Keton

Keton'un genel yapisidir. [R¹ ve R² organik kisimlardir (Alkil, Aril o. ä.)]. Maviyle isaretlenen kisim Karbonil grubudur. ⓘ

Keton, bir organik fonksiyonel grubun ve bu grubu içeren bileşiklerin genel adıdır. Merkezdeki karbon atomuna çift bağla bağlanmış bir oksijen (karbonil) ve aynı karbona bağlanmış iki karbon atomundan oluşur. Bu iki karbon atomu alifatik veya aromatik bir bileşiğe ait olabilir. Ketonlar, yapılarındaki karbonil grubunda hidrojen bulunmadığı için yükseltgenmezler. İndirgendiklerinde ise sekonder alkolleri oluştururlar. En bilinen üyeleri çözücü olarak kullanılan aseton ve etil metil ketondur. ⓘ

Keton grubu ⓘ

Aseton ⓘ

İsimlendirme ve etimoloji

Keton kelimesi, 'aseton' için kullanılan eski bir Almanca kelime olan Aketon'dan türetilmiştir. ⓘ

IUPAC isimlendirme kurallarına göre, keton isimleri ana alkanın -ane son ekinin -anone olarak değiştirilmesiyle türetilir. Tipik olarak, karbonil grubunun konumu bir sayı ile gösterilir, ancak geleneksel sistematik olmayan isimler hala genellikle aseton ve benzofenon gibi en önemli ketonlar için kullanılmaktadır. Bazı kimyaya giriş ders kitaplarında "aseton" yerine en basit keton (C H₃-CO-CH₃) için "2-propanon" veya "propan-2-one" gibi sistematik isimler kullanılmasına rağmen, bu sistematik olmayan isimler IUPAC isimleri olarak kabul edilir. ⓘ

Ketonların türetilmiş isimleri, karbonil grubuna bağlı iki alkil grubunun isimlerinin ayrı ayrı yazılması ve ardından ayrı bir kelime olarak "keton" yazılmasıyla elde edilir. Alkil gruplarının isimleri artan karmaşıklık sırasına göre yazılır: örneğin, metil etil keton. IUPAC isimlendirme kurallarına göre, alkil grupları alfabetik olarak yazılır, yani etil metil keton. İki alkil grubu aynı olduğunda, alkil grubunun adının önüne "di-" öneki eklenir. Diğer grupların konumları Yunan harfleriyle gösterilir, α-karbonu karbonil grubuna bitişik atomdur. ⓘ

Seyrek olarak kullanılmasına rağmen, oxo, oxo grubu (=O) için IUPAC isimlendirmesidir ve keton en yüksek önceliğe sahip olmadığında ön ek olarak kullanılır. Ancak diğer ön ekler de kullanılmaktadır. Bazı yaygın kimyasallar için (çoğunlukla biyokimyada) keto, keton fonksiyonel grubunu ifade eder. ⓘ

Yapı ve özellikler

Soldan temsili ketonlar: yaygın bir çözücü olan aseton; şeker metabolizmasında bir ara madde olan oksaloasetat; (mono) enol formunda asetilaseton (enol mavi ile vurgulanmıştır); naylonun öncüsü olan sikloheksanon; bir hayvan kokusu olan muskon; ve bir antibiyotik olan tetrasiklin. ⓘ

Keton karbonu genellikle hem elektronik hem de moleküler yapılarını içeren bir tanım olan "sp² hibridize" olarak tanımlanır. Ketonlar, ketonik karbon etrafında trigonal düzlemseldir ve C-C-O ve C-C-C bağ açıları yaklaşık 120°'dir. Ketonlar, karbonil grubunun (CO) bir karbon iskeleti içinde iki karbona bağlanmış olması bakımından aldehitlerden farklıdır. Aldehitlerde karbonil bir karbon ve bir hidrojene bağlanır ve karbon zincirlerinin uçlarında bulunur. Ketonlar ayrıca karboksilik asitler, esterler ve amidler gibi diğer karbonil içeren fonksiyonel gruplardan da farklıdır. ⓘ

Karbonil grubu polardır çünkü oksijenin elektronegatifliği karbonunkinden daha fazladır. Bu nedenle ketonlar oksijende nükleofilik ve karbonda elektrofiliktir. Karbonil grubu su ile hidrojen bağı yoluyla etkileşime girdiğinden, ketonlar tipik olarak suda ilgili metilen bileşiklerinden daha fazla çözünür. Ketonlar hidrojen bağı alıcılarıdır. Ketonlar genellikle hidrojen bağı vericisi değildir ve kendilerine hidrojen bağı yapamazlar. Hem hidrojen bağı vericisi hem de alıcısı olarak görev yapamamaları nedeniyle, ketonlar "kendi kendine birleşmeme" eğilimindedir ve karşılaştırılabilir moleküler ağırlıktaki alkollerden ve karboksilik asitlerden daha uçucudur. Bu faktörler ketonların parfümeri ve çözücü olarak yaygınlığı ile ilgilidir. ⓘ

Keton sınıfları

Ketonlar, sübstitüentlerine göre sınıflandırılır. Geniş bir sınıflandırma, karbonil merkezine bağlı iki organik sübstitüentin denkliğine bağlı olarak ketonları simetrik ve simetrik olmayan türevlere ayırır. Aseton ve benzofenon (C₆H₅C(O)C₆H₅) simetrik ketonlardır. Asetofenon (C₆H₅C(O)CH₃) simetrik olmayan bir ketondur. ⓘ

Diketonlar

Bazıları alışılmadık özelliklere sahip olan birçok diketon türü bilinmektedir. En basit olanı diasetildir (CH₃C(O)C(O)CH₃), bir zamanlar patlamış mısırda tereyağı aroması olarak kullanılmıştır. Asetilaseton (pentan-2,4-dion) neredeyse bir yanlış isimlendirmedir (uygunsuz isim) çünkü bu tür esas olarak monoenol CH₃C(O)CH=C(OH)CH₃ olarak bulunur. Enolatı koordinasyon kimyasında yaygın bir liganddır. ⓘ

Doymamış ketonlar

Alken ve alkin birimleri içeren ketonlar genellikle doymamış ketonlar olarak adlandırılır. Bu bileşik sınıfının en yaygın kullanılan üyesi, Robinson annülasyon reaksiyonunda yararlı olan metil vinil keton, CH₃C(O)CH=CH₂'dir. Karışıklık olmaması için, bir ketonun kendisi bir doymamışlık bölgesidir; yani hidrojenlenebilir. ⓘ

Döngüsel ketonlar

Birçok keton sikliktir. En basit sınıf (CH₂)nCO formülüne sahiptir, burada n siklopropanon için 2'den onlarcaya kadar değişir. Daha büyük türevleri mevcuttur. Simetrik bir siklik keton olan siklohekzanon, naylon üretiminde önemli bir ara maddedir. Asetondan türetilen izoforon, diğer polimerlerin öncüsü olan doymamış, asimetrik bir ketondur. Muscone, 3-metilpentadekanon, bir hayvan feromonudur. Bir başka siklik keton, C₄H₆O formülüne sahip olan siklobutanondur. ⓘ

Keto-enol tautomerizasyonu

Keto-enol tautomerizmi. 1 keto formudur; 2 ise enol. ⓘ

En az bir alfa-hidrojeni olan ketonlar keto-enol tautomerizasyonuna uğrar; tautomer bir enoldür. Tautomerizasyon hem asitler hem de bazlar tarafından katalize edilir. Genellikle keto formu enolden daha kararlıdır. Bu denge, ketonların alkinlerin hidrasyonu yoluyla hazırlanmasını sağlar. ⓘ

Ketonların asit/baz özellikleri

Ketonlardaki karbonile bitişik C-H bağları, alkanlardaki C-H bağlarından (pKa ≈ 50) daha asidiktir (pKa ≈ 20). Bu fark, deprotonasyon üzerine oluşan enolat iyonunun rezonans stabilizasyonunu yansıtır. α-hidrojeninin bağıl asitliği ketonların ve diğer karbonil bileşiklerinin enolizasyon reaksiyonlarında önemlidir. α-hidrojeninin asitliği ayrıca ketonların ve diğer karbonil bileşiklerinin stokiyometrik ve katalitik baz ile bu pozisyonda nükleofil olarak reaksiyona girmesine izin verir. Dengeleyici olmayan koşullar altında (-78 °C, THF içinde 1,1 equiv LDA, baza keton eklenmiş) lityum diizopropilamid (LDA, eşlenik asidin pKa değeri ~36) gibi çok güçlü bazlar kullanıldığında, daha az sübstitüe kinetik enolat seçici olarak üretilirken, dengelemeye izin veren koşullar (daha yüksek sıcaklık, ketona eklenen baz, zayıf veya çözünmeyen bazlar, örn, EtOH içinde NaOEt veya NaH) daha sübstitüe termodinamik enolat sağlar. ⓘ

Ketonlar da zayıf bazlardır ve Brønsted asitlerinin varlığında karbonil oksijeni üzerinde protonasyona uğrarlar. Ketonyum iyonları (yani protonlanmış ketonlar) güçlü asitlerdir ve pKa değerlerinin -5 ile -7 arasında olduğu tahmin edilmektedir. Organik kimyada karşılaşılan asitler nadiren ketonları tamamen protonlayacak kadar güçlü olsa da, protonlanmış ketonların denge konsantrasyonlarının oluşumu, örneğin bir asetal oluşumu gibi birçok yaygın organik reaksiyonun mekanizmalarında önemli bir adımdır. PKa değeri 5,2 olan piridinyum katyonu (piridinyum tosilatta bulunan) kadar zayıf asitler, protonlama için oldukça elverişsiz denge sabitine (Keq < 10-10) rağmen bu bağlamda katalizör olarak hizmet edebilir. ⓘ

Karakterizasyon

Bir aldehit, karbonil grubuna bağlı bir hidrojen atomuna sahip olması nedeniyle bir ketondan farklıdır, bu da aldehitlerin oksitlenmesini kolaylaştırır. Ketonların karbonil grubuna bağlı bir hidrojen atomu yoktur ve bu nedenle oksidasyona karşı daha dirençlidirler. Yalnızca karbon-karbon bağlarını ayırma yeteneğine sahip güçlü oksitleyici maddeler tarafından oksitlenirler. ⓘ

Spektroskopi

Ketonlar ve aldehitler kızıl ötesi spektrumda 1700 cm-1 civarında güçlü bir şekilde absorblanır. Pikin tam konumu sübstitüentlere bağlıdır. ⓘ

¹H NMR spektroskopisi genellikle bir ketonun varlığını belirlemek için yararlı değilken, ¹³C NMR spektrumları yapıya bağlı olarak 200 ppm'nin biraz aşağısında sinyaller sergiler. Bu sinyaller, nükleer Overhauser etkilerinin olmaması nedeniyle tipik olarak zayıftır. Aldehitler benzer kimyasal kaymalarda rezonansa girdiğinden, aldehitleri ve ketonları kesin olarak ayırt etmek için çoklu rezonans deneyleri kullanılır. ⓘ

Kalitatif organik testler

Ketonlar, Brady'nin testinde, karşılık gelen hidrazon vermek için 2,4-dinitrofenilhidrazin ile reaksiyonda pozitif sonuç verir. Ketonlar, Tollens reaktifi veya Fehling çözeltisi ile negatif sonuç vererek aldehitlerden ayırt edilebilir. Metil ketonlar iyodoform testi için pozitif sonuç verir. Ketonlar ayrıca seyreltik sodyum hidroksit varlığında m-dinitrobenzen ile muamele edildiğinde menekşe rengi vermek üzere pozitif sonuç verir. ⓘ

Sentez

Endüstriyel ölçekte ve akademik laboratuvarlarda ketonların hazırlanması için birçok yöntem mevcuttur. Ketonlar organizmalar tarafından da çeşitli şekillerde üretilmektedir; aşağıdaki biyokimya bölümüne bakınız. ⓘ

Endüstride, en önemli yöntem muhtemelen hidrokarbonların genellikle hava ile oksidasyonunu içerir. Örneğin, siklohekzanın aerobik oksidasyonu ile yılda bir milyar kilogram siklohekzanon üretilmektedir. Aseton, kümenin hava ile oksidasyonu ile hazırlanır. ⓘ

Özel veya küçük ölçekli organik sentetik uygulamalar için ketonlar genellikle ikincil alkollerin oksidasyonu ile hazırlanır:

R₂CH(OH) + O → R₂C=O + H₂O

Tipik güçlü oksidanlar (yukarıdaki reaksiyonda "O" kaynağı) potasyum permanganat veya bir Cr(VI) bileşiğini içerir. Daha hafif koşullar Dess-Martin periodinane veya Moffatt-Swern yöntemlerini kullanır. ⓘ

Diğer birçok yöntem geliştirilmiştir, örnekler şunlardır:

• Geminal halojenür hidrolizi ile.
• Alkinlerin hidrasyonu ile. Bu tür işlemler enoller aracılığıyla gerçekleşir ve bir asit ve HgSO₄ varlığını gerektirir. Sonraki enol-keto tautomerizasyonu bir keton verir. Bu reaksiyon, bir terminal alkin ile bile her zaman bir keton üretir, bunun tek istisnası asetaldehit üreten asetilenin hidrasyonudur.
• Weinreb Amidlerinden stokiyometrik organometalik reaktifler kullanılarak.
• Aromatik ketonlar Friedel-Crafts asilasyonunda, ilgili Houben-Hoesch reaksiyonunda ve Fries yeniden düzenlemesinde hazırlanabilir.
• Ozonoliz ve ilgili dihidroksilasyon/oksidatif diziler, alken sübstitüsyon modeline bağlı olarak aldehit veya keton vermek üzere alkenleri ayırır.
• Kornblum-DeLaMare yeniden düzenlemesinde ketonlar peroksitler ve bazdan hazırlanır.
• Ruzicka siklizasyonunda, siklik ketonlar dikarboksilik asitlerden hazırlanır.
• Nef reaksiyonunda ketonlar, ikincil nitro bileşiklerinin tuzlarının hidrolizi ile oluşur.
• Fukuyama eşleşmesinde, ketonlar bir tiyoester ve bir organozinc bileşiğinden oluşur.
• Bir asit klorürün organokadmiyum bileşikleri veya organokopper bileşikleri ile reaksiyonu ile.
• Dakin-West reaksiyonu, karboksilik asitlerden belirli metil ketonların hazırlanması için etkili bir yöntem sağlar.
• Ketonlar ayrıca Grignard reaktiflerinin nitrillerle reaksiyonu ve ardından hidroliz yoluyla da hazırlanabilir.
• Karboksilik anhidritin dekarboksilasyonu ile.
• Ketonlar, halo ketonların indirgeyici dehalojenasyonunda haloketonlardan hazırlanabilir.
• Ketonik dekarboksilasyonda karboksilik asitlerden simetrik ketonlar hazırlanır.
• Aminlerin demir (III) klorür ile oksidasyonu.
• Doymamış ikincil amidlerin, β-Keto asit esterlerinin veya β-diketonların hidrolizi.
• 1,2-diollerin asit katalizli yeniden düzenlenmesi. ⓘ

Reaksiyonlar

Haller-Bauer reaksiyonu, enolize edilemeyen bir keton ile güçlü bir amid bazı arasında meydana gelir. Benzofenonu içeren bu prototipik örnekte, tetrahedral ara ürün, organik ürünler olarak benzamid ve benzen vermek üzere fenil anyonunu dışarı atar ⓘ

Ketonlar birçok organik reaksiyona girerler. En önemli reaksiyonlar, karbonil karbonunun nükleofilik katılmaya karşı duyarlılığından ve enolatların elektrofillere katılma eğiliminden kaynaklanır. Nükleofilik katılmalar, yaklaşık olarak genellik sırasına göre şunları içerir:

• Su ile (hidrasyon) genellikle kayda değer (veya gözlemlenebilir) miktarlarda oluşmayan geminal dioller verir
• α-hidroksialkin vermek için bir asetilid ile
• Amonyak veya birincil amin ile bir imin verir
• İkincil amin ile bir enamin verir
• Grignard ve organolityum reaktifleri ile sulu işlemden sonra tersiyer alkol vermek için
• Bir alkol veya alkoksit ile hemiketal veya onun konjuge bazını verir. Bir diol ile ketal. Bu reaksiyon ketonları korumak için kullanılır.
• Sodyum amid ile amid RCONH₂ ve alkan veya aren R'H oluşumu ile C-C bağ bölünmesi ile sonuçlanan Haller-Bauer reaksiyonu olarak adlandırılan bir reaksiyon.
• Karboksilik asitler vermek için güçlü oksitleyici maddelerle.
• Elektrofilik katılma, bir elektrofil ile reaksiyon rezonans stabilize bir katyon verir
• Alkenleri vermek için Wittig reaksiyonunda fosfonyum ylidler ile
• Tiyoasetal vermek için tiyoller ile
• Hidrazin veya 1-disübstitüe hidrazin türevleri ile hidrazonlar elde edilir.
• Bir metal hidrür ile hidrolizi alkol veren bir metal alkoksit tuzu verir, bu bir keton indirgenmesi örneğidir
• Bir α-haloketon oluşturmak için halojenlerle, bir enol üzerinden ilerleyen bir reaksiyon (bkz. Haloform reaksiyonu)
• Ağır su ile α-deuterlenmiş keton vermek için
• Fotokimyasal Norrish reaksiyonunda parçalanma
• Robinson-Gabriel sentezinde 1,4-aminodiketonların dehidrasyon yoluyla oksazollere reaksiyonu
• Aril-alkil ketonlar durumunda, sülfür ve bir amin ile Willgerodt reaksiyonunda amidler verir
• Oksimler üretmek için hidroksilamin ile
• İkincil alkoller oluşturmak için indirgeyici maddelerle
• Baeyer-Villiger oksidasyonunda ester oluşturmak için peroksi asitlerle ⓘ

Biyokimya

Ketonlar doğada yaygın olarak bulunur. Fotosentezde organik bileşiklerin oluşumu keton ribuloz-1,5-bisfosfat aracılığıyla gerçekleşir. Birçok şeker ketondur ve toplu olarak ketoz olarak bilinir. En iyi bilinen ketoz fruktozdur; çoğunlukla keton fonksiyonel grubunu maskeleyen siklik bir hemiketal olarak bulunur. Yağ asidi sentezi ketonlar aracılığıyla gerçekleşir. Asetoasetat, şekerlerden ve karbonhidratlardan enerji açığa çıkaran Krebs döngüsünde bir ara maddedir. ⓘ

Tıpta, aseton, asetoasetat ve beta-hidroksibütirat topluca keton cisimleri olarak adlandırılır ve insanlar da dahil olmak üzere çoğu omurgalıda karbonhidratlar, yağ asitleri ve amino asitlerden üretilir. Keton cisimleri, bir gece uykusu da dahil olmak üzere açlıktan sonra kanda (ketozis); açlıkta hem kanda hem de idrarda; hiperinsülinizm dışındaki nedenlere bağlı hipoglisemide; doğuştan gelen çeşitli metabolizma hatalarında ve ketojenik diyet yoluyla kasıtlı olarak indüklendiğinde ve ketoasidozda (genellikle diabetes mellitus nedeniyle) yükselir. Her ne kadar ketoasidoz dekompanse veya tedavi edilmemiş tip 1 diyabetin karakteristik özelliği olsa da, ketoz ve hatta ketoasidoz bazı durumlarda tip 2 diyabette de ortaya çıkabilir. ⓘ

Uygulamalar

Ketonlar endüstride çözücüler, polimer öncüleri ve farmasötikler olarak büyük ölçeklerde üretilmektedir. Ölçek açısından en önemli ketonlar aseton, metiletil keton ve siklohekzanondur. Biyokimyada da yaygındırlar, ancak genel olarak organik kimyada olduğundan daha azdırlar. Hidrokarbonların yanması, ketonların yanı sıra diğer birçok bileşik türünü veren kontrolsüz bir oksidasyon sürecidir. ⓘ

Zehirlilik

Bu kadar geniş bir bileşik sınıfının toksisitesi hakkında genelleme yapmak zor olsa da, basit ketonlar genel olarak çok toksik değildir. Bu özellik, çözücü olarak popüler olmalarının bir nedenidir. Bu kuralın istisnaları, LD₅₀ değeri 7 mg/kg (oral) olan metil vinil keton gibi doymamış ketonlardır. ⓘ