§ 19. Альдегиды и кетоны

Определения и обозначения

Альдегид — органическое вещество с альдегидной группой –CHO на конце углеродной цепи. В этой группе углерод соединён двойной связью с кислородом и одинарной — с водородом. Для предельных ациклических альдегидов общая формула гомологического ряда CₙH₂ₙO. Формула помогает увидеть состав представителей ряда и сравнивать их строение.

Кетон — органическое вещество, в котором карбонильный углерод соединён с двумя углеводородными заместителями. Его можно записать как R–CO–R′, где R и R′ обозначают части углеродной цепи. В отличие от альдегидной группы, у кетонной группы нет атома водорода при карбонильном углероде. Поэтому расположение группы и свойства кетонов отличаются от свойств альдегидов.

Карбонильная группа — функциональная группа C=O, то есть атомы углерода и кислорода, соединённые двойной связью. Она определяет характерное строение этих веществ и участвует в их основных реакциях. Функциональной называют группу атомов, от которой во многом зависят свойства органического соединения. Узнавая C=O, можно определить, к какому типу карбонильных соединений относится вещество.

Альдегидная группа — сочетание карбонильной группы с атомом водорода, обозначаемое –CHO. Именно водород при карбонильном углероде отличает альдегид от кетона и позволяет альдегиду окисляться до карбоновой кислоты. Поэтому при разборе формулы недостаточно заметить только C=O: нужно проверить, с чем связан карбонильный углерод. Эта проверка помогает предсказать характерные реакции вещества.

Как это устроено

В связи C=O общая электронная пара смещена к кислороду: он сильнее притягивает электроны, чем углерод. Поэтому кислород получает частичный отрицательный заряд, а карбонильный углерод — частичный положительный. Частично положительный углерод легче вступает во взаимодействие с частицами, богатыми электронами. Так полярность связи объясняет повышенную реакционную способность карбонильной группы.

Строение заместителей по обе стороны от C=O определяет, альдегид это или кетон. Если одна связь карбонильного углерода приходится на водород, группа находится на конце цепи и получается альдегид. Если обе связи соединяют его с углеводородными заместителями, группа оказывается внутри цепи и перед нами кетон. Различие важно не только для классификации: альдегидная группа способна легко окисляться, а кетонная при обычных условиях — нет.

Названия строят по длине главной углеродной цепи, включающей карбонильный углерод. Для альдегида к основе названия соответствующего алкана добавляют окончание -аль: CH₃–CHO — этаналь, CH₃–CH₂–CHO — пропаналь. Карбонильный углерод альдегидной группы всегда крайний, поэтому его положение отдельно не обозначают. Для кетона используют окончание -он и при необходимости указывают номер положения C=O: CH₃–CO–CH₂–CH₃ — бутан-2-он.

Альдегиды легко окисляются, потому что у карбонильного углерода есть связь с водородом: при окислении группа –CHO превращается в карбоксильную –COOH. Так, этаналь даёт этановую (уксусную) кислоту. У кетона на карбонильном углероде нет такого водорода, поэтому мягкое окисление не приводит к аналогичной простой реакции. Для разрушения углеродной цепи кетона нужны более жёсткие условия.

При восстановлении к карбонильной группе присоединяются атомы водорода, а двойная связь C=O превращается в одинарную C–O. У альдегида образуется группа –CH₂OH, поэтому продуктом становится первичный спирт. У кетона атом кислорода получает водород, а карбонильный углерод остаётся связанным с двумя углеводородными заместителями; получается вторичный спирт. Тип спирта, таким образом, можно определить по исходному строению соединения.

Сравнение альдегидов и кетонов

Сначала по строке «Функциональная группа» определите класс вещества, затем сравните положение группы и названия. Строки об окислении, восстановлении и качественной реакции показывают, как строение связано с химическими свойствами. Общие формулы относятся к указанным в таблице предельным ациклическим соединениям.

Разбор задач

Назвать вещества по формулам CH₃–CHO, CH₃–CO–CH₃ и CH₃–CH₂–CHO. Здесь важно не спутать наличие C=O с альдегидной группой: нужно рассмотреть соседние с карбонильным углеродом атомы. Затем считают число атомов углерода в цепи и выбирают окончание названия. Решение удобно выполнить отдельно для каждой формулы.

1. В CH₃–CHO карбонильный углерод соединён с H, поэтому это альдегид. В цепи два атома углерода; название — этаналь.
2. В CH₃–CO–CH₃ группа C=O находится между двумя углеводородными частями, значит, это кетон. В цепи три атома углерода, название — пропанон, или ацетон.
3. В CH₃–CH₂–CHO есть концевая группа –CHO, следовательно, это альдегид. Цепь содержит три атома углерода; название — пропаналь.

Ответ: CH₃–CHO — этаналь; CH₃–CO–CH₃ — пропанон (ацетон); CH₃–CH₂–CHO — пропаналь. При названии альдегида карбонильный углерод входит в общую длину цепи. У кетона, если есть несколько возможных положений C=O, его положение указывают номером.

Записать окисление этаналя и определить продукт реакции. Этаналь имеет формулу CH₃–CHO и содержит альдегидную группу. При окислении она превращается в карбоксильную –COOH, а углеродный скелет сохраняется. Поэтому продукт нужно искать среди карбоновых кислот с двумя атомами углерода.

1. Записываем формулу исходного вещества: CH₃–CHO.
2. Заменяем альдегидную группу –CHO на –COOH, получая CH₃–COOH.
3. Ставим окислитель в условную схему реакции и проверяем баланс атомов кислорода и водорода: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH.

Ответ: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH; продукт — этановая (уксусная) кислота. Символ [O] обозначает кислород, предоставляемый окислителем, а не отдельную молекулу кислорода. Реакция показывает характерное превращение альдегидной группы в карбоксильную.

Провести цепочку этанол → этаналь → уксусная кислота и определить тип превращений. В исходном этаноле гидроксильная группа находится у крайнего атома углерода, поэтому при дегидрировании может возникнуть альдегидная группа. Затем этаналь окисляют до кислоты. В обоих этапах углеродная цепь из двух атомов сохраняется.

1. Этанол нагревают с оксидом меди(II): CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O. Это окисление спирта, одновременно происходящее с восстановлением CuO до меди; дегидрирование этанола можно записать как CH₃CH₂OH → CH₃CHO + H₂ при нагревании над катализатором.
2. Этаналь окисляют, например, оксидом меди(II) при нагревании: CH₃CHO + CuO → CH₃COOH + Cu. Это окисление альдегида до карбоновой кислоты.
3. Сверяем вещества: этанол превращён сначала в этаналь, затем в этановую кислоту; на каждом шаге определяем класс исходного вещества и продукта.

Ответ: CH₃CH₂OH → CH₃CHO → CH₃COOH. Первое превращение — окисление первичного спирта (или дегидрирование при соответствующих условиях), второе — окисление альдегида. Указанные условия нагревания и окислитель показывают, почему реакции идут в заданном направлении.

Типичные ошибки

Ошибка — считать альдегидную группу –CHO просто другим способом записать C=O. Путают их, потому что в обеих формулах присутствует двойная связь углерода с кислородом. Но –CHO обязательно включает ещё и атом водорода при карбонильном углероде. Проверка: найдите все связи этого углерода и убедитесь, что одна из них ведёт к H.

Ошибка — назвать кетон альдегидом только из-за группы C=O. Так происходит, если не проверить положение группы и соседние с ней атомы. У альдегида C=O находится на конце цепи, у кетона — между двумя углеводородными заместителями. Самопроверка: есть ли у карбонильного углерода связь с водородом? Если нет и он соединён с двумя углеродными частями, это кетон.

Ошибка — приписывать реакцию «серебряного зеркала» любому веществу с карбонильной группой. Учащиеся переносят свойство альдегидов на кетоны, не учитывая различия их строения. Характерная проба относится к альдегидам, а обычные кетоны её не дают. Перед прогнозом реакции проверьте, присутствует ли в формуле группа –CHO.

Ошибка — неверно записывать продукты окисления и восстановления. При окислении альдегида образуется карбоновая кислота, а при восстановлении карбонильная группа превращается в спиртовую. Иногда забывают, что для альдегида продукт восстановления — первичный спирт, а для кетона — вторичный. Проверьте, с какими углеродными группами связан атом углерода, несущий –OH в продукте.

Связь с другими темами

Для изучения альдегидов и кетонов нужны знания о строении органических веществ, углеводородных радикалах и функциональных группах. Полезно также помнить строение и свойства одноатомных спиртов, поскольку спирты превращаются в альдегиды, а восстановление альдегидов и кетонов снова приводит к спиртам. Далее эта тема помогает понять свойства карбоновых кислот и окислительно-восстановительные превращения органических веществ. Такие соединения встречаются в биохимических процессах и промышленном синтезе; формальдегид, ацетон и сахара связаны с практическими применениями органической химии.

Что запомнить

• Карбонильная группа имеет строение C=O.
• Альдегиды содержат концевую группу –CHO.
• Кетоны содержат карбонильную группу между двумя углеводородными заместителями.
• Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот.
• Альдегиды дают реакцию «серебряного зеркала», а кетоны обычно нет.
• Восстановление альдегидов образует первичные спирты, а восстановление кетонов — вторичные.
• Первые представители альдегидов и кетонов имеют важное промышленное и практическое значение.