"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Карбонильные соединения содержат полярную связь C=O; к ним относятся альдегиды и кетоны. Их строение определяет, где расположена карбонильная группа и как вещество вступает в реакции. Первичные спирты при окислении или дегидрировании превращаются в альдегиды, вторичные — в кетоны. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, а восстановление альдегидов и кетонов приводит к спиртам. Эти превращения помогают связывать разные классы органических веществ и предсказывать продукты реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбонильные соединения — органические вещества, содержащие группу C=O; к ним относятся альдегиды и кетоны. Различие между ними связано с тем, какие атомы или группы соединены с карбонильным атомом углерода. По этому строению можно предсказать многие свойства и продукты реакций.
Карбонильная группа — это атом углерода, соединённый двойной связью с атомом кислорода. Связь C=O полярна: кислород притягивает к себе общую электронную пару, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд, а на углероде — частичный положительный. Это объясняет, почему реагенты могут присоединяться к карбонильной группе.
Альдегиды — вещества с группой –CHO, расположенной на конце углеродной цепи. Карбонильный атом углерода здесь связан с водородом и углеводородным остатком, поэтому группа C=O не может находиться внутри цепи. Общая формула предельных ациклических альдегидов — CₙH₂ₙO.
Кетоны содержат группу >C=O, в которой карбонильный атом углерода связан с двумя углеводородными радикалами. Поэтому группа C=O находится внутри углеродной цепи. Для предельных ациклических кетонов общая формула также CₙH₂ₙO, но кетонам с такой формулой нужно иметь не менее трёх атомов углерода.
Альдегиды и кетоны можно получить из спиртов, потому что при удалении водорода у атома углерода с группой –OH образуется двойная связь C=O. Первичный спирт имеет группу –OH у концевого атома углерода, поэтому после окисления или дегидрирования получается альдегид. Во вторичном спирте этот атом углерода соединён с двумя углеродными атомами, и продуктом становится кетон. Углеродный скелет при этих превращениях сохраняется.
Карбонильные соединения получают и гидратацией алкинов — присоединением воды по тройной связи. В присутствии кислотного катализатора и солей ртути ацетилен сначала образует неустойчивый енол, который перестраивается в этаналь. У других алкинов такое превращение обычно приводит к кетону: строение исходного алкина определяет, где окажется группа C=O после перестройки. Поэтому важно учитывать не только факт присоединения воды, но и строение алкина.
Полярность связи C=O влияет на то, как реагирует карбонильная группа. На атоме углерода возникает частичный положительный заряд, поэтому к нему притягиваются частицы, богатые электронами. При их присоединении двойная связь C=O превращается в одинарную, а атом кислорода получает дополнительный атом водорода или другую группу. Так объясняется характерное присоединение реагентов по карбонильной связи.
Альдегиды окисляются до карбоновых кислот, потому что у карбонильного атома углерода есть связь с водородом: при окислении он превращается в группу –OH. Кетоны в обычных условиях окисляются значительно труднее. Для их окисления обычно необходимо разорвать связь между атомами углерода, а это требует более жёстких условий, чем превращение альдегида в кислоту.
При восстановлении к связи C=O присоединяются атомы водорода, и она превращается в группу с одинарной связью C–O. У альдегида получается первичный спирт, поскольку его карбонильный углерод изначально связан с одним углеродным атомом и водородом. У кетона этот углерод связан с двумя углеродными атомами, поэтому образуется вторичный спирт. Углеродный скелет исходного вещества при восстановлении не меняется.
В таблице собраны типичные превращения: сначала определите класс исходного вещества, затем сверьте реагент и условия. Стрелка показывает направление реакции, а признак помогает понять, по какому наблюдению или продукту её распознают. Для гидратации алкинов приведены наиболее характерные результаты; строение конкретного алкина может влиять на продукт.
| Превращение | Исходное вещество и реагент | Условия | Продукт и признак реакции |
|---|---|---|---|
| Получение альдегида из первичного спирта | Первичный спирт, CuO | Нагревание | Альдегид; чёрный CuO восстанавливается до красной меди |
| Получение кетона из вторичного спирта | Вторичный спирт, CuO | Нагревание | Кетон; чёрный CuO восстанавливается до красной меди |
| Получение карбонильного соединения гидратацией алкина | Алкин, H₂O | Кислота, соли ртути, нагревание | Ацетилен даёт этаналь, другие алкины — обычно кетоны |
| Окисление альдегида | Альдегид, [O] | Окислитель, например Cu(OH)₂ при нагревании | Карбоновая кислота; при реакции с Cu(OH)₂ появляется кирпично-красный Cu₂O |
| Восстановление альдегида | Альдегид, H₂ | Катализатор, например Ni | Первичный спирт |
| Восстановление кетона | Кетон, H₂ | Катализатор, например Ni | Вторичный спирт |
Задача 1. Запишите уравнение получения этаналя из этанола дегидрированием и назовите продукт. Этанол — первичный спирт: группа –OH находится у концевого атома углерода. При дегидрировании от молекулы отщепляются два атома водорода, а цепь из двух атомов углерода сохраняется.
Ответ: CH₃CH₂OH → CH₃CHO + H₂; продукт CH₃CHO называется этаналь.
Задача 2. Предложите способ получения пропанона из соответствующего спирта и запишите уравнение. В молекуле пропанона карбонильный атом углерода связан с двумя углеродными группами, поэтому спиртом-предшественником должен быть вторичный пропанол-2. Его можно окислить оксидом меди(II) при нагревании или дегидрировать.
Ответ: пропанон получают окислением пропанола-2; уравнение реакции записано выше.
Задача 3. Для последовательности «этанол → этаналь → этановая кислота» запишите уравнения реакций и укажите тип каждого превращения. Сначала из первичного спирта нужно получить альдегид, а затем окислить альдегид до кислоты. В обоих случаях число атомов углерода остаётся равным двум, но продукты и реагенты различаются.
Ответ: этанол дегидрируется до этаналя, затем этаналь окисляется до этановой кислоты.
Путать альдегиды и кетоны — значит не учитывать положение группы C=O. Ошибку допускают, потому что оба класса содержат одну и ту же карбонильную группу. Проверьте, связан ли карбонильный углерод с водородом: да — это альдегид, а связь с двумя углеродными атомами указывает на кетон.
Выбирать продукт окисления спирта только по числу атомов углерода неверно: решает строение атома углерода с группой –OH. Такое смешение возникает, когда запоминают формулу продукта, но не классифицируют спирт. Для самопроверки выясните, первичный спирт или вторичный: первый даёт альдегид, второй — кетон.
Считать, что кетоны окисляются так же легко, как альдегиды, — ошибка. Оба класса содержат C=O, но у альдегида при карбонильном углероде есть водород, а для окисления кетона обычно требуется разорвать связь C–C. Сверяйте предполагаемый продукт: альдегид легко превращается в кислоту, кетон в обычных условиях значительно устойчивее.
Нельзя менять местами спирты, образующиеся при восстановлении альдегидов и кетонов. Это происходит, если не проследить, сколько углеродных соседей было у карбонильного атома. Сохраните углеродный скелет и проверьте его: альдегид даёт первичный спирт, кетон — вторичный.
Для понимания превращений карбонильных соединений пригодятся знания о строении и классификации спиртов. Нужно уметь отличать первичные спирты от вторичных и представлять, как протекают их окисление и дегидрирование. Эти сведения помогают заранее определить, образуется альдегид или кетон.
Дальше тема связывается с изучением карбоновых кислот: окисление альдегидов показывает один из путей их получения. Обратное по направлению изменение функциональной группы — восстановление карбонильного соединения — приводит к спирту. Так реакции связывают несколько важных классов органических веществ.
Чем альдегид отличается от кетона по строению?
У альдегида карбонильная группа расположена на конце цепи и входит в группу –CHO: атом углерода C=O связан с атомом водорода. У кетона карбонильный атом углерода соединён с двумя углеродными атомами.
Как по формуле спирта понять, альдегид или кетон получится при окислении?
Посмотрите на атом углерода, связанный с группой –OH. Если он находится на конце цепи и соединён только с одним углеродным атомом, спирт первичный и при окислении даёт альдегид. Если он связан с двумя углеродными атомами, спирт вторичный и образует кетон.
Почему альдегиды окисляются легче кетонов?
У альдегида при карбонильном атоме углерода есть атом водорода, который можно заменить на группу –OH при образовании карбоновой кислоты. Для окисления кетона обычно нужно разорвать связь C–C, поэтому оно протекает труднее и часто требует более жёстких условий.
Какой спирт образуется при восстановлении кетона?
При восстановлении кетона образуется вторичный спирт. Карбонильная группа превращается в группу –CHOH, а углеродный скелет сохраняется.
Какие карбонильные соединения получают гидратацией алкинов?
Гидратация ацетилена приводит к этаналю. При гидратации других алкинов обычно образуются кетоны: сначала возникает неустойчивое соединение, которое перестраивается в карбонильное.
Получение и химические свойства карбонильных соединений
