Альдегиды и кетоны – это производные углеводородов, в молекулах которых имеется карбонильная группа. Альдегиды по строению отличаются от кетонов положением карбонильной группы. О физических свойствах альдегидов и кетонов, а также об их классификации и номенклатуре говорим в этой статье.
Физические свойства
В отличие от спиртов и фенолов, для альдегидов и кетонов не характерно образование водородных связей, именно поэтому их температуры кипения и плавления значительно ниже. Так, формальдегид – газ, уксусный альдегид кипит при температуре 20,8 градусов, тогда как метанол кипит при температуре 64,7 градусов. Аналогично фенол – кристаллическое вещество, а бензальдегид – жидкость.
Формальдегид – бесцветный газ с резким запахом. Остальные члены ряда альдегидов – жидкости, а высшие альдегиды являются твердыми веществами. Низшие члены ряда (формальдегид, ацетальдегид) – растворимы в воде, имеют резкий запах. Высшие альдегиды хорошо растворимы в большинстве органических растворителях (спирты, эфиры), у альдегидов С 3 -С 8 весьма неприятный запах, а высшие альдегиды применяются в парфюмерии из-за цветочных запахов.
Рис. 1. Таблица классификация альдегидов и кетонов.
Общая формула альдегидов и кетонов выглядит следующим образом:
- формула альдегидов – R-COH
- формула кетонов – R-CO-R
Классификация и номенклатура
Альдегиды и кетоны отличаются по типу углеродной цепи, в которой находится карбонильная группа. Рассмотрим соединения жирного ряда и ароматические:
- ациклические, предельные . Первым членом гомологического ряда альдегидов является муравьиный альдегид (формальдегид, метаналь) – CH 2 =O.
Муравьиный альдегид применяется как антисептик. С его помощью осуществляется дезинфекция помещений, протравливание семян.
Второй член альдегидного ряда – уксусный альдегид (ацетальдегид, этаналь). Он применяется как промежуточный продукт при синтезе уксусной кислоты и этилового спирта из ацетилена.
Рис. 2. Формула уксусный альдегид.
- непредельные . Необходимо упомянуть такой непредельный альдегид, как акролеин (пропеналь). Этот альдегид образуется при термическом разложении глицерина и жиров, составной частью которых является глицерин.
- ароматические . Первым членом гомологического ряда ароматических альдегидов является бензольный альдегид (бензальдегид). Также можно отметить такой альдегид растительного происхождения, как ванилин (3-метокси-4-гидроксибензальдегид).
Рис. 3. Формула ванилин.
Кетоны могут быть чисто ароматические и жиро-ароматические. Чисто ароматическим является, например, дифенилкетон (бензофенон). Жирно-ароматическим является, например, метил-фенилкетон (ацетофенон)
Что мы узнали?
На уроках химии 10 класса важнейшей задачей является изучение альдегидов и кетонов. В альдегидах атом углерода карбонильной группы является первичным, а в кетонах вторичным. Поэтому в альдегидах карбонильная группа всегда связана с атомом водорода. Альдегидная группа обладает большей химической активностью, чем кетонная, особенно в реакциях окисления.
Альдегиды и кетоны - производные углеводородов, в которых содержится одна или более карбонильных групп $C = O$ (оксогрупп). Альдегидами называются соединения, в которых карбонильная группа соединена с углеводородным остатком и водородом, кетонами - если она соединена с двумя углеводородными остатками (при этом группу $C = O$ называют еще кетогруппой):
Альдегиды и кетоны относятся к группе карбонильных соединений.
В зависимости от строения углеводородного радикала альдегиды и кетоны разделяют на алифатические, алициклические и ароматические. Среди алифатических альдегидов и кетонов различают насыщенные и ненасыщенные.
Изомерия альдегидов связана со строением углеводородного остатка, а кетонов - дополнительно положению $C = O$ группы.
Физические свойства
Определение 1
Насыщенные альдегиды и кетоны - это бесцветные жидкости, кроме формальдегида, который при нормальных условиях является газом. Они характеризуются резким запахом. Температуры их кипения ниже, чем у спиртов, так как для альдегидов и кетонов проявления водородной связи не характерно, причем кетоны кипят при более высокой температуре, чем альдегиды с одинаковым количеством атомов углерода.
Муравьиный и уксусный альдегиды, а также кетоны с небольшой молекулярной массой растворимые в воде. При увеличении молекулярной массы растворимость этих веществ в воде уменьшается. Все альдегиды и кетоны хорошо растворяются в органических растворителях (спирте, эфире и т.п.).
Считают, что карбонильная группа -осмофор, то есть носитель запаха. Муравьиный альдегид имеет довольно резкий запах. Другие ниже альдегиды имеют удушающий запах, который при сильном разбавления становится приятным и напоминает запах овощей и фруктов. Кетоны пахнут довольно приятно.
Электронное строение карбонильной группы
Вследствие различной электроотрицательности атомов углерода и кислорода карбонильная группа имеет высокую полярность (μ $\sim$ $2,5 D$ для альдегидов и $2,7 D$ для кетонов) и значительную способность к поляризуемости. Например, значение молекулярной рефракции $MR$ для оксогруппы равна примерно 3,4, тогда как для одинарной $C-O$-связи всего 1,5.
Двойная связь карбонильной группы состоит, как и для алкенов, из σ- и π-связей:
Рисунок 2. Двойная связь карбонильной группы. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Особенность карбонильной группы заключается в заметной разнице электроотрицательности атомов, ее образующих. Атом кислорода имеет внешнее строение $1s^22s^22p^4$ с распредилением 4х $p$-электронов по отдельным $x,y,z$ подуровням, но окончательно проблема его гибридизации не решена.
Предполагают существование неэквивалентных гибридных орбиталей со значительным $p$-характером типа $s^n p^m$, где $n$ стремиться к 1, $m$ стремиться к 2, то есть, σ-связь $C-O$ вероятнее всего образуется при перекрытии $sp^{2_-}$-гибридной орбитали углерода и $2p_x - AO$ кислорода. $n$-связь образуется при взаимодействии негибридизованои $2p_x - AO$ углерода и $2p_x - AO$ кислорода.
Две остаточные пары $n$-элетронов $2s^2$ и ${2p^2}_y$ атома кислорода существенно на химические свойства карбонильной группы не влияют.
Ниже приведена структура простейшего альдегида - формальдегида с данными валентных углов и длин связей.
Рисунок 3. Структура простейшего альдегида. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
длина связи, $C=O$ 1,203 $C-H$ 1,101
валентный угол, ${}^\circ$ $H-C=O$ 121,8 $H-C-H$ 116,5
Вследствие полярности связей $C = O$ атом углерода приобретает положительный эффективного заряда, и его называют электрофильным центром, а кислород - отрицательного заряда, и его называют нуклеофильного центром. Поэтому атом углерода взаимодействует с нуклеофилами, что является основным взаимодействием $C=O$-группы альдегидов и кетонов в химических реакциях, а кислород - с электрофилами. Заместители акцепторного действия, которые увеличивают положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы, значительно повышают ее реакционную способность. Противоположный эффект наблюдается при донорном действии заместителей:
Рисунок 4. Донорное действие заместителей. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
Итак, альдегиды и кетоны, с одной стороны, проявляют значительные электрофильные свойства, а с другой - слабые нуклеофильные, подобно спиртам и эфирам.
Альдегиды проявляют большую химическую активность по сравнению с кетонами в результате двух основных факторов. Во-первых, при наличии второго углеводородного остатка $R$ возникают стерические препятствия при атаке нуклеофилом электрофильного центра. Во-вторых, заместитель $R$ с $+I$-эффектом уменьшает положительный заряд на электрофильном атоме углерода карбонильной группы и увеличивает отрицательный заряд на атоме кислорода. В результате ослабляется способность карбонильной группы к реакциям с нуклеофильными реагентами.
Энергия связи $C = O$ равна 680-760 кДж / моль (для сравнения энергия двойной связи $E_{C=C}$ составляет 590-640 кДж / моль), но благодаря высокой полярности и поляризуемости карбонильная группа более реакционноспособна, чем углерод-углеродная кратная связь.
Спектральные характеристики альдегидов и кетонов
В УФ-спектрах карбонильные соединения имеют интенсивную полосу поглощения -185 нм вследствие π-π-перехода и слабоинтенсивну 270-300 нм благодаря n-π -перехода:
Рисунок 5. УФ-спектры: бензальдегида (I), анилина (II) и фторбензола (III). Автор24 - интернет-биржа студенческих работ
В ИК-области спектра наблюдаются интенсивные валентные колебания карбонильной группы $v_{C=O}$ в диапазоне 1850-1650 см $^{-1}$, поэтому ИК-спектроскопия является надежным методом ее определения.
В случае ПМР-спектроскопии для альдегидной группы существует характерный сигнал протона при 8,5-11,0 м.ч., который также является надежным критерием его наличии у карбонильной группы.
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
Слово альдегид было придумано как сокращение латинского alcohol dehydrogenatus - дегидрированный спирт, самый популярный альдегид - формальдегид, из него делают смолы, синтезируют лекарства и как консервант. Формула альдегида - R-CHO, соединение, в котором карбонильная группа соединена с водородом и радикалом.
Слово кетон произошло от слова ацетон, младшего соединения из семейства кетонов. Кетоны используются как растворители, лекарства и для синтеза полимеров. Формула кетона - R-C(O)-R, соединение, в котором карбонильная группа соединена с двумя радикалами.
Структура и свойства карбонильной группы
Карбонильная группа основана на связи атома углерода и атома кислорода посредством α- и π-связей. Резонансная структура группы определяет высокую полярность соединения и электронное облако сдвинуто в сторону кислорода: C δ+ =O δ- . Введение электроотрицательных элементов в уменьшает полярность связи, повышая положительный заряд молекулы. Нуклеофильные заместители увеличивают отрицательный заряд кислорода.
Атом углерода в карбонильной группе является сильным электрофилом (присоединяет электроны), поэтому большинство реакций альдегидов и кетонов осуществляется нуклеофильными реактивами (основания Льюиса). Логично, атом кислорода является сильным нуклеофилом, и реакции с атомом кислорода возможны с применением электрофилов (кислот Льюиса).
Реакция карбонильной группы с основанием Льюиса
(R)(R)C δ+ =O δ- + B: → (R)(R)C(B)-O
Реакция карбонильной группы с кислотой Льюиса
(R)(R)C δ+ =O δ- + Y: → (R)(R)C-O-Y
В дополнение, неразделённые электроны кислорода наделяют его слабыми свойствами основания, поэтому те альдегиды и цетоны, которые не растворяются в воде, растворяются в концентрированной серной кислоте.
Физические свойства карбонильной группы
Высокая полярность связи C=O образует высокий дипольный момент, из-за чего носители карбоксильной группы имеют более высокую температуру кипения, по сравнению с углеводородами.
Неразделённые электроны в атоме кислорода образуют водородную связь с молекулами воды, поэтому, начиная с пяти атомов углерода в радикалах, альдегиды и кетоны плохо растворяются в воде или не растворяются вовсе.
Альдегиды и кетоны, имеющие до 12 атомов углерода - жидкости. Алифатические соединения с карбонильной группой имеют плотность примерно 0.8, поэтому плавают на поверхности воды, циклогексанон имеет плотность около единицы, ароматические альдегиды и кетоны имеют плотность чуть больше, чем плотность воды.
Реакции альдегидов и кетонов
Присоединение воды
В процессе реакции воды с альдегидами и кетонами образуются диолы (гликоли, двухатомные спирты). Реакция протекает с использованием катализатора - кислотой или основанием и является двусторонней:
RR-CO + H-OH ↔ R R\ C /OH -OH
Присоединение нуклеофильных углеродов
Важные нуклеофильные соединения, реагирующие с альдегидами и кетонами - металлорганические соеденинения (органические соединения, в молекулах которых существует связь атома металла с атомом/атомами углерода). Одни из представителей металлорганических соединений - реактивы Гриньяра (общая формула - R-Mg-X), в реакциях с альдегидами и кетонами образуют спирты:
RH-C=O + R-C - H 2 -Mg + -Cl - → RH-С-(O-MgCl)(CH 2 -R)
RH-С-(O-MgCl)(CH 2 -R) + H-OH → RH-C-CH 2 R + OH-Mg-Cl
Окисление альдегидов и кетонов
При окислении, альдегиды находятся на промежуточном этапе между спиртами и карбоновыми кислотами:
В присутствии водорода и кислорода:
R-CH 2 -OH ↔ R-C(=O)-H ↔ R-COOH
Альдегиды легко окисляются, что позволяет использовать более мягкие окислители, чем простой кислород. Ароматические альдегиды подвергаются окислению легче, чем алифатические. Проблема окисления альдегидов - в образовании побочных продуктов.
Кетоны окисляются с трудом, для окисления кетонов необходимо использовать сильные окислители и большое количество тепла. В результате окисления разрывается связь C-C и образовывается кислота (есть исключение):
В присутствии KMnO 4 , H и большого количества тепла :
CH 3 -C(=O)-CH 2 CH 3 → CH 3 -C(=O)-OH + CH 3 CH 2 -C(=O)-OH
Исключением является окисление диоксидом селена, SeO 2 , метил-группа, следующая за карбонильной, окисляется, преобразовываясь в другую карбонильную группу. Например, метилэтилкетон окисляется в диацетил:
Окисление метилэтилкетона в диацетил:
CH 3 CH 2 -C(=O)-CH 3 + SeO 2 → CH 3 -C(=O)-C(=O)-CH 3 + H 2 O + Se
Лёгкость, с которой окисляются альдегиды, позволяет легко отличить их от кетонов, для этого используются мягкие окислители, такие как: реактив Толленса (гидроксид диамминсеребра, Ag(NH 3) 2 OH), реактив Фелинга (алкалиновый раствор ионов меди Cu в Сегнетовой соли KNaC 4 H 6 O 6 ·4H 2 O) и раствор Бенедикта (ионы меди с цитратом и карбонатом натрия). Ароматические альдегиды реагируют с реактивом Толленса, но не реагируют с реактивами Бенедикта и Фелинга, что используется для определения количества алифатических и ароматных альдегидов.
Полимеризация альдегидов
Паральдегид
Ацетальдегид имеет температуру кипения 20°C, что затрудняет его хранение и применение. При обработке ацетальдегида кислотой при низкой температуре, ацетальдегид соединяется в цикличную тройную молекулу - паральдегид, с температурой кипения 120°C. Паральдегид при небольшом нагреве деполимеризуется, высвобождая три молекулы ацетальдегида.
Формальдегид
Для удобства транспортировки и хранения, формальдегид продаётся не в форме газа, а в виде формалина - водного раствора с содержанием 37-40% параформальдегида, OH(CH 2 O) n H, со средним значением n=30. Параформальдегид - белое аморфное вещество, твёрдое, получаемое медленным выпариванием формалина при низком давлении. Полимеризация происходит за счёт присоединения друг к другу молекул формальдегида:
CH 2 =O + H 2 O ↔
+ n → HO-(CH 2 O) n+1 -H
Полимер Дерлин (полиоксиметилен) является хорошим линейным пластиком с высокой молекулярной массой, дерлин обладает отличными характеристиками прочности и эластичности.
Какие качественные реакции позволяют отличать альдегиды от кетонов Приведите примеры.
Чем отличаются альдегиды от кетонов
Альдегиды и кетоны отличаются по целому ряду свойств, однако благодаря наличию в тех и в других карбонильной группы, в их свойствах есть много общего. Мы опишем эти соединения в одной главе, рассматривая их сходство и различие.
Кетоны этих условиях не окисляются, поэтому обе реакции Спользуют как качественные, позволяющие отличить альдегиды)т кетонов.
КАК ОТЛИЧАТЬ АЛЬДЕГИДЫ ОТ КЕТОНОВ
Качественные реакции, которые позволяют отличать альдегиды от кетонов основаны на том, что альдегиды окисляются гораздо легче, чем кетоны. Многие мягкие окислители легко реагируют с альдегидами, но инертны по отношению к кетонам. Реактив Фелинга - раствор комплексного соединения, содержащего ионы -дает с альдегидами осадок оксида меди(1). Реактив Толленса, содержащий комплексные ионы дает с альдегидами реа Кцию серебряного зеркала. При этом образуется металлическое серебро. Кетоны не восстанавливают ни один из этих реагентов.
Для отличия кетонов от альдегидов можно использовать более легкую окисляемость последних. г
Чем отличаются кетоны от альдегидов а) по строению, б) по способам получения, в) по реакциям окисления Ответ сопровождать уравнениями реакций.
Альдегиды и кетоны отличаются высокой реакционной способностью, что в значительной степени связано с большим ди-польным моментом карбонильной группы.
Какие вещества относятся к классу кетонов, какова их функциональная группа и общая формула Чем отличаются кетоны от альдегидов по структуре и свойствам
Обычно С помощью петель с о-дианизидином и бензидином удается отличить альдегид от кетона. Петля с фосфорной кислотой вычитает эпоксисоединения, но не вычитает карбонильные соединения (гл. 5, разд. И.), и ее можно использовать для того, чтобы исключить эпоксисоединения. Для вычитания карбонильных соединений применялся также и гидроксил амин
Кетоны отличаются от альдегидов и своим различным повелением в реакциях окисления-восстановления. Например, кето-иы не дают серебряного зеркала, не восстанавливают раствора Фелинга. И вообще, кетоны очень устойчивы в отношении многих обыкновенных окислителей. Только под воздействием очень сильных окислителей, например, горячей азотной кислоты, кетоны расщепляются, образуя смесь различных кислот, в зависимости от того, по какому направлению (I или II) происходит расщепление
В качественном органическом анализе для отличия альдегидов от кетонов предпочитают бисульфитную пробу, а не реакцию серебряного зеркала, поскольку метилкетоны легко можно дополнительно идентифицировать при помощи иодоформной реакции.
Судя по данным инфракрасной спектрометрии, молекулярная структура керогена после деструкции характеризуется потерей значительного количества липидных компонентов, сначала с функциями карбоновых кислот, кетонов и альдегидов, а за тем - длинноцепочечных структур с СНг-группами. Происходит усиление ароматизации и поликонденсации остаточной части керогена, который по элементному составу и молекулярной структуре теряет сапропелевый облик и уже почти не отличается от бедного водородом гумусового органического вещества.
Для идентификации альдегидов и кетонов используют прежде всего кристаллические оксимы, фенилгидразоны, 2,4-динитрофенилгидразоны и семикарбазоны. Альдегиды от кетонов отличают по восстановительным свойствам альдегидов (восстановление реактивов Толленса,. Нью-
Химические свойства. Альдегиды и кетоны отличаются большой реакционной способностью. Большинство их реакций обусловлено присутствием активной карбонильной группы. Двойная связь сходна по физической природе с двойной связью между двумя углеродными атомами (б-связь -Ья-связь) (рис. 32). Однако в отличие от двойной углерод-углеродной связи энергия связи С-О (179 ккал) больше, чем энергия двух простых С-0-связей (85,5x2 ккал). С другой стороны, кислород является более электроотрицательным элементом, чая
Химическая и спектральная идентификация альдегидов и кетонов основана на наличии в их молекулах карбонильной группы (С==0). Обычно альдегиды более реакционноспособны, чем кетоны. Кроме того, связь С-Н в альдегидной группе СНО позволяет с помощью спектрального анализа отличить альдегиды от кетонов, не содержащих такой связи.
Кетоны не окисляются теми слабыми окислителями, которые легко окисляют альдегиды. Так, например, кетоны не даЮт реакции серебряного зеркала, не окисляются гидроокисью меди и фелинговым раствором. Однако такими сильными окислителями, как КМПО4 или хромовая смесь, кетоны можно окислить. При этом углеродная цепь кетона разрывается у карбонильной группы с образованием кислот с меньшим числом атомов углерода по сравнению с исходным кетоном. Это также отличает кетоны от альдегидов.
Непредельные кетоны, альдегиды и другие соединения с двойной связью, активированной электроноакцепторными группами. Непредельные кетоны и альдегиды представляют собой весьма реакционноспособную группу соединений, легко присоединяющих различные нуклеофильные реагенты. В непредельных кетонах реакционная способность карбонильной группы несколько понижена вследствие уменьшения ее поляризации за счет соединенных с ней алкильных или арильных групп. В отличие от непредельных альдегидов реак-
Этот метод, обычно называемый реакцией Анджели часто позволяет с достоверностью доказать, является ли данное вещество альдегидом или нет. Метод настолько чувствителен, что дает возможность от
Химические свойства. Альдегиды и кетоны отличаются большой реакционной способностью. Большинство их реакций обусловлено присутствием активной карбонильной группы. Двойная связь схрд-6
При помощи каких реакций можно отличить альдегид от кетона
В которых участвует карбонил. Одиако связь СО-групяы с двумя алкильными остатками обусловливает некоторое отличие кетонов от альдегидов. Это относится, например, к взаимодействию их с окислителями.
Озониды представляют собой маслообразные жидкости, легко взрывающиеся. Их не выделяют, а подвергают гидролитическому воздействию воды. Реакция озонолиза используется для определения местоположения двойной связи в углеродной цепи. Это легко сделать после идентификации и количественного определения кетонов и альдегидов, образующихся в ходе озонолиза. Этот способ окислительного расщепления алкенов хорош тем, что в отличие от других окислителей он не дает побочных хфодуктов.
Строение скелета галоидпроизводного можно определить, получив из него его родоначальный углеводород. Восстановление галоидпроизводных до углеводорода осуществляется действием магния в эфире и последующим гидролизом магнийорганического соединения или (в случае нолигалоид-производных) действием иодистого водорода при нагревании в запаянной трубке. Если галоидцроизводное имело два атома галоида, расположенные у соседних атомов углерода, магний отщепляет оба атома галоида и оба углерода соединяются двойной связью. Ее местоположение устанавливается окислением образовавшегося непредельного соединения, сопровождающимся разрывом цепи по месту двойной связи (такие реакции будут рассмотрены в разделе олефинов). В других случаях галоид-производное подвергают гидролизу моногалоидпроизводное превращается при этом в спирт, дигалоидпроизводное в двухатомный спирт (гликоль) или, если оба галоида находятся у одного углерода, в оксосоединение (кетон или альдегид). Все эти соединения легко отличить по их реакциям. Местоположение гидроксильной группы (ОН) в этих соединениях или карбонильной группы (СО) устанавливают путем окисления в кислоты (эти реакции будут рассмотрены при спиртах, альдегидах и кетонах).
Подобным же образом подавляет енолизацию добавление галогенидов церия . Кроме того, титаноорганические реагенты избирательны в своей реакционной способности по отношению к разным типам карбонильных групп они могут отличать альдегиды от кетонов, как в следующем примере Ч
Карбонильные соединения полностью вычитаются из газового потока Ь1ВН4 и Ь1А1Н4 . Однако при этом вычитаются также спирты, эфиры и эпоксисоединения. Предпринимались попытки отличить альдегиды от кетонов с помощью ЫаВН4, однако результаты, как правило, не были количественными.
Кроме того, наличие изолированной функциональной группы или сочетания нескольких функциональных групп в одной молекуле обусловливает появление характерных полос поглощения, благодаря чему их можно идентифшщровать в спектре неизвестного соединения. Таким путем с помощью спектров модельных соединений нетрудно отличить, например, кетон от альдегида или амин от амида. К сожалению, инфракрасные спектры любых соединений (за исключением самых простых) чрезвычайно сложны, что обычно не позволяет отнести более 10% полос спектра.
Оксимирование не позволяет отличать альдегиды от кетонов, поскольку и те и другие реагируют количественно. Кроме того, для образцов, содержащих, наряду со свободными карбонильными соединениями, ацетали, кетали или простые виниловые эфиры, данный метод неприменим, так как соли гидроксиламина реагируют и с этими соединениями. Поэтому оксимированием можно пользоваться также для количественного определения ацеталей, кеталей и виниловых эфиров (см. с. 392).
Кетоны и альдегиды взаимодействуют с диазометаном с образованием гомологичных продуктов, как показано на схемах (138) и (139). Интермедиат (181) подвергается внутримолекулярной перегруппировке, и можно ожидать, что к потенциальному катионному центру будет мигрировать наиболее электронодонорная группа Й. В действительности порядок миграционной способности таков фенил > Мб2С=СН > Ме н-Рг > изо-Рг > бензил > трет-Ви он отличается от ряда, найденного для типичных катионных перегруппировок см., например, (182) в уравнении (140). Другие диазоалканы и эфиры диазоуксусной кислоты приводят к аналогичным перегруппировкам. Их главное применение состоит в превращении симметричных циклоалканонов в их гомологи и особенно в расширении шестичленных или больших циклов. Реакция с а,р-непредельными кетонами требует катализа кислотой Льюиса и включает миграцию винильного а-углеродного атома с образованием р,7-непредельного кетона .
Диэтиловый эфир янтарной кислоты (диэтилсукцинат) часто используют как один из компонентов в сложноэфирной конденсации. При этом реакции протекают по обычным схемам. Однако при взаимодействии диэтилсукцината с кетонами и альдегидами, не слишком легко вступающими в самоконденсацию, в присутствии оснований (этилат натрия, треж-бутилат калия, гидрид натрия и т.д.) происходят, как нашел Штоббе, специфические превращения. В этом случае, в отличие от других сложных эфиров, диэтилсукцинат выступает в качестве метиленовой компоненты (как и диэтилмалонат)
Интересной и важной в синтетическом отношении модификацией пинаконового восстановления является восстановительная димеризация кетонов или альдегидов, катализируемая солями титана низшей степени окисления. Такой катализатор образуется при восстановлении хлорида титана (1П) Ti lj ше-лочным металлом или цинк-медной парой. В отличие от классического пинаконового восстановления, продуктами восстановительной димеризации карбонильных соединений, катализируемой солями титана низшей степени окисления, являются алкены
В отличие от этого дегидратация дитретичных, дивторичных и даже первично-третичных 1,2-диолов, катализируемая серной кислотой, я-толуолсульфокислотой, кислотами Льюиса (ВРз и др.), сопровождается 1,2-миграцией алкильной, арильной группы или гидрид-иона. Продуктами перегруппировки являются кетоны или альдегиды. Эта перегруппировка была открыта Р.Фиттигом в 1859 г. при дегидратации пинакона в пинаколин с помощью концентрированной серной кислоты, поэтому она получила название пинаколтовой перегруппировки
По водородному атому альдегидной группы очень удобно определять как алифатические, так и ароматические альдегиды. Из данных Клинка и Стотерса , полученных ими в анализе ряда ароматических альдегидов, следует, что химический сдвиг для атома водорода формильной группы находится в пределах 9,65- 10,44 млн" относительно линии тетраметилсилана. Как правило, электронодонорные группы увеличивают экранирование водородного атома формильной группы, а электроноакцепторные группы - уменьшают его. Среди альдегидов, анализировавшихся с помощью ЯМР, были бензальдегид, ж-толуиловый альдегид, /г-толуи-ловый альдегид, п-анисовый альдегид, ж-фторбензальдегид, о-нитро-бензальдегид и о-хлорбензальдегид. В орто-замещенных альдегидах экранирование водородного атома формильной группы уменьшается, что, возможно, объясняется пространственными эффектами. Гипотетически с помощью ЯМР можно отличить альдегид от кетона, не прибегая к помощи химического анализа.
Химические свойства. Альдегиды и кетоны отличаются большой реакционной способностью. Большинство их реакций обусловлено присутствием активной карбонильной группы. Двойная связь С=0 сходна по физической природе с двойной связью между двумя углеродными ато йами (а-связь- -я-связь). Однако кислород явт ляется более зиектроотрицательным элементом, чем углерод, и потому электронная плотность вблизи атома кислорода больше, чем вблизи атома углерода. Дипольный момент карбонильной группы - около 2,7 О. Благодаря такой поляризации углеродный атом карбонильной группы обладает электрофильными свойствами
Карбонильные соединения. Слабое поглощение карбонильной группы при 260-300 нм в некоторых случаях может служить полезным дополнением к инфракрасным спектрам, поскольку оно позволяет отличить кетоны или альдегиды от сложных эфиров. Например, пятичленные циклические кетоны и алифатические сложные эфиры поглощают в инфракрасных спектрах около 1740 см->, однако только первые из них имеют заметное поглощение в ультрафиолетовой области выше 210 нм. Максимум поглощения карбонильной группы может быть использован и для других целей, однако его положение смещается под влиянием атомов хлора или брома в а-положении, а у замещенных цикло-гексанонов величина этого сдвига зависит от того, находится ли атом галогена в экваториальном или аксиальном положении. Подобный сдвиг наблюдается и в спектрах а-окси- и а-ацетоксике-тонов. Поэтому такое дополнение к инфракрасным спектрам является способом определения конфигурации замещенных циклических кетонов.
Значительное количество кислородных соединений, преимущественно кетонов и альдегидов, содержащихся в продуктах перегонки сланцевых смол, отличает их от продуктов нефтяного происхождения и, конечно, сказывается и на удельных весах. Более того, если у нефтяных продуктов дестиллаты вакуумной и атмосферной перегонок отличаются в основном удельными весами и температурами кипения, то вакуумная перегонка сланцевых смол дает продукты, по своему составу отличающиеся от продуктов атмосферной перегонки. И. Хюссе , например, нашел, что смола эстонских сланцев при перегонке под атмосферным давлением не дает фракций с удельными весами более 0,97, в то время как при перегонке под вакуумом та же величина отгона дает фракции с удельными весами 1,015-Г,02.
В отличие от кетонов восстановление альдегидов на скелетном никеле значительно облегчается при введении в качестве активирующей добавки хлорной платины. Добавление триэтиламина, смеси триэтиламина и хлорной платины или готового хлороплатината (С.,Н-)..К ]., [Н,Р1С1ц] также увеличивают активность катализатора в этой реакции. Наилучшие результаты достигались в тех случаях, когда в смеси амина и амин был в избытке. Ниже приве- c.133 ,
