§ 38. Альдегиды содержат карбонильную группу

Определения и обозначения

Альдегиды — органические вещества, в молекулах которых карбонильная группа связана с атомом водорода и углеводородным остатком. Углеводородный остаток — часть молекулы, образованная атомами углерода и водорода. Такое определение помогает узнавать альдегиды по строению, а не только по названию вещества. Главный признак этого класса — группа –CHO.

Карбонильная группа — группа атомов C=O, в которой атом углерода соединён двойной связью с атомом кислорода. Она входит в состав альдегидов, но встречается и в других органических веществах, например кетонах. Поэтому наличие C=O само по себе ещё не доказывает, что перед нами альдегид. Для классификации нужно учитывать связи карбонильного углерода.

Альдегидная группа — группа –CHO, состоящая из карбонильной группы и связанного с её атомом углерода атома водорода. В записи –CHO символ C относится к карбонильному атому углерода, а O и H показывают его связи. Это обозначение удобно использовать, когда нужно показать функциональную группу целиком. Функциональная группа — часть молекулы, которая определяет принадлежность вещества к классу.

Общая формула предельных альдегидов — формула гомологического ряда, показывающая соотношение числа атомов углерода и водорода: CₙH₂ₙO. Здесь n — число атомов углерода в молекуле, а один атом кислорода присутствует в группе C=O. Формула подходит для предельных ациклических альдегидов, то есть веществ с открытой цепью и без других кратных связей. Она позволяет проверить молекулярную формулу представителя ряда.

Как это устроено

В группе –CHO буквы C и O образуют карбонильную связь C=O, а тот же атом углерода связан ещё и с H. Таким образом, в одном фрагменте соединены двойная связь с кислородом и связь с водородом. Четвёртая связь углерода соединяет его с углеводородным остатком; так соблюдается обычная валентность углерода, равная четырём. Поэтому альдегидную группу можно представить как сочетание C=O и C–H, присоединённое к остальной молекуле.

У карбонильного атома углерода уже есть двойная связь с кислородом и одинарная связь с водородом. Для связи с углеродным остатком остаётся одно место, поэтому такой атом может соединиться только с одним атомом цепи. Он оказывается на её конце, а не между двумя углеродными атомами. Запись –CHO подчёркивает эту особенность: черта слева показывает присоединение остатка, а H находится при карбонильном углероде.

Чтобы вывести формулу предельных альдегидов, сначала сравним их с предельной открытой углеродной цепью, для которой общая формула углеводородов CₙH₂ₙ₊₂. При превращении участка молекулы в C=O образуется двойная связь с кислородом, и число атомов водорода по сравнению с соответствующей цепью становится на два меньше. К молекуле добавляется один атом кислорода, входящий в карбонильную группу. Следовательно, для предельного ациклического альдегида получается CₙH₂ₙO.

Если к цепи добавлять по одному звену –CH₂–, каждый следующий альдегид будет содержать на один атом углерода и два атома водорода больше. Такие вещества образуют гомологический ряд — ряд соединений одного класса с похожим строением и изменением состава на постоянное звено. Например, к метаналю можно мысленно добавить –CH₂– и получить этаналь, а ещё одно такое звено даёт пропаналь. У всех представителей сохраняется одна и та же группа –CHO.

В метанале HCHO всего один атом углерода: он входит в альдегидную группу, а отдельного углеродного остатка нет. В этанале CH₃CHO два атома углерода, а в пропанале CH₃CH₂CHO — три; первый атом карбонильный, остальные входят в цепь остатка. Названия связаны с числом атомов углерода: мет-, эт- и проп- соответствуют одному, двум и трём атомам. Окончание -аль указывает на альдегидную группу.

Первые представители предельных альдегидов

В молекулярной формуле указано общее число атомов каждого элемента, а структурная показывает, как они соединены. Сравнивая строки, проследите, что цепь каждый раз увеличивается на –CH₂–, а группа –CHO остаётся на конце. Число атомов углерода включает и карбонильный атом из группы –CHO.

Разбор задач

Определить, какое из веществ CH₃OH, CH₃CHO и CH₃COCH₃ является альдегидом. Здесь важно не просто найти кислород или фрагмент C=O, а проверить окружение каждого атома углерода. Альдегид должен содержать группу –CHO, то есть карбонильный углерод, связанный с водородом и углеводородным остатком. Сравним формулы по этому признаку.

1. В CH₃OH нет связи C=O: группа –OH является гидроксильной, характерной для спиртов.
2. В CH₃CHO фрагмент C=O связан с H и группой CH₃, поэтому присутствует альдегидная группа –CHO.
3. В CH₃COCH₃ карбонильный углерод соединён с двумя группами CH₃, а не с водородом.

Ответ: альдегид — CH₃CHO. CH₃OH является спиртом, а CH₃COCH₃ — кетоном. Проверка по связям помогает не принимать любое соединение с C=O за альдегид.

Назвать вещество CH₃CH₂CHO и указать число атомов углерода в его молекуле. Для названия нужно определить длину непрерывной цепи, включая углерод альдегидной группы. Затем выбирают основу названия по числу атомов углерода и добавляют характерное окончание. Группа –CHO в данном случае стоит на конце цепи.

1. Считаем атомы углерода: один в CH₃, один в CH₂ и один в фрагменте CHO.
2. Всего в цепи три атома углерода, значит, основа названия — пропан-.
3. Учитываем альдегидную группу и используем окончание -аль.

Ответ: CH₃CH₂CHO — пропаналь, в его молекуле 3 атома углерода. Карбонильный углерод нельзя пропускать при подсчёте, хотя он входит в функциональную группу. По общей формуле при n = 3 получается C₃H₆O, что совпадает с составом пропаналя.

Составить молекулярную и структурную формулы предельного альдегида с четырьмя атомами углерода. Сначала используем общую формулу ряда, а затем записываем цепь так, чтобы карбонильная группа с атомом водорода оказалась на конце. Число атомов углерода включает карбонильный атом. Эта проверка не даст случайно составить цепь из четырёх атомов плюс группу –CHO.

1. Подставляем n = 4 в формулу CₙH₂ₙO: получаем C₄H₈O.
2. Строим цепь из четырёх атомов углерода, последний из которых входит в группу –CHO.
3. Записываем формулу CH₃–CH₂–CH₂–CHO и проверяем, что углеродных атомов всего четыре.

Ответ: молекулярная формула C₄H₈O, структурная формула CH₃–CH₂–CH₂–CHO. Это бутаналь, поскольку в цепи четыре атома углерода. В формуле –CHO находится на конце, как и должно быть у альдегида.

Типичные ошибки

Ошибка — называть карбонильной группой всю группу –CHO. Так происходит потому, что обе записи связаны с одним фрагментом молекулы и их легко смешать. Но карбонильная группа — только C=O, а –CHO включает ещё и связанный с карбонильным углеродом водород. Проверка: обведите двойную связь C=O отдельно, затем отметьте группу –CHO целиком.

Ошибка — записывать альдегидную группу внутри углеродной цепи. Если фрагмент –CHO расположен между двумя углеродными остатками, его карбонильный атом углерода связан с двумя атомами углерода и водородом, что не соответствует строению альдегида. Путаница возникает из-за того, что C=O встречается и в кетонах. Проверьте, связан ли карбонильный углерод с H и только одним углеродным остатком.

Ошибка — считать альдегидом любое соединение с C=O. Общий фрагмент C=O есть и у кетонов, поэтому одного обнаружения двойной связи недостаточно. У альдегида у карбонильного углерода есть H, а у кетона с ним связаны два углеводородных остатка. Чтобы проверить классификацию, посмотрите на все связи атома C в группе C=O.

Ошибка — применять формулу CₙH₂ₙO к любому альдегиду. Она выведена для предельных ациклических альдегидов, а кольцо или дополнительные кратные связи меняют соотношение числа атомов водорода. Эту ошибку допускают, запоминая формулу без условий применения. Перед проверкой состава убедитесь, что углеродная цепь открытая и в молекуле нет других кратных связей.

Связь с другими темами

Для чтения структурных формул нужны знания о строении органических молекул и валентности элементов. Углерод образует четыре связи, кислород — две; с их помощью можно проверить, правильно ли записана группа –CHO. Знание углеводородных радикалов помогает увидеть, какая часть формулы составляет остаток при альдегидной группе.

Понятие функциональной группы связывает строение с делением органических веществ на классы. Альдегиды сравнивают с кетонами: у обоих классов есть C=O, но окружение карбонильного углерода различается. Такой подход помогает распознавать и другие соединения по характерным группам, а не только запоминать их формулы.

Строение группы –CHO потребуется при изучении химических свойств альдегидов: свойства связаны с особенностями этой части молекулы. Оно также пригодится при разборе способов получения альдегидов и составлении уравнений реакций. Поэтому важно уметь выделять функциональную группу в полной структурной формуле.

Что запомнить

• Функциональная группа альдегидов — –CHO.
• В состав альдегидной группы входит карбонильная группа C=O.
• Альдегидная группа расположена на конце углеродной цепи.
• Предельные ациклические альдегиды имеют общую формулу CₙH₂ₙO.
• Соседние члены гомологического ряда отличаются на –CH₂–.
• Метаналь, этаналь и пропаналь содержат соответственно один, два и три атома углерода.