"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Карбонильные соединения содержат полярную связь C=O, которая определяет их строение и химические свойства. К ним относятся альдегиды с концевой группой –CHO и кетоны, где карбонильный атом углерода связан с двумя углеводородными радикалами. По строению группы различают их названия и продукты реакций. Разобравшись в номенклатуре и изомерии, легче составлять формулы веществ и предсказывать, как они присоединяют реагенты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбонильная группа — это фрагмент молекулы с двойной связью между атомами углерода и кислорода, C=O. Из-за разной электроотрицательности атомов связь полярна: кислород притягивает общую электронную пару сильнее. Поэтому на атомах возникают частичные заряды, что помогает объяснить реакционную способность группы. Обозначение C=O сразу указывает на важную для органической химии функциональную группу.
Альдегиды — органические соединения с концевой группой –CHO, в которой карбонильный углерод связан также с атомом водорода. Кетоны — соединения, где группа >C=O связана с двумя углеводородными радикалами. Это различие показывает, какие атомы или группы соседствуют с карбонильным углеродом. По нему определяют класс вещества и ожидаемый продукт восстановления.
В названии выбирают самую длинную углеродную цепь, содержащую карбонильную группу. Цепь нумеруют так, чтобы группа получила наименьший возможный номер; у альдегида её углерод всегда первый, а у кетона положение отмечают цифрой. Для альдегидов используют суффикс -аль, для кетонов — -он. Правило позволяет по названию восстановить строение вещества, а по формуле составить корректное название.
Структурная изомерия — явление, при котором вещества имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное соединение атомов. У карбонильных соединений различаются углеродный скелет, положение группы C=O или принадлежность к классу альдегидов либо кетонов. Такие виды изомерии важно не смешивать: в одном случае меняется цепь, в другом — место группы, в третьем — строение функциональной группы. Проверка связей и расположения атомов помогает установить, действительно ли формулы описывают разные вещества.
Кислород притягивает общую электронную пару сильнее, чем углерод, потому что его электроотрицательность выше. Электронная плотность смещается к кислороду: он приобретает частичный отрицательный заряд, а углерод — частичный положительный. Поэтому электронно-богатая частица реагента притягивается к карбонильному углероду. Так полярность связи объясняет, почему именно углерод становится центром атаки при присоединении.
В альдегиде группа –CHO находится на конце цепи: карбонильный углерод соединён с водородом и одним углеводородным остатком. В кетоне он связан с двумя остатками, поэтому расположен между ними. Разница отражается в названиях: окончание -аль обозначает альдегид, а -он — кетон. Она же влияет на продукты восстановления: альдегид даёт первичный спирт, кетон — вторичный.
Чтобы назвать CH₃–CO–CH₂–CH₃, сначала выбирают цепь из четырёх атомов углерода, содержащую C=O. Нумерацию начинают с ближайшего к группе конца: карбонильный углерод получает номер 2, поэтому название — бутан-2-он. Обратный ход тоже возможен: в названии пропанон основа пропан- указывает на три атома углерода, а -он — на кетонную группу. В трёхуглеродной цепи она может находиться только у среднего атома, и формула будет CH₃–CO–CH₃.
При одинаковой молекулярной формуле изомеры могут отличаться разветвлением цепи, положением C=O или классом соединения. Например, для кетона с четырьмя атомами углерода положение группы меняется: бутан-2-он — единственный возможный кетон с прямой цепью, а для изомерии скелета у него нет подходящего кетонного варианта. Зато формуле C₄H₈O соответствуют альдегиды бутаналь и 2-метилпропаналь, различающиеся скелетом. Альдегиды этой формулы также являются межклассовыми изомерами бутанона, а альдегиды и кетоны не являются друг для друга изомерами положения.
При присоединении по C=O сначала электронно-богатая часть реагента связывается с частично положительным карбонильным углеродом. Электронная плотность двойной связи смещается к кислороду, поэтому он получает возможность связать водород. При восстановлении водород присоединяется к обоим атомам бывшей двойной связи, и связь C=O превращается в C–OH. Для альдегида R–CHO получается R–CH₂OH, а для кетона R–CO–R′ — R–CH(OH)–R′.
| Признак | Альдегиды | Кетоны |
|---|---|---|
| Общая формула функциональной группы | –CHO (R–CHO) | >C=O (R–CO–R′) |
| Положение карбонильной группы | На конце цепи | Внутри цепи, между двумя радикалами |
| Правило образования названия | Суффикс -аль; углерод группы — первый | Суффикс -он; положение указывают цифрой |
| Возможная изомерия | Скелета; межклассовая с кетонами | Скелета, положения группы; межклассовая с альдегидами |
| Особенности присоединения водорода | Образуется первичный спирт | Образуется вторичный спирт |
| Поведение при мягком окислении | Окисляются до карбоновых кислот | Обычно не окисляются мягкими окислителями |
Сравнивайте столбцы по одному признаку: сначала проверьте строение группы и её положение, затем — правила названия. Строки о присоединении водорода и окислении помогают связать строение вещества с его химическим поведением. Для определения класса достаточно увидеть, связан ли карбонильный углерод с водородом или с двумя углеводородными радикалами.
Задача 1. Составить структурные формулы пропаналя и пропанона и указать, чем различается положение карбонильной группы. Сначала определим число атомов углерода: основа пропан- означает цепь из трёх атомов. Затем используем окончания названий, чтобы различить альдегид и кетон. Наконец, проверим, какие атомы соседствуют с C=O.
Ответ: пропаналь — CH₃–CH₂–CHO, пропанон — CH₃–CO–CH₃. Карбонильная группа у альдегида концевая, у кетона — внутренняя.
Задача 2. Назвать CH₃–CO–CH₂–CH₃ и записать формулы двух его структурных изомеров с той же молекулярной формулой. Начнём с подсчёта атомов: в главной цепи четыре атома углерода, а формула вещества — C₄H₈O. Затем найдём положение карбонильной группы и подберём соединения с тем же набором атомов, но иным строением. Изомеры могут относиться к другому классу, если сохраняют молекулярную формулу.
Ответ: CH₃–CO–CH₂–CH₃ — бутан-2-он; его изомеры: бутаналь CH₃–CH₂–CH₂–CHO и 2-метилпропаналь (CH₃)₂CH–CHO. Эти примеры показывают межклассовую изомерию и изомерию углеродного скелета.
Задача 3. Записать уравнения присоединения водорода к пропаналю и пропанону, указав продукты и условия реакции. Восстановление карбонильной группы проводят водородом в присутствии катализатора, например Ni, при нагревании. Чтобы определить продукт, проследим за связями: кислород после присоединения водорода становится частью группы –OH. Затем по исходному строению устанавливаем, будет спирт первичным или вторичным.
Ответ: CH₃CH₂CHO + H₂ → CH₃CH₂CH₂OH (пропан-1-ол); CH₃COCH₃ + H₂ → CH₃CH(OH)CH₃ (пропан-2-ол). В обоих случаях реакцию проводят при нагревании с катализатором Ni; из альдегида получается первичный спирт, из кетона — вторичный.
Использовать суффикс -аль для кетона — значит перепутать классы веществ: это окончание указывает на концевую группу –CHO. Ошибка возникает, если название выводят только из числа атомов углерода и не проверяют функциональную группу. Для самопроверки установите, с чем связан карбонильный углерод: с водородом и одним радикалом или с двумя радикалами. Во втором случае в названии нужен суффикс -он.
Если нумеровать цепь от дальнего конца, кетон может получить неверный номер группы. Такое случается, когда начинают считать по привычке, не проверив расположение C=O. Проверьте оба конца цепи и выберите тот, который даёт карбонильной группе наименьший номер. Например, для CH₃–CO–CH₂–CH₃ это номер 2, а не 3.
Альдегиды и кетоны иногда ошибочно называют изомерами положения друг друга. Положение группы меняется у соединений одного класса, но альдегидная группа –CHO и кетонная группа >C=O имеют разное строение. Чтобы проверить класс, посмотрите на связи карбонильного углерода: у альдегида есть связь C–H, а у кетона — две связи с углеродными радикалами. Если различается сам тип функциональной группы, это межклассовая, а не позиционная изомерия.
При восстановлении альдегида нельзя записывать вторичный спирт: исходная группа –CHO превращается в –CH₂OH, сохраняя связь углерода с одним углеродным остатком. Путаница возникает, если не проследить, какие связи сохраняются при присоединении водорода. Проверьте число углеродных соседей у атома, который несёт –OH: один углеродный остаток соответствует первичному спирту, два — вторичному. Поэтому альдегиды дают первичные, а кетоны — вторичные спирты.
Для изучения карбонильных соединений нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах, углеводородных радикалах и нумерации углеродной цепи. Объяснение полярности C=O опирается на представления об электроотрицательности и полярной ковалентной связи. Эти знания помогают понять направление присоединения реагента, а не просто запомнить его. Номенклатура и свойства альдегидов и кетонов пригодятся при изучении карбоновых кислот, их производных и способов получения органических веществ.
Чем альдегиды отличаются от кетонов по строению?
У альдегида карбонильная группа находится на конце цепи и содержит связь углерода с водородом: –CHO. У кетона атом углерода группы C=O связан с двумя углеводородными радикалами, поэтому группа расположена внутри цепи.
Как определить положение карбонильной группы при нумерации цепи?
Выбирают самую длинную цепь, содержащую карбонильную группу, и нумеруют её с конца, ближайшего к этой группе. В названии кетона её положение указывают цифрой, например бутан-2-он. У альдегида группа всегда концевая, поэтому её атом углерода получает номер 1.
Какие виды изомерии характерны для карбонильных соединений?
Возможны изомерия углеродного скелета и положения карбонильной группы. Также встречается межклассовая изомерия: альдегид и кетон могут иметь одинаковую молекулярную формулу, но относятся к разным классам. Например, бутаналь и бутанон имеют формулу C₄H₈O.
Почему карбонильная группа вступает в реакции присоединения?
Кислород сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому связь C=O полярна, а атом углерода частично положителен. К нему присоединяется электронно-богатая частица, а кислород принимает электронную плотность и затем связывается с водородом.
Какие спирты образуются при восстановлении альдегидов и кетонов?
При присоединении водорода к альдегиду образуется первичный спирт, а к кетону — вторичный. Это связано с тем, что при превращении C=O в C–OH у альдегида сохраняется связь соответствующего атома углерода с водородом, а у кетона — с двумя углеводородными радикалами.
§ 7. Карбонильные соединения: номенклатура, изомерия, реакции присоединени
