Ketone

Japanese: ケトン - けとん（英語表記）ketone

A type of organic carbonyl compound, a general term for compounds that have a carbonyl group bonded to two hydrocarbon groups. It is represented by the general formula R-CO-R'.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

Classification

When R and R' are both chain-type hydrocarbon groups such as alkyl or alkenyl groups, the ketone is called an aliphatic ketone, and when one or both of R and R' are aromatic groups, the ketone is called an aromatic ketone. Acetone and methyl vinyl ketone are aliphatic ketones, while acetophenone and benzophenone are aromatic ketones. In addition, there are cyclic ketones in which the carbon atoms that make up the ring of a cycloalkane are the carbonyl group of the ketone, a representative example being cyclohexanone, which is used in large quantities as a raw material for nylon. Aldehydes and ketones are similar in that they both have a carbonyl group =O, and so they share many properties in common. The properties and uses of major ketones are shown in the table below.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

Nomenclature

Ketones are named in two ways: by group functionality and by IUPAC nomenclature. In the group functionality nomenclature, ketones with the general formula RC(=O)-R' are named by adding the name of the R group and the name of the R' group followed by "ketone." In the case of CH ₃ -C(=O)-CH ₂ -CH ₂ -CH ₃ , R is -CH ₃ (methyl) and R' is -CH ₂ -CH ₂ -CH ₃ (propyl), so it is named "methyl propyl ketone."

In the IUPAC nomenclature system, the oxygen O of the carbonyl group of a ketone is considered a substituent and is given a name. The basic name is the name of the hydrocarbon in which the carbonyl oxygen =O is replaced with hydrogen _H2 , and the general rule is to add "-one" to the end of the name. The position of the carbonyl group is indicated by a number indicating its position from the terminal carbon. For example, in _CH3 -C(=O) _-CH2 - _CH2 - _CH3 , the hydrocarbon in which the carbonyl oxygen is replaced with hydrogen is _CH3 - _CH2 - _CH2 - _CH2 - _CH3 , or "pentane," and since the carbonyl oxygen is attached to the second carbon from the end, the name is "2-pentanone" (pentanone is formed by combining "pentane" and "on." In English, the "e" at the end of pentane is removed and one is added).

In addition, some ketones, such as acetone and acetophenone, which have been known for a long time, have their own common names that are not derived from their structure.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

Manufacturing method

(1) Method by thermal decomposition of carboxylates This is a long-known method for producing ketones in which calcium acetate is produced from wood vinegar obtained by dry distillation of wood, and then acetone is obtained by heating and dry distillation.

This reaction is best performed using salts of divalent metals such as calcium and barium; sodium salts produce methane, not acetone. This synthesis method can also be applied to cyclic ketones; heating a mixture of adipic acid and barium hydroxide to about 290°C produces cyclopentanone ( Figure A ). This reaction can also be used to synthesize other cycloalkanes.

(2) Oxidation of secondary alcohols This is an important method for producing ketones, and includes methods using conventional oxidizing agents, dehydrogenation using a copper catalyst, and the Oppenauer reaction using aluminum tert -butoxide.

A number of oxidizing agents can be used to oxidize secondary alcohols to ketones, including potassium dichromate and potassium permanganate. The reaction stops at the ketone stage, since ketones are resistant to oxidation. When the vapor of a secondary alcohol is passed over a copper or copper-chromium oxide catalyst, a dehydrogenation reaction occurs to produce the ketone. This reaction, which removes one molecule of hydrogen from the alcohol, proceeds at 200-300 °C. This reaction is used industrially to produce cyclohexanone from cyclohexanol and is incorporated as part of the process for oxidizing cyclohexane to produce cyclohexanone, a raw material for nylon.

(3) Synthesis of aromatic ketones by Friedel-Crafts reaction (acylation) The reaction of replacing hydrogen on an aromatic ring with an acyl group such as an acetyl group is known as the Friedel-Crafts reaction, and can be used as a convenient method for synthesizing aromatic ketones.

(4) Hydrolysis of β-ketocarboxylic acid esters The products of hydrolysis of β-keto acid esters differ when dilute acid or alkali is used from those when concentrated alkali hydroxide is used. The former produces a ketone, so this is called "ketone decomposition," while the latter produces a carboxylic acid, so this is called "acid decomposition."

In hydrolysis with dilute acid or alkali, first, the ester group -COOR is hydrolyzed to produce a β-ketocarboxylic acid, but this compound is unstable and is quickly decarboxylated, releasing carbon dioxide to produce a ketone. (Ketone decomposition)

In hydrolysis with concentrated sodium hydroxide, the hydroxide ion ^OH- attacks the carbonyl groups of both the ester and the ketone, hydrolyzing them into two molecules of carboxylic acid (RCOOH, _CH3COOH ) and one molecule of alcohol R'OH. Ketones are not produced. (Acidolysis)

(5) Industrially important synthetic methods In addition to cyclohexanone, which is mass-produced as a raw material for nylon, the three main ketones produced industrially are acetone, ethyl methyl ketone, and isobutyl methyl ketone. Of these, acetone is the most important, and is industrially synthesized by dehydrogenating isopropyl alcohol, as a by-product of phenol synthesis by the cumene method, as a by-product of synthesizing glycerin from propylene, and by direct oxidation of propylene. Ethyl methyl ketone is synthesized by adding water to 1-butene and then dehydrogenating the resulting 2-butanol.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

nature

Lower aliphatic ketones such as acetone and ethyl methyl ketone are liquids with a characteristic odor and are highly soluble in water, alcohol, and ether. However, as the chain length increases, water solubility decreases; diethyl ketone dissolves at only 4.16 grams per 100 grams of water, and dipropyl ketone is practically insoluble in water. Many higher aliphatic ketones are solids. Many aromatic ketones are solids with relatively low melting points.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

reaction

Ketones have a carbonyl group, so they can add to carbonyl groups and react with adjacent active methylene groups in the same way as aldehydes. However, because they do not have the aldehyde group -CHO (also called a formyl group), they do not exhibit the reducing properties of aldehydes.

(1) Oxidation and reduction Ketones are not easily oxidized, and are not oxidized by common oxidizing agents such as potassium permanganate. Therefore, they do not show reactions such as the silver mirror reaction and the reduction of Fehling's solution, which are seen with aldehydes. An important reaction for oxidizing ketones to carboxylic acids is the haloform reaction, which uses an alkali hydroxide and a halogen to convert ketones to haloforms (general formula CHX ₃ ) and carboxylic acids.

The carbonyl group of ketones can be reduced using a variety of reducing agents, giving three main types of products: pinacols, secondary alcohols, and hydrocarbons ( Figure B ).

The reduction reaction that produces pinacol is called bimolecular reduction. For example, when acetone is dried in benzene and magnesium (amalgamated) is reacted with it, two molecules combine during reduction to produce pinacol (CH ₃ ) ₂ C(OH)-C(OH)(CH ₃ ) ₂ .

The reduction of ketones to secondary alcohols can be carried out using a variety of reducing agents, including nickel or platinum catalyzed hydrogenation and reduction with metal hydrides such as lithium aluminum hydride.

There are two known methods for completely reducing the carbonyl group =O of a ketone to a methylene group _H2 to convert it into a hydrocarbon: the Clemmensen reduction and the Wolff-Kischner reduction. The former is a reaction in which the ketone is reduced with zinc and hydrochloric acid, while the latter is a method in which the ketone is reacted with hydrazine to produce a hydrazone, which is then decomposed by heating to 180°C or higher with an alkali such as potassium hydroxide.

(2) Addition to carbonyl groups Carbonyl groups are polarized so that the carbon has a positive charge and the oxygen has a negative charge, and therefore undergo a variety of ionic addition reactions. These addition reactions are less likely to occur in ketones than in aldehydes.

The addition of Grignard reagents to ketones has served as a synthetic route to tertiary alcohols ( Figure C ).

(3) Condensation with various carbonyl reagents The carbonyl group of a ketone undergoes a condensation reaction with various amine derivatives to produce a solid derivative. This reaction is specific to the carbonyl group of an aldehyde or ketone; carboxylic acids and esters do not undergo this reaction even though they contain a carbonyl group. Many aldehydes and ketones are liquid compounds at room temperature, so solid derivatives are produced by reaction with a carbonyl reagent, which are used in the qualitative and quantitative analysis of aldehydes and ketones. Figure D shows the condensation products of acetone with various carbonyl reagents. These products are solids, so they can be confirmed by their melting points.

(4) Reaction of hydrogen on the carbon atom next to a carbonyl group Hydrogen attached to the carbon atom (called α-carbon) next to the carbonyl group of aldehydes, ketones, carboxylic acids, esters, etc. is somewhat acidic due to the influence of the carbonyl group's tendency to attract electrons. The acidity of hydrogen is even stronger in the case of a methylene group sandwiched between two carbonyl groups in β-diketones and β-keto acid esters. Acetylacetone, a typical β-diketone, is highly acidic, so it can easily form a salt by reacting it with sodium ethoxide, and various derivatives can be synthesized by reacting this salt with an alkyl halide or by condensing this salt with an aldehyde.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

Diketones

A compound that has two ketone carbonyl groups in the same molecule is called a diketone.

Diketones with two adjacent carbonyl groups, such as diacetyl and benzyl, are called α-diketones (or 1,2-diketones). In this type of diketone, the two carbonyl groups are in conjugated positions, so they are yellow in color. α-diketones often exhibit normal ketone reactions. A reaction specific to α-diketones is the reaction in which the CC bond connecting the two carbonyl groups is cleaved by hydrogen peroxide to produce two molecules of carboxylic acid (see the following equation).

Ketones with one carbon atom -CH ₂ - between two carbonyl groups are called β-diketones (1,3-diketones). In β-diketones, there is no conjugation between the two carbonyl groups and they are colorless. A representative β-diketone is acetylacetone, and since the hydrogen of the methylene group in the center (3-position) of this compound can quickly move to the oxygen of the carbonyl group, it can exist in both keto and enol forms (tautomers), and there is an equilibrium between the two ( Figure E ). In the enol form, the C=O group of the ketone and the C=C bond of the enol are in a position where they can be conjugated. The actual existence of the enol form can be proven by a color-forming reaction with iron(III) chloride.

In diketones with two carbonyl groups separated by two or more carbon atoms, each carbonyl group will often react independently as a normal ketone.

[Masahiro Hirota and Yuko Suezawa]

Food

In foods, ketones such as methyl ketone and diacetyl are included in the aroma components of dairy products and are involved in the flavor of cheese and cooked dairy products. Ketones are also found in synthetic flavorings.

[Yonago, Yamaguchi]

Relationship with the human body

In the human body, ketone bodies such as acetone are produced as a result of lipid breakdown, and serve as an energy source during fasting or in diabetics who have reduced carbohydrate utilization. In addition, a state in which there are too many ketone bodies in the blood is called acidosis, and ketonuria is one of the symptoms.

[Yonago, Yamaguchi]

"Michio Shiota, Basic Chemistry Selection 4: Chemistry of Functional Groups (1982, Shokabo)" ▽ "Chemical Society of Japan, Experimental Chemistry Lectures 21: Organic Synthesis 3: Aldehydes, Ketones, Quinones," 4th Edition (1999, Maruzen)" ▽ "Chemical Society of Japan, Experimental Chemistry Lectures 15: Synthesis of Organic Compounds 3: Aldehydes, Ketones, Quinones," 5th Edition (2003, Maruzen)" ▽ "Saul Patai, The Chemistry of the Carbonyl Group (1966, Interscience Publishers, London and New York)"

Properties and uses of major ketones [Table]
©Shogakukan ">

Properties and uses of major ketones [Table]

Synthesis of cycloalkanes (Figure A)
©Shogakukan ">

Synthesis of cycloalkanes (Figure A)

Reduction of the carbonyl group of ketones (Figure B)
©Shogakukan ">

Reduction of the carbonyl group of ketones (Figure B)

Synthesis of tertiary alcohols (Fig. C)
©Shogakukan ">

Synthesis of tertiary alcohols (Fig. C)

Reaction of acetone with carbonyl reagents (Fig. D)
©Shogakukan ">

Reaction of acetone with carbonyl reagents (Figure D...

Acetylacetone (Figure E)
©Shogakukan ">

Acetylacetone (Figure E)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

有機カルボニル化合物の一種で、二つの炭化水素基と結合したカルボニル基をもつ化合物の総称。一般式R-CO-R'で表される。

［廣田　穰・末沢裕子］

分類

RとR'がともにアルキル基またはアルケニル基などの鎖式の炭化水素基である場合に脂肪族ケトンといい、RとR'のうち一方または両方が芳香族基である場合には芳香族ケトンとよばれる。アセトンやメチルビニルケトンは脂肪族ケトンで、アセトフェノンやベンゾフェノンは芳香族ケトンである。このほかに、シクロアルカンの環を構成する炭素原子が、ケトンのカルボニル基になっている環式ケトンがあり、その代表はナイロンの原料として多量に使われているシクロヘキサノンである。アルデヒドとケトンは、ともにカルボニル基=Oをもつ点で類似しているので多くの共通した性質がみられる。表におもなケトンの性質と用途を示す。

［廣田　穰・末沢裕子］

命名法

ケトンは、基官能命名法とIUPAC命名法の2通りの方法で命名されている。基官能命名法では、R-C(=O)-R'の一般式で表されるケトンの名前は、R基の名前とR'基の名前を並べたあとに「ケトン」をつけて命名する。CH₃-C(=O)-CH₂-CH₂-CH₃の場合には、Rが-CH₃（メチル）で、R'が-CH₂-CH₂-CH₃（プロピル）であるので、「メチルプロピルケトン」と名づけられる。

　IUPAC命名法では、ケトンのカルボニル基の酸素Oを置換基とみなして名前をつける。カルボニル酸素=Oを水素H₂で置き換えた炭化水素の名前を基本として、語尾に「オン（-one）」をつけるのが原則である。カルボニル基の位置は、それが末端の炭素から何番目にあるかを表す数字で示す。たとえば、CH₃-C(=O)-CH₂-CH₂-CH₃では、カルボニル酸素を水素で置き換えた炭化水素はCH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃、すなわち「ペンタン（pentane）」であり、カルボニル酸素は端から2番目の炭素についているので、名前は「2-ペンタノン（pentanone）」（「ペンタン」＋「オン」を続けてペンタノン。英語ではpentaneの語尾の「e」をとってoneをつける）になる。

　なお、古くから知られているアセトン、アセトフェノンなどいくつかのケトンは構造に由来しない固有の慣用名をもっている。

［廣田　穰・末沢裕子］

製法

(1)カルボン酸塩の熱分解による製法　古くから知られているケトンの製法であり、木材の乾留により得られた木酢液から酢酸カルシウムをつくり、それを加熱、乾留する方法によりアセトンを得ている。

　この反応には2価の金属であるカルシウム、バリウムなどの塩を用いるのがよく、ナトリウム塩ではメタンが生成し、アセトンは得られない。この合成法は環式ケトンにも応用することができ、アジピン酸と水酸化バリウムとの混合物を290℃ぐらいに加熱すると、シクロペンタノンが得られる（図A）。このほかのシクロアルノカンの合成にもこの反応が使える。

(2)第二アルコールの酸化　ケトンの製法として重要であり、通常の酸化剤を用いる方法、銅触媒を用いて脱水素を行う方法、およびアルミニウムtert-ブトキシドを用いるオッペナウワーOppenauer反応がこの部類に属する。

　第二アルコールを酸化してケトンにするには、重クロム酸カリウム、過マンガン酸カリウムなど、多くの酸化剤を用いることができる。ケトンは酸化に対して抵抗性があるので、この酸化の反応はケトンの段階で止まる。第二アルコールの蒸気を銅または銅‐クロム酸化物触媒上を通すと、脱水素反応がおこり、ケトンができる。これは、アルコールから1分子の水素がとれる反応で、200～300℃で進行する。この反応は、工業的にシクロヘキサノールからシクロヘキサノンをつくるのに利用されていて、シクロヘキサンを酸化してナイロンの原料であるシクロヘキサノンを製造する工程の一部として組み入れられている。

(3)フリーデル‐クラフツ反応（アシル化）による芳香族ケトンの合成　芳香環の水素をアセチル基などのアシル基で置換する反応は、フリーデル‐クラフツ反応の名で知られていて、芳香族ケトンの便利な合成法として利用できる。

(4)β(ベータ)-ケトカルボン酸エステルの加水分解　β-ケト酸エステルの加水分解は、薄い酸または薄いアルカリを用いて行う場合と、濃い水酸化アルカリを用いる場合とでは生成物が異なり、前者ではケトンを生成するので「ケトン分解」、後者ではカルボン酸を生成するので「酸分解」とよばれている。

　薄い酸または薄いアルカリによる加水分解では、まず、エステル基-COORの加水分解がおこり、β-ケトカルボン酸ができるが、この化合物は不安定で、すぐに脱カルボキシル化をおこして二酸化炭素が脱離してケトンになる。（ケトン分解）

濃い水酸化ナトリウムによる加水分解では、水酸化物イオンOH^-はエステルとケトンの両方のカルボニル基を攻撃して、2分子のカルボン酸（RCOOH、CH₃COOH）と1分子のアルコールR'OHに加水分解される。ケトンは生成しない。（酸分解）

(5)工業的に重要な合成法　ナイロンの原料として大量に生産されているシクロヘキサノンのほかに、工業的に製造されているおもなケトンは、アセトン、エチルメチルケトン、イソブチルメチルケトンの3種である。そのうちでは、アセトンがもっとも重要であり、工業的にはイソプロピルアルコールの脱水素、クメン法によるフェノール合成の副産物、プロピレンからグリセリンを合成する際の副産物、プロピレンの直接酸化などの方法により合成している。エチルメチルケトンは1-ブテンに水を付加させたのちに、得られた2-ブタノールを脱水素して合成する。

［廣田　穰・末沢裕子］

性質

アセトン、エチルメチルケトンなどの低位の脂肪族ケトンは、特有なにおいをもつ液体で、水、アルコール、エーテルによく溶ける。しかし、鎖が長くなるにしたがって水溶性は減り、ジエチルケトンでは水100グラム中に4.16グラムしか溶けなくなり、ジプロピルケトンは水にほとんど溶けなくなる。高位の脂肪族ケトンは固体のものが多い。多くの芳香族ケトンは比較的融点が低い固体である。

［廣田　穰・末沢裕子］

反応

ケトンはカルボニル基をもっているので、アルデヒドと同じようにカルボニル基への付加、隣接する活性メチレン基への反応などを行う。しかし、アルデヒド基-CHO（ホルミル基ともいう）をもたないので、アルデヒドのような還元性は示さない。

(1)酸化と還元　ケトンは酸化を受けにくく、過マンガン酸カリウムなどの普通の酸化剤では酸化されない。したがって、アルデヒドにみられたような銀鏡反応やフェーリング液の還元などの反応は示さない。ケトンを酸化してカルボン酸にする反応として重要なのは、水酸化アルカリとハロゲンを用いて、ケトンをハロホルム（一般式CHX₃）とカルボン酸にするハロホルム反応である。

　ケトンのカルボニル基の還元はいろいろな還元剤を用いて行うことができ、大きく分けると、ピナコール、第二アルコール、炭化水素の3種類の生成物が得られる（図B）。

　ピナコールを生成する還元反応は、2分子還元とよばれるもので、アセトンの例について述べれば、ベンゼン中で乾燥したアセトンにマグネシウム（アマルガム化したもの）を作用させると、還元に伴い2分子が結合して、ピナコール(CH₃)₂C(OH)-C(OH)(CH₃)₂を生成する。

　ケトンを第二アルコールに還元する反応は、ニッケルまたは白金を触媒とした水素添加、水素化アルミニウムリチウムなどの金属水素化物による還元など、いろいろな還元剤を用いて行うことができる。

　ケトンのカルボニル基=Oを完全にメチレン基H₂に還元して炭化水素にする方法としては、クレメンゼン還元とウォルフ‐キシュナー還元と二つの反応が知られている。前者は、亜鉛と塩酸によりケトンを還元する反応で、後者は、ケトンをヒドラジンと反応させて、ヒドラゾンとして水酸化カリウムなどのアルカリとともに180℃以上に加熱して分解する方法である。

(2)カルボニル基に対する付加　カルボニル基は、炭素が正電荷、酸素が負電荷をもつように分極しているので、いろいろなイオン性付加反応を受ける。これらの付加反応は、ケトンではアルデヒドに比べておこりにくくなっている。

　ケトンに対するグリニャール試薬の付加は、第三アルコールの合成法として役だっている（図C）。

(3)いろいろなカルボニル試薬との縮合　ケトンのカルボニル基は、いろいろなアミン誘導体と縮合反応をおこして固体の誘導体を生成する。この反応は、アルデヒドやケトンのカルボニル基に特有なもので、カルボン酸やエステルはカルボニル基をもっていてもこの反応をおこさない。アルデヒドやケトンは、常温で液体の化合物が多いので、カルボニル試薬との反応により固体の誘導体をつくり、これをアルデヒドやケトンの定性分析や定量分析に利用している。アセトンを例にとって種々のカルボニル試薬との縮合生成物を図Dに示す。これらの生成物は固体であるので、融点により確認できる。

(4)カルボニル基の隣の炭素原子上の水素の反応　アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステルなどのカルボニル基の隣の炭素原子（α(アルファ)-炭素とよぶ）についた水素は、カルボニル基が電子を引き寄せる性質をもっているので、その影響を受けていくぶん酸性である。水素の酸性は、β-ジケトンやβ-ケト酸エステルの二つのカルボニル基に挟まれたメチレン基では、さらに強くなる。代表的なβ-ジケトンであるアセチルアセトンでは、酸性が強くなっているので、ナトリウムエトキシドとの反応により容易に塩をつくり、この塩とハロゲン化アルキルとの反応やこの塩とアルデヒドとの縮合反応を利用して種々の誘導体を合成できる。

［廣田　穰・末沢裕子］

ジケトン

同じ分子内に二つのケトンのカルボニル基をもつ化合物をジケトンという。

　ジアセチルおよびベンジルのように二つのカルボニル基が隣接するジケトンをα-ジケトン（または1,2-ジケトン）とよぶ。この種のジケトンでは二つのカルボニル基が共役の位置にあるので黄色い色をもっている。α-ジケトンは多くの場合正常なケトンの反応を示す。α-ジケトンに特有な反応としては、過酸化水素水により二つのカルボニル基を結ぶC-C結合が切断されて2分子のカルボン酸を生成する反応（次式）がある。

　二つのカルボニル基の間に一つの炭素原子-CH₂-をもつケトンをβ-ジケトン（1,3-ジケトン）という。β-ジケトンでは二つのカルボニル基の間に共役の効果はみられず無色である。β-ジケトンの代表はアセチルアセトンで、この化合物の中央（3-の位置）のメチレン基の水素は速やかにカルボニル基の酸素上に移動することができるので、ケト形とエノール形の両方の形（互変異性体）で存在することが可能で、両者の間には平衡が存在している（図E）。エノール形ではケトンのC=O基とエノールのC=C結合は共役できる位置にある。エノール形が実際に存在することは塩化鉄(Ⅲ)による発色反応で証明できる。

　二つ以上の炭素原子に隔てられた二つのカルボニル基をもつジケトンでは、それぞれのカルボニル基は独立に正常のケトンとしての反応を示すことが多い。

［廣田　穰・末沢裕子］

食品

食品では、乳製品の香り成分にメチルケトン、ジアセチルなどのケトン類が含まれ、チーズや加熱した乳製品のフレーバー（風味）に関係している。また、合成着香料のなかにもケトン類のものがある。

［山口米子］

人体との関係

人体では脂質の分解物としてアセトンなどのケトン体があり、絶食時や糖質の利用が低下した糖尿病患者ではエネルギー源になる。また、血液にケトン体が多くなった状態をアシドーシス（酸血症）といい、ケトン尿症が一つの症状として現れる。

［山口米子］

『塩田三千夫著『基礎化学選書4　官能基の化学』（1982・裳華房）』▽『日本化学会編『実験化学講座21　有機合成3　アルデヒド・ケトン・キノン』第4版（1999・丸善）』▽『日本化学会編『実験化学講座15　有機化合物の合成3　アルデヒド・ケトン・キノン』第5版（2003・丸善）』▽『Saul PataiThe chemistry of the carbonyl group（1966, Interscience Publishers, London and New York）』