Тема 13. Альдегиды и кетоны

Определения и обозначения

Альдегидная группа — функциональная группа –CHO, в которой карбонильная группа C=O связана с атомом водорода. Запись –CHO показывает сразу обе части группы: углерод с двойной связью к кислороду и связь с водородом. По ней можно распознать альдегид в структурной формуле.

Альдегиды — органические соединения, содержащие одну или несколько альдегидных групп. Для предельных одноатомных альдегидов общая формула — CₙH₂ₙO. Она помогает проверить состав вещества и отличить этот ряд, например, от предельных одноатомных спиртов.

Кетоны — органические соединения, в которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами, то есть частями молекулы, построенными из углерода и водорода. В отличие от альдегидов, у карбонильного углерода кетона нет связи с водородом. Поэтому группа C=O располагается внутри углеродной цепи.

Карбонильная группа — группа >C=O, общая для альдегидов и кетонов. Знак > указывает, что углерод связан ещё с двумя атомами или группами, а двойная связь соединяет его с кислородом. Эта группа влияет на форму молекулы и её реакционную способность, поэтому по ней объединяют вещества в классы.

Как это устроено

Альдегиды и кетоны можно получить окислением спиртов: первичный спирт даёт альдегид, а вторичный — кетон. При окислении меняются связи у того атома углерода, к которому присоединена группа –OH: удаляются атомы водорода, а между углеродом и кислородом образуется двойная связь. У первичного спирта этот углерод связан с водородом, поэтому он сохраняет такую связь и в альдегиде. У вторичного спирта он соединён с двумя углеродными остатками, и продуктом становится кетон.

Связь C=O полярна, потому что кислород электроотрицательнее углерода и сильнее притягивает общую электронную пару. На кислороде возникает частичный отрицательный заряд, на карбонильном углероде — частичный положительный. Поэтому к углероду легче присоединяются частицы, богатые электронами, а атом кислорода может участвовать во взаимодействиях с другими молекулами. Полярность объясняет особенности реакций и физических свойств карбонильных соединений.

В альдегидах карбонильный углерод связан с водородом и углеродным остатком, а в кетонах — с двумя углеродными остатками. Водород при карбонильном углероде позволяет альдегиду легко окисляться до карбоновой кислоты: для этого достаточно добавить кислород, не разрывая углеродную цепь. У кетона такого водорода нет, поэтому мягкое окисление обычно не протекает; более сильное воздействие может разрушать связи C–C. По этой причине альдегиды окисляются легче кетонов.

Названия альдегидов образуют от названия соответствующего углеводорода с помощью суффикса -аль. Углерод группы –CHO обязательно входит в главную цепь и получает номер 1, поэтому его положение отдельно не указывают. В названии кетона используют суффикс -он, а цифрой обозначают положение группы C=O; нумерацию начинают с конца, ближайшего к этой группе. Номер нужен, если в цепи возможно несколько вариантов расположения карбонила.

Карбонильная группа полярна, поэтому молекулы альдегидов и кетонов притягиваются друг к другу сильнее, чем неполярные молекулы сходной массы. Из-за этого их температуры кипения обычно выше, чем у соответствующих углеводородов, но ниже, чем у спиртов, чьи молекулы образуют водородные связи между собой. Низшие альдегиды и кетоны растворяются в воде: кислород карбонильной группы взаимодействует с молекулами воды. По мере удлинения углеводородной части растворимость уменьшается.

Сравнение альдегидов и кетонов

Сначала сравните положение карбонильной группы и связи карбонильного углерода: это надёжнее, чем ориентироваться только на формулу вещества. Затем проверьте название и возможность окисления. Таблица также помогает быстро подобрать характерную реакцию для распознавания класса.

Разбор задач

Задача 1

Назовите соединение CH₃–CH₂–CHO и определите, к какому классу оно относится. Важно не принять группу C=O за достаточный признак кетона: нужно рассмотреть, с чем связан её углерод. Последовательность атомов углерода образует цепь из трёх атомов.

1. Найдите функциональную группу: на конце записи находится –CHO, значит, это альдегидная группа.
2. Определите длину главной цепи. В неё входят все три атома углерода, в том числе углерод группы –CHO.
3. Для цепи из трёх атомов используйте основу пропан- и суффикс -аль. Положение группы отдельно не обозначают, поскольку она всегда находится на конце.

Ответ: пропаналь, альдегид.

Задача 2

Составьте структурную формулу бутан-2-она и укажите, почему он относится к кетонам. Название сообщает, что в молекуле четыре атома углерода, а карбонильная группа стоит у второго атома. Проверка положения важна: перенос группы на конец изменил бы класс вещества.

1. Запишите непрерывную цепь из четырёх атомов углерода: C–C–C–C.
2. Поместите карбонильную группу у второго атома и оформите её как C=O.
3. Добавьте водороды, чтобы каждый атом углерода имел четыре связи: CH₃–CO–CH₂–CH₃.
4. Проверьте соседей карбонильного углерода: с обеих сторон находятся углеродные остатки, а не водород.

Ответ: CH₃–CO–CH₂–CH₃; это кетон, поскольку группа C=O связана с двумя углеродными остатками.

Задача 3

Запишите уравнения окисления пропан-1-ола до альдегида и пропан-2-ола до кетона, назовите продукты. Сначала определите класс спирта по положению группы –OH, а затем замените её на карбонильную группу. Условное обозначение [O] показывает окислитель и позволяет не уточнять его состав.

1. Пропан-1-ол — первичный спирт, поэтому продуктом будет альдегид: CH₃–CH₂–CH₂OH + [O] → CH₃–CH₂–CHO + H₂O.
2. Назовите продукт первой реакции по цепи из трёх атомов: пропаналь.
3. Пропан-2-ол — вторичный спирт, поэтому карбонильная группа окажется внутри цепи: CH₃–CHOH–CH₃ + [O] → CH₃–CO–CH₃ + H₂O.
4. Продукт второй реакции — пропанон, его также называют ацетоном.

Ответ: из пропан-1-ола получается пропаналь, из пропан-2-ола — пропанон.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любой продукт с группой C=O альдегидом. Так происходит, если не смотреть на связи карбонильного углерода; у альдегида есть связь с водородом, у кетона — две связи с углеродными остатками. Проверьте фрагмент формулы: –CHO означает альдегид, а R–CO–R′ — кетон.

Ошибка: записывать кетонную группу на конце цепи. На конце карбонильный углерод должен быть связан с водородом, поэтому получается группа –CHO и альдегид. Для самопроверки убедитесь, что у карбонильного углерода кетона есть углеродный сосед с каждой стороны.

Ошибка: пропускать номер положения группы C=O в названии кетона. Это часто делают по аналогии с альдегидами, у которых положение группы задано концом цепи. В кетоне из трёх и более атомов углерода положение может различаться, поэтому укажите минимальный номер, проверив нумерацию с обоих концов.

Ошибка: утверждать, что альдегиды и кетоны одинаково легко окисляются. Сходство их формул создаёт впечатление одинаковой реакционной способности, но у альдегида карбонильный углерод связан с водородом. Сверьте строение и ожидаемый продукт: альдегид легко переходит в карбоновую кислоту, а кетон устойчив к мягким окислителям.

Связь с другими темами

Для чтения формул и называния карбонильных соединений нужны знания об углеродных цепях, функциональных группах и правилах номенклатуры. Получение альдегидов и кетонов опирается на строение и окисление первичных и вторичных спиртов. Позже эти знания пригодятся при изучении карбоновых кислот, окислительно-восстановительных реакций и цепочек превращений органических веществ: по продукту реакции можно восстановить исходное соединение.

Что запомнить

• Альдегиды содержат группу –CHO на конце углеродной цепи.
• В кетонах группа >C=O связана с двумя углеродными остатками.
• Альдегиды получают окислением первичных спиртов, кетоны — вторичных.
• В названиях альдегидов используют суффикс -аль, кетонов — -он.
• Альдегиды окисляются легче кетонов.
• Карбонильная группа полярна из-за различия электроотрицательностей углерода и кислорода.