"Химия (базовый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Альдегиды и кетоны — классы органических веществ, в молекулах которых есть полярная карбонильная группа C=O. В альдегидах она соединена с водородом и расположена на конце цепи, а в кетонах находится между двумя углеводородными радикалами. Строение определяет названия веществ, их свойства и реакции: альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, а кетоны устойчивы к мягкому окислению. Эти классы связаны со спиртами и важны для органического синтеза.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Альдегиды — органические вещества, содержащие альдегидную группу –CHO, соединённую с углеводородным радикалом или атомом водорода. Например, в CH₃CHO группа –CHO связана с радикалом CH₃–. По ней можно распознать класс вещества и предсказать характерные реакции.
Кетоны — органические вещества, содержащие карбонильную группу >C=O, связанную с двумя углеводородными радикалами. В пропаноне CH₃COCH₃ эта группа находится между двумя группами CH₃–. Такое строение помогает отличить кетон от альдегида.
Карбонильная группа — функциональная группа C=O, то есть атом углерода, соединённый двойной связью с кислородом. Она есть и у альдегидов, и у кетонов, поэтому во многом определяет их реакционную способность. По окружению карбонильного углерода устанавливают, к какому из этих классов относится соединение.
Альдегидная группа — концевой фрагмент –CHO, характерный для альдегидов. В нём карбонильный углерод связан и с кислородом, и с водородом, и с остальной частью молекулы. Наличие этой связи с водородом объясняет, почему альдегиды легко окисляются и отличаются от кетонов.
В карбонильной группе атом углерода и атом кислорода образуют двойную связь: один электронный вклад приходится на σ-связь, другой — на π-связь. Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд, а на углероде — частичный положительный. Из-за этого полярная связь C=O становится реакционноспособным участком молекулы: к углероду могут присоединяться частицы, богатые электронами.
У атома углерода только четыре валентности. В альдегиде карбонильный углерод уже связан двойной связью с кислородом, одинарной — с водородом и ещё одной — с радикалом. Поэтому альдегидная группа оказывается на конце цепи. У кетона вместо водорода к нему присоединён второй радикал, и цепь продолжается по обе стороны от C=O.
Для ациклических насыщенных альдегидов и кетонов с одной карбонильной группой общая формула гомологического ряда — CₙH₂ₙO. Например, CH₃CHO называют этаналем, а CH₃COCH₃ — пропаноном: у альдегидов используют суффикс -аль, у кетонов — -он. Положение группы C=O в кетоне обозначают номером атома углерода, например бутан-2-он. Изомерия возможна между альдегидами и кетонами с одинаковой формулой, а также из-за разного строения углеродной цепи или положения группы в кетонах.
Низшие альдегиды и кетоны хорошо растворяются в воде, потому что полярная группа C=O взаимодействует с полярными молекулами воды. Углеводородный радикал сам по себе с водой взаимодействует плохо. По мере его увеличения неполярная часть начинает сильнее влиять на свойства молекулы, поэтому растворимость уменьшается.
Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот: связь карбонильного углерода с водородом позволяет превратить фрагмент –CHO в –COOH. У кетонов такой связи нет, а для их окисления обычно требуется разрушить углеродную цепь, поэтому мягкие окислители на них не действуют. Различие используют в качественных реакциях: альдегиды дают серебряное зеркало с реактивом Толленса или красный осадок Cu₂O при нагревании с гидроксидом меди(II), а кетоны — нет.
| Свойство | Альдегиды | Кетоны |
|---|---|---|
| Функциональная группа | –CHO | >C=O |
| Общая формула гомологического ряда | CₙH₂ₙO, n ≥ 1 | CₙH₂ₙO, n ≥ 3 |
| Положение карбонильной группы | На конце цепи | Внутри цепи |
| Примеры и названия первых представителей | HCHO — метаналь; CH₃CHO — этаналь | CH₃COCH₃ — пропанон; CH₃COCH₂CH₃ — бутан-2-он |
| Номенклатура | Название алкана + суффикс -аль | Название алкана + суффикс -он; указывают положение группы |
| Физические свойства | Полярные; низшие растворимы в воде, многие имеют резкий запах | Полярные; низшие растворимы в воде, ацетон — летучая жидкость |
| Горение | Образуются CO₂ и H₂O | Образуются CO₂ и H₂O |
| Восстановление | Образуются первичные спирты | Образуются вторичные спирты |
| Окисление | Легко окисляются до карбоновых кислот | Устойчивы к мягким окислителям |
| Качественные реакции | Серебряное зеркало; при нагревании с Cu(OH)₂ — Cu₂O | Эти реакции в обычных условиях не характерны |
| Основные способы получения | Окисление первичных спиртов; восстановление производных карбоновых кислот | Окисление вторичных спиртов; некоторые способы органического синтеза |
| Практическое применение | Сырьё для органического синтеза, смол и других веществ | Растворители и сырьё для органического синтеза |
Сначала сравните функциональные группы и положение C=O: именно это надёжнее всего помогает определить класс. Затем проследите, как строение объясняет различия в окислении и восстановлении. Таблица обобщает типичные свойства, но отдельные представители могут отличаться физическими характеристиками.
Задача 1. Для вещества CH₃–CH₂–CHO определить класс, назвать соединение и записать формулу продукта его полного окисления. Нужно найти характерную группу, определить число атомов углерода и вспомнить, во что превращаются альдегиды при окислении.
Ответ: пропаналь, продукт окисления — пропановая кислота CH₃CH₂COOH. При полном сгорании соединения получились бы CO₂ и H₂O, но здесь спрашивается именно окисление альдегида до кислоты.
Задача 2. Осуществить превращения CH₃CH₂OH → CH₃CHO → CH₃COOH и указать условия каждой реакции. Этанол — первичный спирт, поэтому его окисление может остановиться на альдегиде. Следующий этап — дальнейшее окисление альдегида до кислоты.
Ответ: последовательность отражает переход от первичного спирта к альдегиду и затем к карбоновой кислоте. В обоих уравнениях [O] обозначает окислитель, а не отдельное вещество.
Задача 3. В двух пробирках находятся пропаналь CH₃CH₂CHO и пропанон CH₃COCH₃. Предложить реактив, описать наблюдения и записать уравнения. Удобно выбрать реактив Толленса: альдегид его восстанавливает, а кетон в этих условиях не реагирует.
Ответ: пробирка с серебряным налётом содержит пропаналь, пробирка без изменений — пропанон. Вместо реактива Толленса для различения можно использовать Cu(OH)₂ при нагревании: альдегид даёт кирпично-красный осадок Cu₂O, кетон не реагирует.
Ошибка — считать любой фрагмент C=O альдегидной группой. Так путают общую карбонильную группу с фрагментом –CHO, который дополнительно содержит водород; это происходит из-за внешнего сходства формул. Проверьте, сколько заместителей связано с карбонильным углеродом: водород указывает на альдегид, два радикала — на кетон.
Ошибка — определять класс только по наличию двойной связи C=O, не учитывая окружение атома углерода. У альдегида он соединён с водородом, а у кетона — с двумя радикалами, поэтому положение группы тоже различается. Чтобы проверить себя, мысленно запишите все связи карбонильного углерода: две уже образованы с кислородом.
Ошибка — записывать окисление альдегида до кетона. Иногда ученик смешивает названия классов или переносит схему превращения спиртов на следующий этап; при окислении альдегид образует карбоновую кислоту. Проверьте продукт по функциональной группе: в нём должна появиться –COOH.
Ошибка — считать реакцию серебряного зеркала общей для всех карбонильных соединений. Её используют как качественную реакцию на альдегиды, поскольку они окисляются мягким окислителем, а кетоны обычно нет. Для самопроверки сравните число продуктов: серебро выделяется в пробирке с альдегидом, а кетон при тех же условиях остаётся без видимых изменений.
Для изучения темы нужны представления о строении органических веществ, углеводородных радикалах, функциональных группах и правилах номенклатуры. Также пригодится окисление спиртов: первичные спирты дают альдегиды, а вторичные — кетоны. Далее эти знания помогают понять свойства карбоновых кислот и сложных эфиров, а также взаимосвязь классов органических веществ. Они применяются при изучении формальдегида, ацетона, продуктов окисления и органического синтеза.
Чем альдегид отличается от кетона по строению?
У альдегида карбонильный углерод связан с атомом водорода, поэтому группа –CHO расположена на конце цепи. У кетона этот углерод соединён с двумя углеводородными радикалами, и группа C=O находится внутри цепи.
Почему альдегиды окисляются легче кетонов?
В альдегидной группе у карбонильного углерода есть связь с водородом, и при окислении альдегид превращается в карбоксильную группу. У кетона такой связи нет, поэтому мягкие окислители обычно его не окисляют.
Как определить альдегидную группу в структурной формуле?
Найдите фрагмент C=O и проверьте, связан ли карбонильный углерод с водородом. Запись –CHO означает альдегидную группу; обычно она находится на конце углеродной цепи.
Почему ацетон не даёт реакцию серебряного зеркала?
Ацетон — кетон: его карбонильный углерод соединён с двумя углеводородными группами, а не с водородом. Поэтому он не окисляется мягким реактивом Толленса, который используют для качественного обнаружения альдегидов.
Как связаны альдегиды, кетоны и спирты?
Альдегиды и кетоны можно получать окислением соответствующих спиртов: первичные спирты дают альдегиды, вторичные — кетоны. При восстановлении альдегиды превращаются в первичные спирты, а кетоны — во вторичные.
§ 13. Альдегиды и кетоны
