§ 23. Карбонильные соединения — альдегиды и кетоны

Определения и обозначения

Карбонильные соединения — органические вещества, содержащие карбонильную группу C=O. В ней атом углерода соединён с атомом кислорода двойной связью. Это общее понятие объединяет альдегиды, кетоны и некоторые другие классы веществ.

Альдегид — карбонильное соединение, в котором группа –CHO связана с углеводородным радикалом или атомом водорода. Группа –CHO обязательно расположена на конце углеродной цепи. Такое строение объясняет лёгкое окисление альдегидов и их качественную реакцию с ионами серебра.

Кетон — карбонильное соединение, в котором атом углерода группы C=O связан с двумя углеводородными радикалами. Поэтому карбонильная группа кетона находится внутри углеродной цепи. По этой особенности кетон отличают от альдегида даже при одинаковой общей формуле.

Карбонильная группа — функциональная группа C=O, определяющая основные химические свойства альдегидов и кетонов. Функциональная группа — это часть молекулы, которая особенно сильно влияет на её реакции. Запись C=O помогает сразу найти реакционноспособный участок молекулы.

Как это устроено

Строение альдегида или кетона определяется положением карбонильной группы в углеродной цепи. На конце цепи атом углерода C=O может иметь связь с водородом, поэтому образуется группа –CHO и вещество относится к альдегидам. Внутри цепи карбонильный углерод соединён с двумя углеродными фрагментами, и получается кетон.

Названия строят по углеводородной части молекулы. У альдегидов к названию цепи добавляют суффикс «-аль»: CH₃–CHO — этаналь, C₂H₅–CHO — пропаналь. У кетонов используют суффикс «-он» и цифрой обозначают положение C=O: CH₃–CO–CH₂–CH₃ — бутан-2-он.

Связь C=O полярна, потому что атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, чем атом углерода. На кислороде возникает частичный отрицательный заряд, а на углероде — частичный положительный. Поэтому молекулы взаимодействуют между собой и с полярной водой, а карбонильный углерод легко вступает в реакции с подходящими реагентами.

Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, поскольку у карбонильного углерода есть атом водорода, который может быть замещён на гидроксильную группу. Общая схема реакции: R–CHO + [O] → R–COOH. У кетонов такого водорода нет, поэтому они обычно устойчивы к мягкому окислению и требуют более жёстких условий для разрушения углеродной цепи.

Восстановление присоединяет к карбонильной группе водород, и двойная связь C=O превращается в связи C–OH и C–H. Альдегид R–CHO при этом даёт первичный спирт R–CH₂OH, потому что гидроксильная группа оказывается на конце цепи. Кетон R–CO–R′ превращается во вторичный спирт R–CH(OH)–R′, так как атом углерода с OH сохраняет две углеводородные связи.

Сравнение альдегидов и кетонов

Сначала по таблице определите положение группы C=O и только затем сравнивайте реакции. Формулы окисления и восстановления помогают предсказать продукт, а строка о качественной реакции — выбрать способ распознавания альдегида.

Общая формула показывает состав предельного ряда, но не заменяет структурную формулу: разные вещества могут иметь одинаковый состав. Например, этаналь и пропанон относятся к разным классам и ведут себя по-разному.

Разбор задач

Задача 1

Определите класс вещества, составьте его структурную и молекулярную формулы и назовите соединение: CH₃–CO–CH₂–CH₃. Нужно найти карбонильную группу и определить, с чем связан её углерод.

1. Группа C=O находится не на конце, а между двумя углеродными фрагментами CH₃ и CH₂–CH₃.
2. Следовательно, вещество относится к кетонам.
3. Цепь содержит четыре атома углерода, а карбонильная группа имеет номер 2 при нумерации с ближайшего конца.
4. Молекулярная формула получается подсчётом атомов: C₄H₈O.

Ответ: это кетон бутан-2-он; структурная формула CH₃–CO–CH₂–CH₃, молекулярная формула C₄H₈O.

Задача 2

Запишите уравнения реакций этаналя с аммиачным раствором оксида серебра и с водородом. В первой реакции альдегид окисляется, а серебро восстанавливается; во второй карбонильная группа восстанавливается.

1. Для реакции серебряного зеркала заменяем группу –CHO на –COOH и записываем: CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₃COONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O.
2. Для восстановления присоединяем H₂ по двойной связи C=O: CH₃CHO + H₂ → CH₃CH₂OH.
3. Проверяем продукты: в первом случае образуется соль этановой кислоты в аммиачной среде, во втором — первичный спирт.

Ответ: этаналь даёт серебряное зеркало и при восстановлении превращается в этанол.

Задача 3

При окислении этаналя получено 9,0 г этановой кислоты. Рассчитайте массу и количество вещества этаналя, вступившего в реакцию. Используем уравнение CH₃CHO + [O] → CH₃COOH, где соотношение веществ равно 1:1.

1. Молярная масса этановой кислоты M(CH₃COOH) = 60 г/моль.
2. Количество кислоты: n = m/M = 9,0/60 = 0,15 моль.
3. По уравнению реакции n(CH₃CHO) = 0,15 моль.
4. Молярная масса этаналя равна 44 г/моль, поэтому m = nM = 0,15 · 44 = 6,6 г.

Ответ: вступило в реакцию 0,15 моль этаналя массой 6,6 г.

Типичные ошибки

Называют любое соединение с C=O альдегидом, не проверяя соседние атомы. Ошибка возникает из-за смешения общего признака карбонильных соединений с признаком альдегидов. Проверьте, есть ли у карбонильного углерода связь с водородом.

Путают положение карбонильной группы в цепи. Альдегид имеет концевую группу –CHO, а кетон — группу –CO– между углеродными фрагментами. Мысленно выделите C=O и посчитайте, сколько углеводородных групп связано с её углеродом.

Записывают реакцию серебряного зеркала для кетона по аналогии с альдегидом. Причина ошибки — механическое запоминание реакции без связи со строением вещества. Если перед вами обычный кетон, в списке его свойств не должно быть серебряного зеркала.

При окислении альдегида указывают спирт или углекислый газ. Спирт получается при восстановлении, а углекислый газ не является обычным продуктом мягкого окисления альдегида. Проверьте направление превращения: R–CHO + [O] → R–COOH.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны представления о строении органических веществ, углеводородных радикалах, функциональных группах, номенклатуре и типах химических реакций. Эти знания позволяют распознать группу C=O, построить название и составить уравнение.

Тема связана с карбоновыми кислотами, потому что альдегиды окисляются до них. Она также понадобится при изучении углеводно-кислородных соединений, окислительно-восстановительных процессов и органического синтеза.

Что запомнить

• Альдегиды содержат концевую группу –CHO.
• Кетоны содержат карбонильную группу между двумя углеводородными радикалами.
• Карбонильная группа C=O полярна и определяет реакционную способность соединений.
• Альдегиды окисляются до карбоновых кислот.
• Кетоны восстанавливаются до вторичных спиртов, а альдегиды — до первичных.
• Альдегиды дают реакцию серебряного зеркала.
• Низшие альдегиды и кетоны обычно хорошо растворяются в воде и имеют характерный запах.