§ 5. Альдегиды и кетоны

Определения и обозначения

Альдегиды — органические вещества, содержащие карбонильную группу C=O, соединённую с атомом водорода. Их функциональную группу записывают как –CHO, а общую формулу — R–CHO, где R обозначает углеводородный остаток. Например, HCHO — метаналь, а CH₃CHO — этаналь. Такое обозначение помогает сразу увидеть, что группа C=O находится на конце углеродной цепи, и предсказать характерные реакции вещества.

Кетоны — органические вещества, в молекуле которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными остатками; общая формула — R–CO–R′. Буквы R и R′ могут обозначать одинаковые или разные группы, а простейший кетон — пропанон CH₃COCH₃. В отличие от альдегидов, у кетонов атом углерода группы C=O не связан с водородом. Это различие нужно учитывать при составлении названий и сравнении химических свойств.

Как это устроено

В связи C=O кислород притягивает общую электронную пару сильнее, чем углерод, поэтому связь полярна: кислород получает частичный отрицательный заряд, а карбонильный углерод — частичный положительный. Из-за этого атом углерода становится уязвимым для частиц, богатых электронами, и участвует в реакциях присоединения. Полярность также влияет на физические свойства молекул. Поэтому альдегиды и кетоны обычно кипят при более высоких температурах, чем неполярные углеводороды сходной молекулярной массы.

Для предельных ациклических альдегидов и кетонов характерна общая молекулярная формула CₙH₂ₙO. Однако одинаковая формула не означает одинаковое строение: например, пропаналь CH₃CH₂CHO и пропанон CH₃COCH₃ имеют формулу C₃H₆O, но относятся к разным классам. Такие вещества называют структурными изомерами. Чтобы определить класс вещества по формуле, недостаточно подсчитать атомы: нужно посмотреть, с какими группами соединён карбонильный углерод.

Названия альдегидов образуют от названия алкана с тем же числом атомов углерода, заменяя окончание на «-аль»: этан становится этаналем. У альдегидной группы положение не нумеруют, потому что она всегда находится у конца цепи и получает номер 1. В названии кетона используют окончание «-он», а положение C=O указывают цифрой, например бутан-2-он. Такая запись различает изомеры, в которых карбонильная группа расположена в разных местах цепи.

Альдегиды легко окисляются, поскольку при этом карбонильный углерод превращается в углерод карбоксильной группы –COOH. В упрощённой записи процесс выглядит так: R–CHO + [O] → R–COOH. Кетоны окисляются заметно труднее: их карбонильный углерод связан с двумя углеродными группами, и для дальнейшего окисления обычно требуется разрыв углеродной цепи. Поэтому окисление и восстановление помогают отличать эти классы веществ и превращать их друг в друга или в другие функциональные соединения.

При восстановлении к связи C=O присоединяются атомы водорода, а карбонильная группа превращается в группу –OH. Альдегид даёт первичный спирт, например этаналь превращается в этанол; кетон даёт вторичный спирт, например пропанон — пропан-2-ол. Направление превращения определяется строением исходного вещества. Это удобно использовать, когда нужно составить цепочку органических превращений и определить продукт реакции.

Сравнение альдегидов и кетонов

При сравнении сначала найдите карбонильную группу, а затем определите, связан ли её углерод с атомом водорода. Если связан — перед вами альдегид; если с обеих сторон стоят углеродные остатки — кетон. Последние строки таблицы показывают, как строение отражается на химических свойствах.

Разбор задач

Задача. Определите класс вещества CH₃CH₂COCH₃, назовите его и запишите продукт его восстановления. Нужно не угадывать название по формуле, а сначала исследовать строение. Так можно обосновать и принадлежность к классу, и выбор продукта реакции. Восстановление будем считать присоединением водорода к карбонильной группе без изменения углеродного скелета.

1. Найдём группу C=O в записи: фрагмент CH₃CH₂COCH₃ содержит карбонильный углерод. Запись CO здесь означает, что этот атом углерода связан двойной связью с кислородом. Его положение внутри цепи, а не на конце, уже подсказывает возможный класс вещества.

2. Проверим, с чем соединён карбонильный углерод. Слева от него находится группа CH₃CH₂–, справа — CH₃–, то есть два углеродных остатка. Атома водорода при карбонильном углероде нет, следовательно, вещество относится к кетонам.

3. Выберем главную углеродную цепь: в ней четыре атома углерода, поэтому основа названия — «бутан». Нумеруем цепь с ближайшего к карбонильной группе конца, чтобы она получила наименьший номер. Группа C=O стоит у второго атома, поэтому название вещества — бутан-2-он.

4. При восстановлении к карбонильной группе присоединяются два атома водорода, один — к углероду, другой — к кислороду. Связь C=O превращается в связь C–OH, и получается CH₃CH₂CH(OH)CH₃. В продукте гидроксильная группа находится у второго атома углерода, поэтому это бутан-2-ол, вторичный спирт.

5. Запишем превращение: CH₃CH₂COCH₃ + H₂ → CH₃CH₂CH(OH)CH₃. Число атомов углерода сохраняется, а к исходной молекуле добавляются два атома водорода; уравнение сбалансировано. Проверка по строению подтверждает ответ: кетон при восстановлении образовал вторичный спирт.

Ответ: CH₃CH₂COCH₃ — кетон, бутан-2-он; продукт восстановления — бутан-2-ол CH₃CH₂CH(OH)CH₃. Основной ход решения — определить окружение карбонильного углерода, а затем проследить, как изменится связь C=O. Такой порядок помогает не путать кетоны с альдегидами и правильно называть продукт.

Типичные ошибки

• Путать положение карбонильной группы. Иногда любое вещество с C=O называют альдегидом, потому что запоминают только наличие этой группы. Но у альдегида карбонильный углерод связан с водородом, а у кетона — с двумя углеродными остатками. Проверьте обе связи у этого атома, прежде чем определять класс.

• Неправильно выбирать нумерацию цепи кетона. Если считать от дальнего конца, карбонильная группа может получить номер больше необходимого. Ошибка возникает, когда нумеруют цепь по привычке, не учитывая функциональную группу. Проверьте, можно ли начать с другого конца и получить для C=O меньший номер.

• Считать, что альдегиды и кетоны одинаково легко окисляются. Общая группа C=O создаёт впечатление, будто свойства веществ совпадают. Однако строение альдегида позволяет легко окислить его до карбоновой кислоты, тогда как кетоны устойчивее к окислению. Сверьте вывод с тем, связан ли карбонильный углерод с водородом.

• При восстановлении записывать неверный тип спирта. Можно решить, что любой продукт реакции — первичный спирт, не учитывая исходный класс соединения. Альдегиды дают первичные спирты, кетоны — вторичные, поскольку углеродная цепь сохраняется. Проверьте число углеродных групп при атоме, который после реакции несёт –OH.

Связь с другими темами

Строение альдегидов и кетонов продолжает тему кислородсодержащих органических веществ: карбонильную группу удобно сравнивать с гидроксильной группой спиртов и карбоксильной группой кислот. При окислении альдегиды превращаются в карбоновые кислоты, а при восстановлении альдегиды и кетоны дают спирты. Поэтому их реакции связывают темы окислительно-восстановительных процессов и генетических связей между классами веществ. Знание строения углеродной цепи и изомерии помогает правильно различать вещества с одинаковой молекулярной формулой.

Что запомнить

• Карбонильная группа — C=O; она полярна.
• Альдегидная группа имеет вид –CHO и находится на конце цепи.
• В кетонах карбонильная группа связана с двумя углеродными остатками.
• Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, кетоны окислить труднее.
• При восстановлении альдегид образует первичный спирт, а кетон — вторичный.
• В названии кетона указывают положение группы C=O; для альдегида она всегда находится у конца цепи.