§ 19. Альдегиды и кетоны

Определения и обозначения

Карбонильная группа — это связь C=O, в которой атом углерода соединён с кислородом двойной связью. Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому связь полярна. Эта группа определяет многие физические и химические свойства альдегидов и кетонов.

Альдегидная группа имеет строение –CHO: карбонильный углерод соединён с водородом и углеводородным остатком. В отличие от других карбонильных групп, она всегда находится на конце цепи. Наличие атома водорода при C=O объясняет особую способность альдегидов легко окисляться.

Альдегиды — органические соединения, содержащие альдегидную группу. Для предельных ациклических альдегидов используют общую формулу CₙH₂ₙO, а в сокращённом виде — R–CHO. Запись показывает, что группа –CHO связана с углеводородной цепью и завершает её.

Кетоны — соединения, в которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами: R–CO–R′. Для предельных ациклических кетонов общая формула также CₙH₂ₙO, но первый представитель появляется только при трёх атомах углерода. Поэтому формула пропанона — CH₃COCH₃.

Как это устроено

В связи C=O электронная плотность смещена к кислороду, поэтому молекула имеет полярную карбонильную группу. У атома углерода возникает частичный положительный заряд, и он может взаимодействовать с частицами, богатыми электронами. Полярность повышает температуры кипения по сравнению с неполярными углеводородами сходной массы и делает возможными реакции присоединения.

Альдегидная группа находится на конце цепи, потому что её углерод уже связан с кислородом двойной связью и водородом. Для ещё одной связи остаётся только одно место — соединение с углеродом цепи. В кетоне водород заменён вторым углеводородным радикалом, поэтому группа C=O оказывается между двумя частями цепи; в формуле это записывают R–CO–R′.

Названия альдегидов образуют от названия соответствующего углеводорода с суффиксом «-аль»: CH₃CHO — этаналь, CH₃CH₂CHO — пропаналь. У альдегидной группы номер обычно не указывают, поскольку её углерод всегда имеет номер 1. Для кетонов используют суффикс «-он» и обязательно указывают положение карбонильной группы, например бутан-2-он.

При окислении или дегидрировании первичного спирта отщепляются два атома водорода от группы –CH₂OH, поэтому образуется альдегид R–CHO. Вторичный спирт теряет водород у гидроксильной группы и у соседнего углерода, превращаясь в кетон R–CO–R′. Дальнейшее окисление альдегида разрывает связь с водородом при карбонильном углероде и приводит к карбоновой кислоте.

Водород присоединяется по двойной связи C=O, и карбонильный углерод получает дополнительный атом водорода. Альдегид превращается в первичный спирт, а кетон — во вторичный. Альдегиды также легко окисляются: в реакции «серебряного зеркала» ионы серебра восстанавливаются до металлического серебра, а сама альдегидная группа — до карбоксильной.

Сравнение альдегидов и кетонов

Таблица помогает сопоставить вещества по строению, способам получения и реакционной способности. При решении задачи сначала найдите положение группы C=O, затем проверьте формулу, название и типичные реакции.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Определите, к какому классу относится соединение CH₃CHO, назовите его и укажите функциональную группу.

1. В формуле выделяем фрагмент CHO: углерод соединён с кислородом двойной связью и с водородом.
2. Группа –CHO является альдегидной, поэтому соединение относится к альдегидам.
3. В молекуле два атома углерода, значит, название углеводородной основы «этан», а суффикс альдегида — «-аль».

Ответ: CH₃CHO — этаналь, альдегид; функциональная группа — альдегидная –CHO, содержащая карбонильную связь C=O.

Задача 2

Условие: Составьте структурную формулу бутанона и укажите, почему карбонильная группа не может находиться у крайнего атома углерода в кетоне.

1. Основа «бутан» содержит четыре атома углерода.
2. В кетоне C=O должна быть связана с двумя углеводородными частями, поэтому ставим её между первым и четвёртым атомами, например у второго атома.
3. Получаем формулу CH₃–CO–CH₂–CH₃ и название бутан-2-он. При положении у крайнего атома получилась бы группа –CHO, то есть альдегид, а не кетон.

Ответ: структурная формула бутанона — CH₃–CO–CH₂–CH₃. Крайнее положение невозможно, потому что карбонильный углерод тогда был бы связан с водородом и образовал альдегидную группу.

Задача 3

Условие: Запишите уравнения превращений этанола в этаналь и этаналя в этановую кислоту; укажите тип каждого превращения и реактив для распознавания этаналя.

1. Этанол является первичным спиртом, поэтому при окислении образует этаналь: CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O, t°.
2. Этаналь при дальнейшем окислении превращается в этановую кислоту: 2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH.
3. Оба превращения являются окислением, но продуктами становятся соответственно альдегид и карбоновая кислота. Для этаналя можно использовать аммиачный раствор оксида серебра: появится «серебряное зеркало».

Ответ: уравнения приведены выше; первое окисление даёт этаналь, второе — этановую кислоту. Реактив для обнаружения этаналя — аммиачный раствор Ag₂O, или реактив Толленса.

Типичные ошибки

Нельзя называть кетоном любое вещество с C=O. У альдегида карбонильная связь тоже есть, но она входит в –CHO и находится на конце цепи; проверяйте, связан ли карбонильный углерод с водородом.

Ошибочно помещать альдегидную группу в середину цепи. У её углерода уже заняты связи с O и H, поэтому остаётся только одна связь с углеродом; нарисуйте все связи и проверьте валентность.

Первичный и вторичный спирты дают разные продукты, потому что у них различно окружён углерод с гидроксильной группой. Запомните пару: первичный спирт — альдегид, вторичный спирт — кетон.

Альдегиды и кетоны нельзя считать одинаково устойчивыми к окислению. Альдегид легко превращается в карбоновую кислоту, а кетон в обычных условиях не окисляется; сопоставляйте вещество с качественной реакцией на –CHO.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении органических молекул, углеводородных радикалах, функциональных группах и составлении структурных формул. Альдегиды и кетоны получают из спиртов, поэтому важно понимать окисление и дегидрирование первичных и вторичных спиртов. Далее эти сведения понадобятся при изучении карбоновых кислот, превращений органических веществ и качественного анализа функциональных групп.

Что запомнить

• Карбонильная группа имеет строение C=O.
• Альдегидная группа –CHO расположена на конце цепи.
• В кетонах группа C=O связана с двумя углеводородными радикалами.
• При окислении первичных спиртов образуются альдегиды, вторичных — кетоны.
• Альдегиды окисляются до карбоновых кислот.
• Присоединение водорода к карбонильным соединениям приводит к образованию спиртов.
• Для распознавания альдегидов используют качественные реакции на группу –CHO.