"Химия (базовый уровень)", Габриелян О.С., Остороумов И.Г., Сладков С.А.
Альдегиды и кетоны — органические вещества с карбонильной группой C=O. Если при её атоме углерода есть водород, соединение относится к альдегидам; если два углеводородных заместителя — к кетонам. Строение определяет положение группы в цепи и химические свойства: альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, а при восстановлении оба класса дают спирты. Эти соединения применяют в химическом синтезе и используют для получения других важных веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Альдегид — органическое соединение с альдегидной группой –CHO на конце углеродной цепи. Общая формула предельных альдегидов — CₙH₂ₙO. По этой формуле можно определить состав вещества, но для понимания его свойств нужно также знать, как атомы соединены между собой.
Альдегидная группа –CHO — функциональная группа, в которой карбонильный атом углерода связан с атомом водорода. Функциональная группа — часть молекулы, которая во многом определяет её химические свойства. Обозначение –CHO помогает сразу распознать альдегид в структурной формуле.
Кетон — органическое соединение, в котором карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Предельные ациклические кетоны имеют общую формулу CₙH₂ₙO. Слово «ациклические» означает, что атомы углерода не образуют кольца; формула применима к кетонам с прямыми или разветвлёнными цепями.
Карбонильная группа >C=O — функциональная группа, общая для альдегидов и кетонов. Знак > показывает, что атом углерода связан ещё с двумя заместителями, кроме кислорода. Именно состав этих заместителей позволяет различить два класса веществ.
В карбонильной группе атомы углерода и кислорода соединены двойной связью C=O. Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому связь полярна: на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а на карбонильном углероде — частичный положительный. Такая неравномерность распределения зарядов делает карбонильный атом углерода удобным местом для присоединения частиц в химических реакциях.
Класс вещества определяют по окружению карбонильного углерода. У альдегида к нему присоединён водород и один углеводородный заместитель, поэтому его записывают как R–CHO; у кетона — два заместителя, R–CO–R′. Углерод в группе –CHO уже связан с водородом и кислородом, так что для связи с углеродной цепью остаётся только одно место: альдегидная группа оказывается на её конце. В кетоне два углеродных заместителя располагаются по обе стороны от C=O, и группа находится внутри цепи.
Строение отражается в формулах и названиях. Например, CH₃CH₂CHO — пропаналь, альдегид с тремя атомами углерода; окончание «-аль» указывает на альдегидную группу. Формула CH₃COCH₃ соответствует пропанону: карбонильная группа расположена между двумя углеродными частями, а окончание «-он» обозначает кетон. Оба вещества имеют состав C₃H₆O, но различный порядок соединения атомов, то есть являются структурными изомерами.
Полярность C=O влияет на физические свойства. Молекулы карбонильных соединений притягиваются друг к другу, а низшие представители могут взаимодействовать с полярными молекулами воды, поэтому хорошо или ограниченно растворяются в ней. По мере удлинения углеводородной части, которая с водой взаимодействует слабо, растворимость уменьшается. Значит, при сравнении двух соединений важно учитывать не только полярную группу, но и размер всей молекулы.
Полярный карбонильный атом углерода может принимать участие в реакциях присоединения: к нему присоединяются новые атомы или группы атомов. Если кислород карбонильной группы получает водород, а связь C=O превращается в одинарную, происходит восстановление: альдегид даёт первичный спирт, кетон — вторичный. Альдегиды способны и к окислению, потому что при карбонильном углероде у них есть водород; при превращении группы –CHO в –COOH образуется карбоновая кислота. У кетонов такого водорода при карбонильном углероде нет, поэтому мягкое окисление, характерное для альдегидов, их не затрагивает.
| Признак | Альдегиды | Кетоны |
|---|---|---|
| Функциональная группа | –CHO | >C=O |
| Положение карбонильной группы в цепи | На конце | Внутри цепи |
| Общая формула предельных ациклических представителей | CₙH₂ₙO, n ≥ 1 | CₙH₂ₙO, n ≥ 3 |
| Пример и название | CH₃CHO — этаналь | CH₃COCH₃ — пропанон |
| Характерное направление окисления | До карбоновых кислот | Мягкое окисление нехарактерно |
| Результат восстановления | Первичный спирт | Вторичный спирт |
| Качественная реакция | Реактив Толленса: выделяется серебро | С реактивом Толленса характерной реакции нет |
Сначала по формуле структурной группы определите, к какому классу относится вещество, и только потом сравнивайте его реакции. Таблица показывает общие закономерности, но не заменяет структурную формулу: именно она позволяет увидеть расположение C=O и проверить название.
Условие. Определите, относится ли CH₃CHO к альдегидам или кетонам, назовите вещество и укажите его функциональную группу. Решение удобно начать не с числа атомов углерода, а с проверки того, как записана концевая группа молекулы. Затем по длине цепи выбирают название.
Ответ: CH₃CHO — этаналь, альдегид с функциональной группой –CHO. Наличие C=O само по себе не определяет класс: решающим оказался водород при карбонильном атоме.
Условие. Составьте структурные формулы пропаналя и пропанона, определите их молекулярные формулы и укажите различие в положении C=O. В обоих названиях основа «пропан-» означает три атома углерода. Различия окончаний подсказывают, где искать функциональную группу.
Ответ: пропаналь — CH₃CH₂CHO, пропанон — CH₃COCH₃; формула каждого — C₃H₆O. Одинаковый состав не означает одинаковое строение или одинаковые свойства.
Условие. Предложите реактив и ожидаемые наблюдения для растворов этаналя и пропанона, запишите уравнение реакции для этаналя. Подойдёт реактив Толленса, содержащий комплексные ионы серебра. Он окисляет альдегид, а серебро из раствора восстанавливается до металла.
Ответ: используют реактив Толленса; серебряный налёт указывает на этаналь, отсутствие характерного изменения — на пропанон. Реактивы серебра применяют с соблюдением правил безопасности и не хранят после опыта.
Ошибка: считать любое соединение с C=O альдегидом. Карбонильная группа есть и у кетонов, поэтому одного фрагмента C=O недостаточно. Так ошибаются, когда не рассматривают соседние атомы и заместители. Проверьте формулу: водород при карбонильном углероде означает альдегид, два углеводородных заместителя — кетон.
Ошибка: записывать –CHO внутри цепи. В группе –CHO карбонильный атом связан с водородом, поэтому он соединён только с одним углеродным атомом цепи. Путаница возникает из-за того, что группу воспринимают как отдельный фрагмент, не учитывая связи. Проверьте структурную формулу: у альдегида с одной стороны от C=O должен стоять H, а цепь продолжается только с другой.
Ошибка: считать, что кетоны окисляются так же легко, как альдегиды. Для альдегидов характерно мягкое окисление до карбоновых кислот, а кетоны в таких условиях обычно не реагируют. Это смешение связано с общей карбонильной группой обоих классов. Сверьте заместители: наличие H у группы –CHO помогает альдегиду окисляться, у кетона его нет.
Ошибка: путать продукты восстановления. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты, а кетонов — вторичные. Ошибка возникает, если запомнить только то, что оба класса дают спирты. Проверьте, сколько углеродных заместителей было у карбонильного углерода: их число помогает определить тип спирта после присоединения водорода.
Для чтения формул альдегидов и кетонов нужны знания о строении углеводородов, функциональных группах и составлении структурных формул. Окисление альдегидов связывает эту тему с карбоновыми кислотами: группа –CHO превращается в –COOH. Тема также связана со спиртами и окислительно-восстановительными реакциями: спирты могут служить исходными веществами для получения карбонильных соединений, а восстановление альдегидов и кетонов приводит к спиртам.
Чем альдегид отличается от кетона?
У альдегида карбонильная группа находится на конце цепи и связана с водородом, образуя группу –CHO. У кетона карбонильный атом углерода связан с двумя углеводородными радикалами, поэтому группа C=O расположена внутри цепи.
Почему альдегидная группа всегда находится на конце цепи?
Углерод в группе –CHO связан с кислородом двойной связью, с водородом и только с одним атомом углерода цепи. Поэтому он может находиться лишь на её конце, а не между двумя углеродными атомами.
Как отличить альдегид от кетона в лаборатории?
Можно добавить реактив Толленса: альдегид восстанавливает ионы серебра, и на стенках сосуда появляется серебряный налёт. Кетон в обычных условиях этой реакции не даёт; также для распознавания альдегидов используют гидроксид меди(II).
Во что превращаются альдегиды при окислении?
При окислении альдегидная группа превращается в карбоксильную, и образуется карбоновая кислота с тем же числом атомов углерода. Например, этаналь окисляется до этановой кислоты.
Какие спирты образуются при восстановлении альдегидов и кетонов?
Альдегиды восстанавливаются до первичных спиртов, а кетоны — до вторичных. Это связано с тем, сколько углеродных заместителей связано с карбонильным атомом.
§ 14. Альдегиды и кетоны
