Альдегидная и кетонная группы. Предельные альдегиды и кетоны
Альдегиды - органические вещества, которые содержат карбонильную группу >С=О, связанную хотя бы с одним атомом водорода. Альдегиды, а также схожие с ними по строению и свойствам кетоны, называют карбонильными, или оксосоединениями. Примеры альдегидов - муравьиный, уксусный, пропионовый альдегид.
Номенклатура
Тривиальные названия альдегидов образуют из тривиальных названий родственных карбоновых кислот. Примеры альдегидов с названиями представлены на рисунке. Первым представителем гомологического ряда альдегидов является муравьиный альдегид, или формальдегид, при окислении которого образуется муравьиная кислота. Второй представитель - уксусный альдегид, ацетальдегид, при окислении которого образуется уксусная кислота.
По номенклатуре ИЮПАК альдегидную группу обозначают суффиксом -аль, который добавляют к названию соответствующего углеводорода. Примеры альдегидов по номенклатуре ИЮПАК предложены на изображении ниже.
Если в соединении есть старшие группы, например, карбоксильные, то наличие альдегидной группы обозначают префиксом формил. Пример альдегида, который правильнее назвать :
- НООС - СН (СНО) - СН 2 - СООН
Это 2-формилбутандиовая кислота.
Описание веществ
Альдегиды в отличие от спиртов не обладают подвижным атомом водорода, поэтому их молекулы не ассоциируются, что объясняет значительно более низкие температуры кипения. К примеру, альдегид формальдегид кипит уже при температуре -21 °С, а спирт метанол - при +65 °С.
Однако такой низкой температурой кипения обладает только формальдегид, следующий представитель - ацетальдегид закипает при +21°С. Поэтому при комнатной температуре из всех альдегидов только формальдегид - газ, ацетальдегид уже легколетучая жидкость. Увеличение количества атомов углерода закономерно повышает температуру кипения. Так, бензальдегид С 6 Н 5 СНО закипает только при +180 °С. Разветвление цепи вызывает понижение температуры кипения.
Низшие альдегиды, к примеру, формальдегид, хорошо растворимы в воде. 40%-ный раствор формальдегида называют формалином, его часто используют для консервации биологических препаратов. Высшие альдегиды хорошо растворимы в органических растворителях - спирте, эфире.
Характерные запахи альдегидов
Альдегиды обладают характерными запахами, причем низшие - резкими, неприятными. Всем известен неприятный запах формалина - водного раствора формальдегида. У высших альдегидов цветочные запахи, их применяют в парфюмерии.
Примером альдегидов - веществ с приятным запахом - является ванилин, обладающий ароматом ванили, и бензальдегид, придающий характерный аромат миндальным орехам. Оба вещества получают синтетически и широко используют в качестве ароматизаторов в кондитерской промышленности и парфюмерии.
Получение
Рассмотрим способы получения альдегидов.
- Окисление спиртов.
Альдегиды получают при окислении первичных спиртов. Например, формальдегид, который используют в производстве полимерных материалов, лекарств, красителей, взрывчатых веществ. В промышленности формальдегид получают окислением кислородом метанола: 2СН 3 ОН + О 2 = 2СН 2 О + 2Н 2 О.
Реакцию проводят на раскаленной серебряной сетке, серебро является катализатором. Через сетку пропускают пары метанола, смешанные с воздухом. Реакция идет с выделением большого количества тепла, которого хватает для поддержания сетки в раскаленном состоянии.
- Дегидрирование спиртов.
Альдегиды можно получать из спиртов и в отсутствии кислорода. В этом случае используют медный катализатор и высокие температуры (250 °С): R-CH 2 -OH = R-CHO + H 2 .
- Восстановление хлорангидридов кислот.
Альдегиды можно получать восстановлением водородом хлорангидридов кислот. В качестве катализатора используют «отравленный» палладий - с пониженной активностью: RCClO + H 2 = RCHO + HCl.
- Получение ацетальдегида.
Ацетальдегид в промышленности получают окислением этилена кислородом или воздухом в жидкой фазе. В качестве катализатора необходим хлорид палладия (PdCl 2 ): 2 СН 2 =СН 2 + О 2 = 2 СН 3 СНО.
Химические свойства
Для альдегидов характерны следующие типы реакций:
- присоединения по карбонильной группе;
- полимеризации;
- конденсации;
- восстановления и окисления.
Большинство реакций идет по механизму нуклеофильного присоединения по связи С=О.
Обычно рассматривают химические свойства альдегидов на примере уксусного альдегида.
В карбонильной группе С=О электронная плотность смещена к атому кислорода, поэтому на карбонильном атоме углерода формируется частичный положительный заряд, который обусловливает химическую активность альдегидов. Положительный заряд на атоме углерода группы С=О обеспечивает его активность в реакциях с нуклеофильными реагентами - водой, спиртом, магний органическими соединениями. Атом кислорода воды может атаковать карбонильный атом углерода, присоединяться к нему и вызывать разрыв связи С=О.
Реакции конденсации
Альдегиды вступают в реакции альдольной и кротоновой конденсации.
Ацетальдегид при действии слабого раствора щелочи на холоду превращается в альдоль. Продуктом реакции является жидкость, смешивающаяся с водой при пониженном давлении. Это вещество содержит как альдегидную, так и спиртовую группу (отсюда и название).
Качественные реакции
Для выявления альдегидов можно использовать две качественные реакции:
- Реакция «серебряного зеркала». Реакция идет с реактивом Толленса - аммиачным раствором оксида серебра. При смешивании раствора аммиака и раствора нитрата серебра образуется сначала раствор гидроксида серебра, а при добавлении избытка аммиака - раствор гидроксида диамминсеребра (I), который и является окислителем. При взаимодействии с альдегидом выделяется элементное серебро в виде черного осадка. Если реакцию проводить при медленном нагревании, не тряся пробирку, серебро покроет стенки пробирки, создавая эффект «зеркала».
- Реакция «медного зеркала». Другим реактивом, открывающим альдегидную группу, является гидроксид меди (II). При взаимодействии с альдегидом он восстанавливается до оксида меди (I). Цвет меняется с синего сначала на оранжевый, затем на желтый. Если реакцию проводить при медленном нагревании, оксид будет образовывать тонкий оранжево-красный налет на стенках пробирки - «медное зеркало»: СН 3 СНО + 2 Cu(OH) 2 + NaOH = CH 3 COONa + Cu 2 O↓ + 3H 2 O.
Введение
Это единения, содержащие карбонильную группу = С = О. У альдегидов карбонил связан радикалом и водородом. Общая формула альдегидов:
У кетонов карбонил связан с двумя радикалами. Общая формула кетонов:
Альдегиды являются более активными, чем кетоны (у кетонов карбонил как бы блокирован радикалами с обеих сторон).
Кла сс ификация
1.по углеводородному радикалу (предельные, непредельные, ароматические, циклические).
2.по числу карбонильных групп (одна, две и тд.)
Изомерия и номенклатура
Изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродного скелета. У кетонов помимо изомерии углеродного скелета наблюдается изомерия положения карбонильной группы. По тривиальной номенклатуре альдегиды называют соответственно карбоновым кислотам, в которые они переходят при окислении. По научной номенклатуре названия альдегидов складываются из названий соответствующих углеводородов с добавлением окончания аль. Атом углерода альдегидной группы определяет начало нумерации. По эмпирической номенклатуре кетон называют по радикалам, связанным с карбоксилом с добавлением слова кетон. По научной номенклатуре названия кетонов складываются из названий соответствующих углеводородов с добавлением окончания ОН, в конце ставят номер углеродного атома, при котором стоит карбонил. Нумерацию начинают от ближайшего к кетонной группе конца цепи.
Представители предельных альдегидов. CnH2n+1C=O
Представители предельных кетонов
Способы получения
1) Путем окисления спиртов. Из первичных спиртов получаются альдегиды, из вторичных кетоны. Окисление спиртов происходит при действии сильных окислителей (хромовая смесь) при небольшом нагревании. В промышленности в качестве окисления используют кислород воздуха в присутствии катализатора - меди (Cu) при t0= 300-5000С
СН3 - СН2 - СН2 - ОН + О К2Cr2O7 CH3 - CH2 - C =O + HOH
пропанол -1 H
пропаналь
СН3 - СН - СН3 + О К2Cr2O7 СН3 - С - СН3
пропанол -2 пропанон
2) Термическое разложение кальциевых солей карбоновых кислот, причем, если взть соль муравьиной кислоты, то образуются альдегиды, а если других кислот, то кетоны.
О уксусный альдегид
О - Са прокаливание СаСО3 + СН3 - С = О
СН3 -С - О СН3
Это лабораторные способы получения.
3) По реакции Кучерова (из алкинов и воды, катализатор - соли ртути в кислой среде). Из ацетилена образуются альдегиды, из любых других алкинов - кетоны.
СН = СН + НОН СН2 = СН - ОН СН3 - С = О
ацетилен виниловый СН3
спирт уксусный альдегид
СН3 - С = СН + НОН СН3 - С = СН2 СН3 - С = О
пропин ОН СН3
пропенол - 2 ацетон
4) Оксосинтез. Это прямое взаимодействие алкенов с водным газом (СО+Н2) в присутствии кобальтового или никелевого катализаторов под давлением 100- 200 атмосфер при t0 = 100-2000С. По этому способу получают альдегиды
СН3 - СН2 - СН2 - С = О
бутаналь Н
СН3 - СН = СН2 + СО + Н2
СН3 - СН - С = О
2-метилпропаналь
5) Гидролиз дигалогенпроизводных. Если оба галогена находятся при первичном углеродном атоме, то образуется альдегид, если при вторичном - кетон.
СН3 - СН2 - С - CL2 + HOH 2HCL + CH3 - CH2 - C = O
1,1-дихлорпропен пропеналь
СН3 - С - CH3 + HOH 2HCL + CH3 - C = O
2,2-дихлорпропан пропанон
Муравьиный альдегид - газ, другие низшие альдегиды и кетоны - жидкости, легко растворимые в воде; альдегиды обладают удушливым запахом, который при сильном разведении становится приятным(цветочным или фруктовым). Кетоны пахнут довольно приятно. Следовательно карбонил = С =О носитель запаха, поэтому альдегиды и кетоны применяются в парфюмерной промышленности. температура кипения альдегидов и кетонов возрастает по мере увеличения молекулярного веса.
Природа карбонильной группы
Большинство реакций альдегидов и кетонов обусловлено присутствием карбонильной группы. рассмотрим природу карбонила = С =О. например,
1.углерод с кислородом в карбониле связаны двойной связью: одна сигма - связь, другая пи - связь. За счет разрыва П- связи у альдегидов и кетонов идут реакции присоединения (нуклеофильного типа):
R - C = O R - C - O:
Кислород является более электроотрицательным элементом, чем углерод, и поэтому электронная плотность у атома кислорода больше, чем у атома углерода. При реакциях присоединения к углероду будет присоединяться нуклеофильная часть реагента, к кислороду - электрофильная часть.
2.приреакциях замещения может замещаться кислород карбонила. При этом происходит разрыв двойной связи между С и О
3.карбонил влияет на связи С - Н в радикале, ослабляя их, особенно в альфа-положении, то есть рядом с карбонильной группой.
Н - ?С -? С - ?С - С = О
При действии свободных галогенов будет замещаться водород в углеродном радикале при альфа- углеродном атоме.
СН3 - СН2 - СН2 - С = О + СL2 CH3 - CH2 - CH - C = O + HCL
Хлормасляный альдегид
Химические свойства
Из всех классов органических соединений альдегиды и кетоны самые реакционноспособные. Причем в химическом отношении альдегиды более активны, чем кетоны. Для них характерны следующие реакции: окисления, присоединения, замещения, полимеризации, конденсации. Для кетонов не характерны реакции полимеризации.
Реакции окисления
Альдегиды окисляются легко, даже слабыми окислителями HBrO, OH, раствор Фелинга. При окислении альдегидов образуются карбоновые кислоты.
СН3 - С = О + О СН3 - С = О - уксусная кислота
Если окислителем является OH , то выделяется свободное серебро (реакция «серебряного зеркала» - это качественная реакция на альдегиды).
СН3 - С = О + 2OH СН3 - С = О + 2 Ag + 4 NH3 + Н2О
Окисление кетонов происходит гораздо труднее и только сильными окислителями. Продуктами окисления являются карбоновые кислоты. При окислении кетона образуется спиртокетон, затем дикетон, который, разрываясь, образует кислоты.
СН3 - СН2 - С - СН2 - СН3 + О СН3 - СН - С - СН2 - СН -Н2О+О СН3 - С - С - СН2 - СН3 +О +Н2О
О ОН О О О
диэтилкетон спиртокетон дикетон
СН3 - С = О + О = С - СН2 - СН3
уксусная к-та пропионовая к-та
В случае смешанного кетона окисление протекает по правилу Попова - Вагнера, то есть главное направление реакции - окисление соседнего с карбонилом наименее гидрированного атома углерода. Но помимо с главным направлением будет и побочное направление реакции, то есть окислится углеродный атом с другой стороны карбонила. При этом образуется смесь различных карбоновых кислот.
СН3 - С - СН - СН3 - спиртокетон +О - Н2О
СН3 - С - СН2 - СН3 ОН О
О СН2 - С - СН2 - СН3 + О - Н2О
Бутанон-2 спиртокетон
СН3 - С - С - СН3 +О +Н2О 2 СН3 - С = О
дикетон уксусная кислота
СН-С - СН2 - СН3 + О +Н2О НС = О + СН3 - СН2 - С = О
дикетон муравьиная к-та пропионовая к-та
Реакции присоединения
Протекают за счет разрыва пи-связи в карбониле. Эти реакции нуклеофильного присоединения, то есть сначала к положительно заряженному углероду карбонила присоединяется нуклеофильная часть реагента со свободной электронной парой (протекает медленно):
С+ = О - + :Х - = С - О -
Вторая стадия - присоединение протона или другого катиона к образовавшемуся аниону (протекает быстро):
С - О - + Н + = С - ОН
1.Присоединение водорода.
При этом из альдегидов получаются первичные спирты, из кетонов - вторичные. Реакция протекает в присутствии катализаторов Ni, Pt и др.
СН3 - С = О + Н + : Н - СН3 - С - Н
уксусный альдегид этанол
СН3 - С - СН3 + Н+ : Н - СН3 - СН - СН3
пропанон пропанол -2
2.Присоединение бисульфата натрия (гидросульфата):
R - C = O + HSO3Na R - C - SO3Na
При этом образуются бисульфитные производные. Эту реакцию используют для очистки альдегидов и кетонов и выделения их из примесей.
3.Присоединение синильной кислоты. При этом образуются?- оксинитрилы, которые являются промежуточными продуктами синтеза оксикислот, аминокислот:
R - C = O + HCN R - C - C =N
Оксинитрил
4. Присоединение аммиака NH3. При этом образуются оксиамины.
R - C = O + H - NH2 CH3 - CH - NH2
Оксиамин
5. Присоединение магнийгалогенорганических соединений (реактив Гриньяра). Реакцию используют для получения спиртов.
6.Присоединение спиртов (безводных). При этом первоначально образуются полуацетали (как обычная реакция присоединения). Затем при нагревании с избытком спирта образуются ацетали (как простые эфиры).
R - C = O + СН3 - ОН R - CН - О - СН3 +СН3ОН R - CН - О - СН3
H ОН О - СН3
полуацеталь ацеталь
В природе очень много соединений полуацетального и ацетального характера, особенно среди углеводов (сахаров).
Реакции замещения
Кислород карбонильных групп может замещаться на галогены и некоторые азотсодержащие соединения.
1.Замещение галогенами. Происходит при действии на альдегиды и кетоны фосфорных соединений галогенов PCL3 и PCL5. При действии же свободными галогенами замещается водород в углеводородном радикале при?-углеродном атоме.
PCL5 CH3 - CH2 - CH -CL2 + POCL3
СН3 - СН2 - С = О 1,1-дихлорпопин (фосфора хлорокись)
Н +CL2 CH3 - CH - CH = O + HCL
пропаналь CL
Монохлорпропионовый альдегид
2.Реакция с гидроксиамином NH2OH. При этом образуются окислы альдегидов (альдоксилы) и кетонов (кетоксины).
СН3 - СН = О + Н2N - OH CH3 - CH - N - OH + H2O
уксусный альдегид оксиэтаналь
Эту реакцию применяют для количественного определения карбоксильных соединений.
3.Реакция с гидразином NH2 - NH2 . Продуктами реакции являются гидразины (когда реагирует одна молекула альдегида или кетона) и азины (когда реагируют две молекулы).
СН3 - СН = О + NH2 - NH2 СН3 - СН = N - NH2
этаналь гидразин гидразин этаналь
СН3 - СН = N - NH2 + О = СН - СН3 СН3 - СН =N - N = НС - СН3
азин этаналь (альдазин)
4.Реакции с фенилгидразином. С6Н5 - NH - NH2 . Продуктами реакции являются фенилгидразины.
СН3 - СН = О + Н2N - NH - C6H5 CH3 - CH = N - NH - C6H5
Фенилгидразонэтаналь
Окислы, гидразины, азины, фенилгидразины - твердые кристаллические вещества с характерными температурами плавления, по которым определяют природу (строение) карбонильного соединения.
Реакции полимеризации
Характерны только для альдегидов. Но и то, только газообразные и летучие альдегиды (муравьиный, уксусный) подвергаются полимеризации. Это очень удобно при хранении этих альдегидов. муравьиный альдегид полимеризуется в присутствии серной кислоты или соляной, при нормальной температуре. Коэффициент полимеризации n=10-50. Продукт полимеризации - твердое вещество, называется - полиоксиметилен (формалин).
Н - С = О - С - О - С - О - ...- С - … - С - О -
Н Н Н Н Н n
Полиоксиметилен
Это твердое вещество, но его можно превратить в муравьиный альдегид, разбавляя водой и слегка подогревая.
Уксусный альдегид под влиянием кислот образует жидкий циклический триммер- паральдозу и твердый тетрамер - метальдозу («сухой спирт»).
3 СН3 - СН = О О
СН3 - НС СН - СН3
паральдегид
4 СН3 - СН = О СН3 - НС О
Метальдегид
Реакции конденсации
1.Альдегиды в слабо основной среде (в присутствии ацетона калия, поташа, сульфата калия) подвергаются альдольной конденсации с образованием альдегидо - спиртов, сокращенно называемых альдолями. Разработана эта реакция химиком А.П. Бородиным (он же композитор). В реакции участвует одна молекула своей карбонильной группой, а другая молекула водородом при?- углеродном атоме.
СН3 - СН = О + НСН2 - СН = О СН3 - СН - СН2 - СН = О
ОН альдоль
(3 - оксибутаналь или?-оксимасляный альдегид)
СН3 - СН - СН2 - СН = О + НСН2 - СН = О СН3 - СН - СН2 - СН - СН2 -СН =О
гексенциол-3,5-аль
С каждым разом увеличивается число групп ОН. Получается альдегидная смола при уплотнении большого числа молекул.
2. Кротоновая конденсация. для альдегидов она является продолжением альдольной конденсации, то есть при нагревании альдоль отщепляет воду с образованием непредельного альдегида.
СН3 - СН - СН2 - СН = О СН3 - СН = СН - С = О
кротоновый альдегид
Рассмотрим эти реакции для кетонов.
СН3 - С = О + НСН2 - С = О СН3 - С - СН2 - С = О СН3 - С = СН - С = О
СН3 СН3 ОН СН3 СН3 СН3 СН3
4 - окси - 4 - метилпентанон-2 4 - метилпентан -3-он-2
3.Сложноэфирная конденсация. Характерна только для альдегидов. Разработана В.Е.Тищенко. протекает в присутствии катализаторов алкоголятов алюминия (CH3 - CH2 - O)3 AL.
CH3 - CH = O + O = HC - CH3 CH3 - СН2 - О - С = О
уксусноэтиловый эфир
1.СН2 = СН - СН =О - пропен-2-аль - акриловый альдегид или акролеин
2.СН3 - СН = СН - СН = О - бутен - 2 - аль - кротоновый альдегид
Акролеин иначе называют чад, он получается при нагревании горении жиров. В химическом отношении непредельные альдегиды обладают всеми свойствами предельных по карбонильной группе, а за счет двойной связи в радикале могут вступать в реакции присоединения.
У этих альдегидов сопряженная система двойных связей, поэтому в химическом отношении они отличаются реакциями присоединения. Присоединение водорода, галогенов, галогенводородов происходит по концам сопряженной системы.
Электронная плотность смещена к кислороду и к нему направляются положительно заряженная часть реагента, а к положительно поляризованному углероду - отрицательная часть реагента.
СН2+ = СН- - СН+= О- + Н+: Br- CH2 - CH = CH - OH CH2 - CH2 - CH = O
3-бромпропаналь
Образующаяся при этом енольная форма альдегида немедленно превращается в более устойчивую карбонильную форму. Таким образом присоединение галогенводородов в радикал идет против правила Марковникова.
Ароматические альдегиды
Представители С6Н5 -СН = О - бензойный альдегид. Это жидкость с запахом горького миндаля, содержится в косточках слив, вишен, диких абрикос и других плодах.
С писок использованной литературы
1) Гранберг И.И. Органическая химия. - М., 2002
2) Ким А.М. Органическая химия. - Новосибирск, 2007
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
1. Определение альдегидов и кетонов, различие в строении.
2. Номенклатура и изомерия
3. Физические свойства
4. Химические свойства. Строение карбонильной группы (электронные эффекты группы).
5. Применение альдегидов и кетонов.
6. Влияние на здоровье человека и природу.
Альдегиды и кетоны кислородсодержащие органические соединения, содержа-щие карбонильную группу (-С=О).
Общая формула карбонильных соединений:
– алкильные радикалы (СН3-. С2Н5-)
Номенклатура альдегидов и кетонов
Для альдегидов используется тривиальная, рациональная номенклатура и номенклатура ИЮПАК (систематическая).
Тривиальные названия альдегидов производят от тривиальных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при окислении.
Муравьиный альдегид (формальдегид) |
|
Уксусный альдегид (ацетальдегид) |
|
| Пропионовый |
| Масляный |
| Изомасляный |
По рациональной номенклатуре названия альдегидов строятся с использованием в качестве основы названия уксусного альдегида. Более сложные альдегиды рассматриваются как производные с замещением атомов водорода в метильной группе уксусного альдегида на более сложные радикалы.
Уксусный альдегид |
|
| Метилуксусный альдегид |
| Этилуксусный альдегид |
| Диметилуксусный альдегид |
Согласно номенклатуре ИЮПАК названия альдегидов строят от названия соответствующего углеводорода и добавлением суффикса -аль . Нумерацию цепи всегда начинают с карбонильного атома углерода, поэтому номер группы не ставится. Цифрами и приставками указывается положение и число заместителей.
| пропаналь |
| бутаналь |
| 2-метилпропаналь |
| 2,3-диметилбутаналь |
Номенклатура кетонов.
Для кетонов тривиальное название используется для первого представителя – ацетона (СН3СОСН3).
По рациональной номенклатуре названия кетонов строятся путем перечисления радикалов связанных с карбонильной группой в порядке возрастания их молекулярной массы и добавлением основы «кетон».
| диметилкетон (ацетон) |
| метилэтилкетон |
| пропилизопропилкетон |
В соответствии с номенклатурой ИЮПАК в кетоне выбирается самая длинная цепь, содержащая –С=О-группу, нумерация начинается с того конца, где эта группа располагается. Названия кетонов строятся от названия углеводородов с прибавлением окончания –ОН , цифрой обязательно указывается положение функциональной группы. Также цифрами и приставками указывается положение и число заместителей.
| пропанон |
| Бутанон-2 |
| 2-метил-гексанон-3 |
Строение карбонильной группы C=O
Свойства альдегидов и кетонов определяются строением карбонильной группы >C=O.
Атомы углерода и кислорода в карбонильной группе находятся в состоянии sp2-гибридизации. Углерод своими sp2-гибридными орбиталями образует 3 s-связи (одна из них - связь С–О), которые располагаются в одной плоскости под углом около 120° друг к другу. Одна из трех sp2-орбиталей кислорода участвует в s-связи С–О, две другие содержат неподеленнные электронные пары.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image018_37.gif" alt="Связь С=О (4985 байт)" width="365" height="149 src=">
Связь С=О сильно поляризована. Электроны кратной связи С=О, в особенности более подвижные p-электроны, смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда. Карбонильный углерод приобретает частичный положительный заряд.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image020_16.jpg" width="311" height="234 src=">
При окислении спиртов используется медный катализатор.
2) Другой способ – каталитическая гидратация ацетилена , промежуточное соединение – виниловый спирт (этот способ был рассмотрен в первом модуле – и носит название реакции Кучерова).
Если вместо ацетилена взять метилацетилен, то получится ацетон.
3) Озонолиз алкенов также был подробно изучен в первом модуле (тема АЛКЕНЫ)
4) В промышленности получение осуществляется пиролизом карбоновых кислот и их солей.
5) Гидролиз дигалогенпроизводных алканов и метиларенов.
Эта реакция приводит к альдегидам, если оба атома галогена находятся у одного атома углерода. Если атом находится в конце цепи – получается альдегид, если в середине – кетон.
6) Реакция Фриделя-Крафтса (рассмотрена в реакциях ацилирования аренов, электрофильное замещение ароматических углеводородов).
Химические свойства альдегидов и кетонов
Химические свойства определяются особенностями строения карбонильной группы >C=O, обладающей полярностью – электронная плотность между атомами С и О распределена неравномерно, сдвинута к более электроотрицательному атому О. В результате карбонильная группа приобретает повышенную реакционную способность, что проявляется в разнообразных реакциях присоединения по двойной связи.
Кроме того, за счет смещения электронной плотности атомы водорода расположенные в α-положении относительно карбонильной группы приобретают подвижность, это свойство называется СН-кислотность.
Во всех случаях кетоны менее реакционноспособны, чем альдегиды, в частности, из-за пространственных затруднений, создаваемых двумя органическими группами R.
I. Присоединение по двойной связи С=О, взаимодействие с О-, N-, S-нуклеофилами
1) При взаимодействии со спиртами альдегиды образуют полуацетали – соединения, содержащие одновременно алкокси - и гидрокси-группу у одного атома углерода. Полуацетали могут далее реагировать с еще одной молекулой спирта, образуя полные ацетали – соединения, где у одного атома углерода находятся одновременно две RО-группы. Реакцию катализируют кислоты и основания. В случае кетонов присоединение спиртов к двойной связи в С=О затруднено.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image029_20.gif" width="359" height="83 src=">гидроксинитрил
3) Точно так же (раскрывая двойную связь С=О) реагируют с альдегидами и кетонами аммиак и амины , продукты присоединения неустойчивы и конденсируются с выделением воды и образованием двойной связи C=N. Эта реакция позволяет различать альдегиды и кетоны.
В случае взаимодействия альдегида и аммиака получаются имины, а из аминов образуются так называемые основания Шиффа – соединения, содержащие фрагмент >C=NR.
Кетоны с аммиаком подобных соединений не образуют. Они реагируют более медленно и сложно:
https://pandia.ru/text/78/082/images/image033_18.gif" width="290" height="140 src=">
5) Реакции с гидроксиламином осуществляются с выделением воды. Продуктом взаимодействия альдегида или кетона с гидроксиламином является оксим . Такие соединения представляют интерес для органического синтеза.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image035_14.gif" width="588" height="115 src=">
7) Альдегиды и кетоны реагируют и с галогеннуклеофилами . В качестве реагентов применяют галогениды фосфора и серы, но чаще всего – пентахлорид фосфора.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image037_15.gif" width="350" height="62 src=">
Роль катализатора заключается в ускорении процесса енолизации (суть работы катализатора рассмотрим ниже на примере реакции конденсации).
2) Реакции конденсации . Для альдегидов и кетонов возможна конденсация, проходящая между двумя молекулами одного и того же соединения. При такой конденсации альдегидов двойная связь одной из молекул раскрывается, образуется соединение, содержащее одновременно альдегидную и ОН-группу, называемое альдолем (альдегидоспирт).
Протекающую конденсацию называют, соответственно, альдольной, эту реакцию катализируют основания. Полученный альдоль может далее конденсироваться с образованием двойной связи С=С и выделением конденсационной воды. В итоге получается ненасыщенный альдегид (кротоновой альдегид). Такую конденсацию называют кротоновой по названию первого соединения в ряду ненасыщенных альдегидов.
Кетоны также способны участвовать в альдольной конденсации, а вторая стадия – кротоновая конденсация, для них затруднена.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image040_12.gif" width="420 height=282" height="282">
Гидроксил-ион является инициатором реакции, он отрывает протон от метильной группы альдегида (стадия I). Затем метиленовая компонента атакует карбонильную компоненту – вторую молекулу карбонильного соединения (стадия II). Продукты альдольной конденсации в присутствии оснований легко отщепляют воду (стадия III).
2) Конденсация альдегидов и кетонов с фенолами идет с удалением карбонильного атома О (в виде воды), а метиленовая группа СН2 или замещенная метиленовая группа (СНR либо СR2) встраивается между двумя молекулами фенола. Наиболее широко эту реакцию применяют для получения фенолоформальдегидных смол.
III Восстановление и окисление
Альдегиды и кетоны представляют собой как бы промежуточные соединения между спиртами и карбоновыми кислотами : восстановление приводит к спиртам, а окисление – к карбоновым кислотам. При действии Н2 (в присутствии катализатора Pt или Ni), альдегиды восстанавливаются, образуя первичные спирты, а кетоны – вторичные спирты (подробно эти реакции были рассмотрены в лекции «Спирты»).
Окисление альдегидов до карбоновых кислот проходит достаточно легко в присутствии О2 или при действии слабых окислителей, таких как аммиачный раствор гидроксида серебра. Эта реакция сопровождается образованием серебряного зеркала на внутренней поверхности реакционного прибора (чаще, обычной пробирки), ее используют для качественного обнаружения альдегидной группы .
Альдегиды окисляются фелинговой жидкостью. Реактив Фелинга – это водно-щелочной раствор образованный из Сu(ОН)2 и калиево-натриевой соли винной кислоты (сегнетовой соли). При сливании растворов образуется комплексное соединение (типа гликолята меди). Далее альдегид восстанавливает двухвалентную медь до одновалентной. Кетоны в такие реакции не вступают.
https://pandia.ru/text/78/082/images/image044_12.gif" width="433 height=99" height="99">
Для кетонов тоже существуют качественные реакции – например, иодоформная проба. Эту реакцию дают метилкетоны (в ходе реакции окраска йода исчезает и одновременно выделяется осадок СH3I).
3CH3CO-R + 3I2 + 4NaOH = CH3I¯ + RCOONa + 3NaI + 3H2O
Применение альдегидов и кетонов
Формальдегид Н2С=О (его водный раствор называют формалином) используют как дубитель кожи и консервант биологических препаратов.
Ацетон (СН3)2С=О – широко применяемый экстрагент и растворитель лаков и эмалей.
Ароматический кетон бензофенон (С6Н5)2С=О с запахом герани, используется в парфюмерных композициях и для ароматизации мыла.
Некоторые из альдегидов были сначала найдены в составе эфирных масел растений, а позже искусственно синтезированы.
Алифатический альдегид СН3(СН2)7С(Н)=О (тривиальное название – пеларгоновый альдегид) содержится в эфирных маслах цитрусовых растений, обладает запахом апельсина, его используют как пищевой ароматизатор.
Ароматический альдегид ванилин содержится в плодах тропического растения ванили, сейчас чаще используется синтетический ванилин – широко известная ароматизирующая добавка в кондитерские изделия.
ванилин бензальдегид 
бензофенон
Бензальдегид с запахом горького миндаля содержится в миндальном масле и в эфирном масле эвкалипта. Синтетический бензальдегид используется в пищевых ароматических эссенциях и в парфюмерных композициях.
Бензофенон и его производные способны поглощать УФ-лучи, что определило их применение в кремах и лосьонах от загара, кроме того, некоторые производные бензофенона обладают противомикробной активностью и применяются в качестве консервантов. Бензофенон обладает приятным запахом герани, и потому его используют в парфюмерных композициях и для ароматизации мыла.
Способность альдегидов и кетонов участвовать в различных превращениях определила их основное применение в качестве исходных соединений для синтеза разнообразных органических веществ: спиртов, карбоновых кислот и их ангидридов, лекарственных препаратов (уротропин), полимерных продуктов (фенолоформальдегидные смолы, полиформальдегид), в производстве всевозможных душистых веществ (на основе бензальдегида) и красителей.
Влияние на здоровье человека и природу
Альдегиды – химически активные вещества, обладающие токсическим действием (наркотическое и раздражающе действуют на слизистые оболочки). С увеличением молекулярной массы наркотическое действие соединений усиливается. Низшие и непредельные альдегиды обладают мутагенными и канцерогенными свойствами.
При концентрации альдегидов в водоеме свыше 50 мг/л погибает рыба, а попадание альдегидов в сточные воды тормозит их биохимическую очистку.
Токсическое действие кетонов проявляется в поражении ЦНС. Из организма выводятся медленно из-за хорошей растворимости в крови.
Альдегидами называют соединения, молекулы которых содержат карбонильную группу, соединенную с атомом водорода, т.е. общая формула альдегидов может быть записана как
где R – углеводородный радикал, который может быть разной степени насыщенности, например, предельный или ароматический.
Группу –СНО называют альдегидной.
Кетоны – органические соединения, в молекулах которых содержится карбонильная группа, соединенная с двумя углеводородными радикалами. Общую формулу кетонов можно записать как:
где R и R’ – углеводородные радикалы, например, предельные (алкилы) или ароматические.
Гидрирование альдегидов и кетонов
Альдегиды и кетоны могут быть восстановлены водородом в присутствии катализаторов и нагревании до первичных и вторичных спиртов соответственно:
Окисление альдегидов
Альдегиды легко могут быть окислены даже такими мягкими окислителями, как гидроксид меди и аммиачный раствор оксида серебра.
При нагревании гидроксида меди с альдегидом происходит исчезновение изначального голубого окрашивания реакционной смеси, при этом образуется кирпично-красный осадок оксида одновалентной меди:
В реакции с аммиачным раствором оксида серебра вместо самой карбоновой кислоты образуется ее аммонийная соль, поскольку находящийся в растворе аммиак реагирует с кислотами:
Кетоны в реакцию с гидроксидом меди (II) и аммиачным раствором оксида серебра не вступают. По этой причине эти реакции являются качественными на альдегиды. Так реакция с аммиачным раствором оксида серебра при правильной методике ее проведения приводит к образованию на внутренней поверхности реакционного сосуда характерного серебряного зеркала.
Очевидно, что если мягкие окислители могут окислить альдегиды, то само собой это могут сделать и более сильные окислители, например, перманганат калия или дихромат калия. При использовании данных окислителей в присутствии кислот образуются карбоновые кислоты:
Химические свойства карбоновых кислот
Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, содержащие одну или несколько карбоксильных групп.
Карбоксильная групп а:
Как можно видеть, карбоксильная группа состоит из карбонильной группы –С(О)- , соединенной с гидроксильной группой –ОН.
В связи с тем, что к гидроксильной группе непосредственно прикреплена карбонильная, обладающая отрицательным индуктивным эффектом связь О-Н является более полярной, чем в спиртах и фенолах. По этой причине карбоновые кислоты обладают заметно более выраженными, чем спирты и фенолы, кислотными свойствами. В водных растворах они проявляют свойства слабых кислот, т.е. обратимо диссоциируют на катионы водорода (Н+) и анионы кислотных остатков:
Реакции образования солей
С образованием солей карбоновые кислоты реагируют с:
1) металлами до водорода в ряду активности:
2) аммиаком
3) основными и амфотерными оксидами:
4) основными и амфотерными гидроксидами металлов:
5) солями более слабых кислот – карбонатами и гидрокарбонатами, сульфидами и гидросульфидами, солями высших (с большим числом атомов углерода в молекуле) кислот:
Систематические и тривиальные названия некоторых кислот и их солей представлены в следующей таблице:
| Формула кислоты | Название кислоты тривиальное/систематическое | Название соли тривиальное/систематическое |
| HCOOH | муравьиная/ метановая | формиат/ метаноат |
| CH 3 COOH | уксусная/ этановая | ацетат/ этаноат |
| CH 3 CH 2 COOH | пропионовая/ пропановая | пропионат/ пропаноат |
| CH 3 CH 2 CH 2 COOH | масляная/ бутановая | бутират/ бутаноат |
Следует помнить и обратное: сильные минеральные кислоты вытесняют карбоновые кислоты из их солей как более слабые:
Реакции с участием ОН группы
Карбоновые кислоты вступают в реакцию этерификации с одноатомными и многоатомными спиртами в присутствии сильных неорганических кислот, при этом образуются сложные эфиры:
Данного типа реакции относятся к обратимым, в связи с чем с целью смещения равновесия в сторону образования сложного эфира их следует осуществлять, отгоняя более летучий сложный эфир при нагревании.
Обратный реакции этерификации процесс называют гидролизом сложного эфира:
Необратимо данная реакция протекает в присутствии щелочей, поскольку образующаяся кислота реагирует с гидроксидом металла с образованием соли:
Реакции замещения атомов водорода в углеводородном заместителе
При проведении реакций карбоновых с хлором или бромом в присутствии красного фосфора при нагревании происходит замещение атомов водорода при α-атоме углерода на атомы галогена:
В случае большей пропорции галоген/кислота может произойти и более глубокое хлорирование:
Реакции разрушения карбоксильной группы (декарбоксилирование)
Особые химические свойства муравьиной кислоты
Молекула муравьиной кислоты, несмотря на свои малые размеры, содержит сразу две функциональные группы:
В связи с этим она проявляет не только свойства кислот, но также и свойства альдегидов:
При действии концентрированной серной кислоты муравьиная кислота разлагается на воду и угарный газ.
1. Р. Окисления.
Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот. Окислителями могут служить гидроксид меди (II), оксид серебра, кислород воздуха:
Ароматические альдегиды окисляются труднее алифатических. Кетоны, как было сказано выше, окисляются труднее альдегидов. Окисление кетонов проводится в жестких условиях, в присутствии сильных окислителей. Образуются в результате смеси карбоновых кислот. Как отличить альдегиды от кетонов? Различие в способности к окислению служит основой качественных реакций, позволяющих отличить альдегиды от кетонов. Многие мягкие окислители легко реагируют с альдегидами, но инертны по отношению к кетонам. а) Реактив Толленса (аммиачный раствор оксида серебра), содержащий комплексные ионы +, дает с альдегидами реакцию «серебряного зеркала». При этом образуется металлическое серебро. Раствор оксида серебра готовят непо средственно пере д опытом:
Реактив Толленса окисляет альдегиды до соответствующих карбоновых кислот, которые в присутствии аммиака образуют аммонийные соли. Сам окислитель при этой реакции восстанавливается до металлического серебра. За тонкий серебряный налет на стенках пробирки, который образуется при этой реакции, реакция альдегидов с аммиачным раствором оксида серебра получила название реакции «серебряного зеркала». СН3-СН=O)+2OH->CH3COONH4+2Ag+3NH3+H2O. Альдегиды также восстанавливают свежеприготовленный аммиачный раствор гидроксида меди (II), обладающий светло-голубой окраской (реактив Фелинга), до желтого гидроксида меди (I), который при нагревании разлагается с выделением ярко-красного осадка оксида меди (I). СН3-СН=О + 2Cu(ОН)2 - СН3СООН+2CuОН+Н2О 2CuOH->Cu2O+H2O
2. Р. Присоединения
Гидрирование - присоединение водорода.
Карбонильные соединения восстанавливаются до спиртов водородом, алюмогидридом лития, боргидридом натрия. Водород присоединяется по связи C=O. Реакция идет труднее, чем гидрирование алкенов: требуется нагревание, высокое давление и металлический катализатор (Pt, Ni):
3. Взаимодействие с вод ой.
4. Взаимодействие, со спиртами.
При взаимодействии альдегидов со спиртами могут образовываться полуацетали и ацетали. Полуацетали представляют собой соединения, в которых при одном атоме углерода содержится гидроксильная и алкоксильная группа. К ацеталям относят вещества, в молекулах которых содержится атом углерода с двумя алкоксильными заместителями.
Ацетали, в отличие от альдегидов, более устойчивы к окислению. Благодаря обратимости взаимодействия со спиртами их часто используют в органическом синтезе для « защиты» альдегидной группы.
4.Присоединение гидросульфитов.
Гидросульфит NaHSO3 тоже присоединяется по связи C=O с образованием кристаллического производного, из которого карбонильное соединение может быть регенерировано. Бисульфитные производные используются для очистки альдегидов и кетонов.
В результате поликонденсации фенола с формальдегидом в присутствии катализаторов образуются фенолформальдегидные смолы, из которых получают пластмассы - фенопласты (бакелиты). Фенопласты - важнейшие заменители цветных и черных металлов во многих отраслях промышленности. Из них изготавливается большое количество изделий широкого потребления, электроизоляционные материалы и строительные детали. Фрагмент фенолформальдегидной смолы показан ниже:
Исходными соединениями для получения альдегидов и кетонов могут быть углеводороды, галогенопроизводные, спирты и кислоты.
Применение карбонильных соединений
Формальдегид используется для получения пластмасс, например бакелита, дубления кож, дезинфекции, протравливания семян. Совсем недавно в нашей стране разработан метод получения полиформальдегида (-СН2-О-)n, который обладает высокой химической и термической устойчивостью.
Это ценнейший конструкционный пластик, способный во многих случаях заменить металлы. Ацетальдегид используют для получения уксусной кислоты и некоторых пластмасс. Ацетон применяется как исходное вещество для синтеза многих соединений (например, метилметакрилата, полимеризацией которого получают оргстекло); он используется также в качестве растворителя.
