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Carbonyl compounds · ⁨カルボニル化合物⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ · Topic 17 · ⁨トピック 17⁩

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8:03

カルボニル化合物

爪用リムーバーのボトルを開けると、鋭い香りがします。それがプロパノンです。あなたの体も毎日少量生成しています。全てが小さな官能基から来ています…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

17.1

Aldehydes and ketones · ⁨アルデヒドとケトン⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which aldehydes and ketones can be produced: (a) the oxidation of primary alcohols using acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and distillation to produce aldehydes (b) the oxidation of secondary alcohols using acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and distillation to produce ketones
  2. describe: (a) the reduction of aldehydes and ketones using $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ to produce alcohols (b) the reaction of aldehydes and ketones with $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ as catalyst, and heat to produce hydroxynitriles as exemplified by ethanal and propanone
  3. describe the mechanism of the nucleophilic addition reactions of hydrogen cyanide with aldehydes and ketones in 17.1.2(b)
  4. describe the use of 2,4-dinitrophenylhydrazine (2,4-DNPH reagent) to detect the presence of carbonyl compounds
  5. deduce the nature (aldehyde or ketone) of an unknown carbonyl compound from the results of simple tests (Fehling's and Tollens' reagents; ease of oxidation)
  6. deduce the presence of a $\text{CH}_3\text{CO}-$ group in an aldehyde or ketone, $\text{CH}_3\text{CO}-\text{R}$, from its reaction with alkaline $\text{I}_2(\text{aq})$ to form a yellow precipitate of tri-iodomethane and an ion, $\text{RCO}_2^-$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Aldehydes and ketones are carbonyl compounds 羰基化合物 — they contain the C=O carbonyl 羰基 group.

  • in an aldehyde 醛 the carbonyl carbon is on the end of the chain (it also carries an H), written $\text{–CHO}$.
  • in a ketone 酮 the carbonyl carbon is in the middle, between two other carbons.

Making aldehydes and ketones

Both are made by the oxidation 氧化 of an alcohol 醇 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$:

  • a primary alcohol, with distillation 蒸馏, gives an aldehyde.
  • a secondary alcohol gives a ketone.

Reactions

  • reduction 还原 with $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ turns a carbonyl compound back into an alcohol (an aldehyde gives a primary alcohol; a ketone gives a secondary alcohol).
  • reaction with hydrogen cyanide 氰化氢 ($\text{HCN}$), with $\text{KCN}$ as catalyst and heat, adds $\text{H}$ and $\text{CN}$ across the C=O to make a hydroxynitrile 羟基腈. This adds one carbon to the chain.

The mechanism: nucleophilic addition

The reaction with $\text{HCN}$ is a nucleophilic addition 亲核加成. The carbonyl carbon is slightly positive (oxygen pulls the electrons away). So:

  1. the $\text{CN}^-$ ion (a nucleophile) attacks the slightly positive carbon.
  2. this breaks the C=O double bond, leaving a negative oxygen ($\text{O}^-$).
  3. the $\text{O}^-$ takes an $\text{H}^+$ (from $\text{HCN}$) to finish the hydroxynitrile.
日本語

アルデヒドとケトンはカルボニル化合物です——それらは C=O カルボニル基を含んでいます。

  • アルデヒドでは、カルボニル炭素が鎖の端にあります(Hも持っています)、$\text{–CHO}$ と書きます。
  • ケトンでは、カルボニル炭素が真ん中にあり、他の2つの炭素の間にあります。
爪切り液のボトルと綿パッド
プロパノン(アセトン)、最も単純なケトンは、爪切り液の溶媒です
C=O炭素が端にHを持つエタノールと、C=O炭素が2つの炭素の間にいるプロパノン
両方とも C=O カルボニル基を持っています:アルデヒドでは鎖の端にあり(–CHO)、ケトンでは真ん中にあります

アルデヒドとケトンの合成

どちらも、酸性の $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ または $\text{KMnO}_4$ によるアルコールの酸化によって作られます:

  • 第一級アルコールは、蒸留によりアルデヒドを与えます。
  • 第二級アルコールはケトンを生成します。

反応

  • $\text{NaBH}_4$ または $\text{LiAlH}_4$ による還元は、カルボニル化合物をアルコールに戻します(アルデヒドは第一級アルコールを、ケトンは第二級アルコールを与えます)。
  • シアン化水素($\text{HCN}$)との反応で、$\text{KCN}$ を触媒として加熱すると、C=O に $\text{H}$ と $\text{CN}$ が付加してヒドロキシニトリルになります。これにより鎖に炭素が1つ増えます。

反応機構:求核付加

$\text{HCN}$ との反応は求核付加です。カルボニル炭素はわずかに正電荷を帯びています(酸素が電子を引き寄せます)。したがって:

  1. $\text{CN}^-$ イオン(求核剤)がわずかに正電荷の炭素を攻撃します。
  2. これにより C=O 二重結合が切断され、負の酸素($\text{O}^-$)が残ります。
  3. $\text{O}^-$ は $\text{H}^+$ ($\text{HCN}$ から)を取り込んでヒドロキシニトリルを完成させます。
HCN付加の反応機構:シアニドがわずかに正電荷のカルボニル炭素を攻撃し、C=O が切断されて負の酸素となり、その後酸素が陽イオンを取る
HCNの求核付加:CN$^-$ が $\delta+$ カルボニル炭素を攻撃し、C=O が O$^-$ に分解し、その後 O$^-$ が H$^+$ を取り込む
Explore · ⁨探索⁩

Carbonyl compound lab · ⁨カルボニル化合物実験室⁩

Sort carbonyl reactions by what they reveal. · ⁨何を示すかによってカルボニル反応を分類せよ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
aldehyde/ˈældɪhaɪd/ アルデヒドが得られる
ketone/ˈketəʊn/ ケトン
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 酸化反応
alcohol/ˈælkəhɒl/ アルコール
distillation/dɪstɪˈleɪʃn/ 蒸留
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 還元
hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/ シアン水素酸
hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/ ヒドロキシニトリル
nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 求核付加
Fehling's reagent/ˈfeɪlɪŋz rɪˈeɪdʒənt/ フェーリング試薬
Tollens' reagent/ˈtəʊlənz rɪˈeɪdʒənt/ ト伦ス試薬
tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/ トリヨードメタン
17.1

Tests for carbonyl compounds · ⁨カルボニル化合物のテスト⁩

English

Detecting any carbonyl

Add 2,4-DNPH reagent (2,4-dinitrophenylhydrazine). An orange precipitate confirms that the compound is an aldehyde or a ketone.

Telling an aldehyde from a ketone

Aldehydes are easily oxidised to carboxylic acids, but ketones are not. Two tests use this difference:

Test Aldehyde Ketone
Fehling's reagent 斐林试剂 (blue solution) turns to a brick-red precipitate no change
Tollens' reagent 托伦试剂 (colourless) gives a silver mirror no change

The iodoform test

If the compound has the $\text{CH}_3\text{CO}-$ group, warming it with alkaline aqueous iodine gives a pale yellow precipitate of tri-iodomethane 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) and the ion $\text{RCO}_2^-$.

Worked example. A liquid gives an orange precipitate with 2,4-DNPH, gives no silver mirror with Tollens' reagent, and gives a yellow precipitate with alkaline aqueous iodine. Identify it. Take the tests one at a time, using each for exactly what it proves. The orange precipitate with 2,4-DNPH proves a carbonyl group is present - an aldehyde or a ketone, nothing else. No silver mirror with Tollens' rules out an aldehyde, so it must be a ketone. The yellow precipitate in the iodoform test proves a $\text{CH}_3\text{CO}-$ group next to the carbonyl. The simplest compound satisfying all three is propanone, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Keep the roles straight: 2,4-DNPH finds any carbonyl, Tollens' separates aldehyde from ketone, and iodoform detects the methyl group beside the C=O.

日本語

任意のカルボニルの検出

2,4-DNPH試薬(2,4-ジニトロフェニルヒドラジン)を加えます。オレンジ色の沈殿は、その化合物がアルデヒドまたはケトンであることを確認します。

アルデヒドとケトンの識別

アルデヒドはカルボン酸へ容易に酸化されますが、ケトンはそうではありません。この違いを用いた2つのテストがあります:

試験 アルデヒド ケトン
フェリング試薬(青色溶液) レンガ赤色の沈殿になる 変化なし
テロアス試薬(無色) 銀鏡を作る 変化なし
2つの試験管:アルデヒドに対してレンガ赤色の沈殿を作るフェリング試液と、銀鏡を作るテロアス試薬
アルデヒドとケトンの識別:アルデヒドはフェリングでレンガ赤色の沈殿を、テロアスで銀鏡を作ります;ケトンは変化なし
内壁が明るく光る銀層でコーティングされた試験管、鏡のように見える
テロアステストの陽性反応:アルデヒドが試験管を光る銀鏡でコーティングする

イオドーホルム試験

化合物が $\text{CH}_3\text{CO}-$ 基を持っている場合、塩基性の水溶性ヨウ素と温めると、淡黄色のヨードホルム($\text{CHI}_3$)沈殿とイオン $\text{RCO}_2^-$ が生成します。

** worked example.** 液体が2,4-DNPHと反応してオレンジ色の沈殿を生じ、Tollens試薬では銀鏡を生じず、アルカリ性ヨウ素水溶液で黄色の沈殿を生じた。これを同定せよ。各試験を順に行い、それぞれの試験が証明する内容进行きonlyに用いること。2,4-DNPHとの橙色沈殿はカルボニル基の存在を示す——アルデヒドまたはケトン、それ以外ではない。Tollens試薬による銀鏡の生成なしはアルデヒドを除外するため、ケトンであることがわかる。ヨウ素ホルム試験における黄色沈殿は、カルボニルの隣に$\text{CH}_3\text{CO}-$基があることを示す。これら3つの条件を満たす最も単純な化合物はプロパノンであり、$\text{CH}_3\text{COCH}_3$である。役割を正しく理解しておく:2,4-DNPHはあらゆるカルボニルを検出し、Tollensはアルデヒドとケトンを区別し、ヨウ素ホルムはC=Oの隣のメチル基を検出する。

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Carbonyl test lab · ⁨カルボニル試験実験室⁩

Match observations to aldehydes and ketones. · ⁨観測結果をアルデヒドとケトンに対応させなさい。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
carbonyl compound/ˈkɑːbənaɪl ˈkɒmpaʊnd/ カルボニル化合物
carbonyl/ˈkɑːbənaɪl/ カルボニル
17.1

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • 2,4-DNPH gives an orange precipitate with any carbonyl — it tests for $\text{C}=\text{O}$.
  • Tollens' (silver mirror) and Fehling's (brick-red) are positive for aldehydes only — this is how you tell aldehydes from ketones.
  • Nucleophilic addition of HCN adds one carbon (→ hydroxynitrile); show the curly arrows.
  • The iodoform (tri-iodomethane) test is positive for $\text{CH}_3\text{CO}-$ groups.
日本語
  • 2,4-DNPHはあらゆるカルボニルと橙色沈殿を生じる——$\text{C}=\text{O}$を検出するための試験である。
  • Tollens(銀鏡)およびFehling(レンガ赤)はアルデヒドのみで陽性となる——これがアルデヒドとケトンを区別する方法である。
  • HCNの求核付加により炭素が1つ増える(→ハイドロキシアシルトリン)、その際カール矢印を示すこと。
  • **ヨウ素ホルム(トリヨードメタン)**試験は$\text{CH}_3\text{CO}-$基に対して陽性となる。

Interactive lessons on this topic · ⁨このトピックのインタラクティブ授業⁩

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