Урок 23. Альдегиды
Определение. Гомологический ряд, номенклатура, изомерия
Альдегиды — это производные углеводородов, которые содержат альдегидную группу:
Альдегидная группа состоит из карбонильной группы С=О, соединённой с атомом водорода. Карбонильная группа в молекулах альдегидов всегда находится на конце углеродной цепи.
Предельные альдегиды образуют гомологический ряд с общей формулой:
Если использовать эту общую формулу, то следует помнить, что минимальное значение n (числа атомов углерода) равно нулю.
Если n = 0 получаем
метанАЛЬ, муравьиный альдегид, формальдегид;
Если n = 1 получаем
этанАЛЬ, уксусный альдегид, ацетальдегид.
Вопрос. Какой суффикс обозначает наличие в молекуле альдегидной группы?
Названия альдегидов составляют, добавляя суффикс АЛЬ к названию соответствующего углеводорода. При этом учитываются все атомы углерода. Кроме того, используются тривиальные названия, которые совпадают с названиями соответствующих кислот (см. урок 24.1). И, наконец, для некоторых альдегидов используют названия, имеющие латинский корень, например формальдегид — от лат. formika — «муравей».
Задание 23.1. Составьте формулу и название альдегида с n = 3. Имеет ли он изомеры?
Начиная с n = 3 у альдегидов появляются изомеры положения карбонильной группы:
Задание 23.2. Допишите атомы водорода к этим цепочкам и убедитесь, что это — изомеры. Является ли вещество (2) альдегидом?
Но при перемещении карбонильной группы в середину молекулы исчезает альдегидная группа: вещество (2) не альдегид, это — кетон:
По номенклатуре ИЮПАК кетоны называют, добавляя суффикс ОН к названию соответствующего углеводорода.
Задание 23.3. Составьте формулы и названия альдегидов с n = 4. Дайте им названия.
Изомерия альдегидов связана со строением углеводородного радикала:
Строение молекул
Отличительным признаком альдегидов является наличие в их молекуле альдегидной группы. В её состав входят атомы углерода и кислорода, связанные двойной связью.
Вопрос. Какой тип реакций характерен для соединений с двойной связью?
Поэтому альдегиды легко вступают в реакции присоединения по месту разрыва π-связи карбонильной группы.
Кроме того, в состав альдегидной группы входит атом водорода, соединённый с карбонильной группой.
Вопрос. Является ли эта связь полярной?
За счёт разрыва полярной С–Н связи альдегидной группы альдегиды очень легко окисляются. Атом кислорода альдегидной группы делает эту группу в целом сильно полярной. Поэтому альдегидная группа влияет на углеводородный радикал, и в радикале возможны реакции замещения.
Свойства альдегидов
Физические свойства
В альдегидах отсутствует гидроксогруппа, за счёт которой между молекулами спиртов возникали водородные связи.
Вопрос. Какие соединения (спирты или альдегиды) имеют бОльшую температуру кипения?
Поэтому альдегиды, в отличие от спиртов, легче испаряются, имеют меньшие температуры кипения. Например, формальдегид — газ с резким запахом, а метанол — жидкость. Низшие альдегиды могут растворяться в воде. Раствор формальдегида в воде (формалин) применяется в медицине, кожевенной промышленности. Его применение основано на том, что формальдегид активно реагирует с белками, вызывая в них необратимые изменения (денатурацию). Следовательно, формальдегид сильно ядовит.
Химические свойства
При рассмотрении строения молекулы альдегидов были сделаны выводы, что для них должны быть характерны реакции присоединения, замещения (в углеводородном радикале), и окисления.
Примером реакции присоединения к карбонильной группе может служить реакция гидрирования, т. е. присоединения водорода:
Вопрос. К какому классу относится полученное соединение? Назовите его.
При окислении альдегидов образуются кислоты:
Окисление альдегидов происходит даже при их хранении, т. е. в обычных условиях. Реакции окисления альдегидов используют для того, чтобы обнаружить их в растворах. Например, если к раствору альдегида добавить аммиачный раствор оксида серебра и нагреть, то на стенках сосуда появится зеркало. Это выделилось чистое серебро, которое блестящим тонким слоем покрыло стекло:
Эта реакция получила название «реакция серебряного зеркала».
Альдегид можно превратить в кислоту (окислить) и при помощи гидроксида меди (II). Если к осадку Сu(ОН)2 добавить раствор альдегида и нагреть, то образуется жёлтый осадок СuОН, переходящий в красный оксид меди (I). В результате образуется оранжевый осадок:
Если эту же смесь долго греть, то на стенках пробирки выделится в виде блестящего слоя чистая медь «медное зеркало». Поэтому эту реакцию часто называют реакцией «медного зеркала».
Запомните: реакции «серебряного зеркала» и «медного зеркала» — качественные реакции на альдегидную группу.
Задание 23.4. Составьте уравнения качественных реакций для формальдегида.
Вопрос. Можно ли при помощи гидроксида меди (II) различить растворы глицерина и уксусного альдегида? Укажите условия и эффекты обеих реакций.
Получение и применение альдегидов на примере уксусного альдегида
Уксусный альдегид получают в больших количествах при помощи реакции Кучерова*:
* Кучеров Михаил Григорьевич (3.06.1850–26.06.1911) — русский химик-органик, открыл (1881) реакцию каталитической гидратации ацетиленовых углеводородов с образованием карбонилсодержащих соединений.
В небольших количествах этот альдегид можно получить окислением этанола:
Задание 23.5. В уроках 20.3 и 22.4 посмотрите на соответствующие уравнения реакций; обратите внимание, за счёт каких атомов они происходят, и попробуйте составить аналогичные уравнения реакций:
- пропин + вода →
- пропанол-1 + СuО →
- пропанол-2 + СuО →
Сделайте вывод: всегда ли в этих реакциях получаются альдегиды?
Если Вы всё сделали правильно, в реакциях 1 и 3 получается ацетон (кетон), а в реакции 2 — пропаналь.
Уксусный альдегид применяют для получения уксусной кислоты, этилового спирта, лекарств и других веществ.
Выводы
Альдегиды — это производные углеводородов, содержащие альдегидную группу. Для них должны быть характерны реакции
- присоединения (за счёт карбонильной группы);
- замещения (в углеводородном радикале);
- окисления.
Гомологический ряд — определение, общая формула и примеры для разных классов соединений
При изучении органической химии, отличающейся сложностью своих закономерностей, первое и основное, что следует понять — свойства и законы гомологических рядов.
Гомология, гомологи, гомологический ряд — определения и примеры
Гомология — химическое явление, при котором соединения отличаются друг от друга на определённое количество групп, обладают сходной характеристикой и проявляют похожие свойства.
Гомологический ряд — последовательность однотипных органических соединений, каждое из последующих имеет с предыдущим определённую гомологическую разность. При этом свойства веществ, состоящих в рядах, то есть гомологов, изменяются с определённой закономерностью.
Например, если говорить о гомологическом ряде алкинов, он состоит из следующих гомологов:
Гомологический ряд алканов в таблице
Алканы — ациклические предельные углеводороды:
названия веществ имеют суффикс -ан-.
Алканы обладают следующими свойствами:
в последовательности гомологического ряда происходят изменения агрегатных состояний веществ с газообразного на жидкое и на твёрдое;
нерастворимы в воде, но могут растворяться в неполярных растворителях;
используются в промышленности (метан — топливо, пропан — автомобильное топливо, бутан — сырье для производства каучука, пропан и бутан — балонные газы).
При изучении алканов стоит обращать внимание на их изомеры. Например, структурным изомером бутана является метилпропан, а пентана — метилбутан.
Алканы могут вступать в следующие реакции:
Замещение с галогенами: CH4 + Cl2 = CH3Cl + HСl.
Разложение при высокой температуре: СН4 = C + 2H2.
Гомологический ряд алкенов в таблице
Алкены — углеводороды, имеющие ациклический непредельный характер.
имеют суффикс -ен-.
Алкены обладают следующими свойствами:
не способны растворяться в воде, но полностью растворяются при взаимодействии с органическими растворителями;
имеют очень высокую температуру плавления и кипения;
применяются в промышленности для синтеза таких важных соединений, как фенола, полипропилена, стирола, ацетона, глицерина и других.
Алкены участвуют в следующих химических реакциях:
Галогенирование (присоединение к галогенам): CH2=CH2 + Cl2 = Cl-CH2-CH2-Cl.
Гомологический ряд альдегидов
Альдегиды — органические вещества, имеющие в своём составе группу -CHO.
Делятся на насыщенные и алифатические насыщенные, общая молекулярная формула первых — СnH2nO, вторых — СnH2n+1CHO соответственно.
Названия составляются с помощью суффикса -аль-.
К примерам альдегидов относятся метаналь, этаналь, пропаналь, бутаналь, пентаналь, гексаналь и так далее.
Альдегиды принимают участие в следующих реакциях:
Присоединение воды: R-CH = O + H2O = R-CH(OH)-OH.
Восстановление водородом: R-CH = O + H2 = R—CH2-OH.
Альдегиды обладают следующими свойствами:
низшие представители класса имеют резкий запах;
в гомологическом ряду происходит изменение агрегатных состояний от жидкого до твёрдого;
используются в лекарственной промышленности, парфюмерии и т. д.
Хоть органическая химия и требует внимательного изучения, совсем необязательно полностью зазубривать все классы веществ. Намного проще для понимания и качественного запоминания обращать внимание именно на закономерности изменения свойств и характеристик ближайших соединений, следуя плану.
Альдегиды и кетоны
Карбонильные соединения – это органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу:
Карбонильные соединения делятся на альдегиды и кетоны. Общая формула карбонильных соединений: СnH2nO.
| Альдегидами называются органические соединения, содержащие карбонильную группу, в которой атом углерода связан с радикалом и одним атомом водорода. |
Структурная формула альдегидов:
| Кетонами называются соединения, в молекуле которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами . |
Структурная формула кетонов:
Строение карбонильных соединений
Атом углерода в карбонильной группе находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует три σ-связи и одну π-связь.
Одна из σ–связей – связь С–О, все три σ–связи расположены в одной плоскости под углом 120 о друг к другу.
π-Связь образована р-электронами атомов углерода и кислорода.
Из-за большей электроотрицательности атома кислорода по сравнению с атомом углерода связь С=О сильно поляризована, электронная плотность смещена к более электроотрицательному атому кислорода.
| На атоме кислорода возникает частичный отрицательный (δ – ), а на атоме углерода – частичный положительный (δ + ) заряды. |
Номенклатура карбонильных соединений
- По систематической номенклатуре к названию углеводорода добавляют суффикс «-АЛЬ».
Нумерация ведется от атома углерода карбонильной группы.
| Например, 2-метилпропаналь |
- К названию кетонов добавляют в название суффикс «-ОН». После этого добавляют номер атомов углерода карбонильной группы.
| Например, пентанон-2 |
- Тривиальные названия альдегидов и кетонов приведены в таблице.
Изомерия карбонильных соединений
Изомерия альдегидов
Для альдегидов характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия.
Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.
Изомерия углеродного скелета характерна для альдегидов, которые содержат не менее четырех атомов углерода.
| Например. Ф ормуле С4Н8О соответствуют два альдегида-изомера углеродного скелета |
| Бутаналь | 2-Метилпропаналь |
 |  |
Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Альдегиды являются межклассовыми изомерами с кетонами, непредельными спиртами и непредельными простыми эфирами, содержащими одну двойную связь в молекуле. Общая формула этих классов органических соединений — CnH2nО.
Межклассовая изомерия характерна для альдегидов, которые содержат не менее трех атомов углерода.
| Например. Межклассовые изомеры с общей формулой С3Н6О: пропаналь СН3–CH2–CHO и ацетон CH3–СO–CH3 |
| Пропаналь | Ацетон (пропанон) |
 |  |
Изомерия кетонов
Для кетонов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения карбонильной группы и межклассовая изомерия.
Изомерия углеродного скелета характерна для кетонов, которые содержат не менее пяти атомов углерода.
| Например. Ф ормуле С5Н10О соответствуют кетоны-изомеры углеродного скелета |
| Пентанон-2 | 3-Метилбутанон-2 |
|  |
Изомерия положения карбонильной группы характерна для кетонов, которые содержат не менее пяти атомов углерода.
| Например. Ф ормуле С5Н10О соответствуют два кетона-изомера углеродного скелета |
| Пентанон-2 | Пентанон-3 |
|  |
Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Кетоны являются межклассовыми изомерами с альдегидами, непредельными спиртами и непредельными простыми эфирами, содержащими одну двойную связь в молекуле. Общая формула этих классов органических соединений — CnH2nО.
Межклассовая изомерия характерна для кетонов, которые содержат не менее трех атомов углерода.
| Например. Межклассовые изомеры с общей формулой С3Н6О: пропаналь СН3–CH2–CHO и ацетон CH3–СO–CH3 |
| Пропаналь | Ацетон (пропанон) |
| |
Физические свойства альдегидов и кетонов
Все альдегиды и кетоны, кроме формальдегида – жидкости. Лёгкие альдегиды хорошо растворимы в воде из-за водородных связей, которые они образуют с водой.
Химические свойства альдегидов и кетонов
1. Реакции присоединения
В молекулах карбонильных соединений присутствует двойная связь С=О, поэтому для карбонильных соединений характерны реакции присоединения по двойной связи. Присоединение к альдегидам протекает легче, чем к кетонам.
1.1. Гидрирование
Альдегиды при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора (например, металлического никеля) образуют первичные спирты, кетоны — вторичные:
1.2. Присоединение воды
При гидратации формальдегида образуется малоустойчивое вещество, называемое гидрат. Оно существует только при низкой температуре.
1.3. Присоединение спиртов
При присоединении спиртов к альдегидам образуются вещества, которые называются полуацетали.
В качестве катализаторов процесса используют кислоты или основания.
Полуацетали существует только при низкой температуре.
| Полуацетали – это соединения, в которых атом углерода связан с гидроксильной и алкоксильной (-OR) группами. |
Полуацеталь может взаимодействовать с еще одной молекулой спирта в присутствии кислоты. При этом происходит замещение полуацетального гидроксила на алкоксильную группу OR’ и образованию ацеталя:
1.4. Присоединение циановодородной (синильной) кислоты
Карбонильные соединения присоединяют синильную кислоту HCN. При этом образуется гидроксинитрил (циангидрин):
2. Окисление альдегидов и кетонов
Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).
В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.
| При окислении альдегиды превращаются в карбоновые кислоты. Альдегид → карбоновая кислота
|
