test giver kun sølvspejl med aldehyder.

Prøv selv: Oxidation af alkohol: fra ethanol over ethanal til ethansyre.

Prøv selv: DNPH og Tollens: se, hvordan testene skelner aldehyder fra ketoner.

Se alle opgaver til emnet “Aldehyder og ketoner” (B4.3)