19.3. Гидроксикетоны и гидроксиальдегиды

Определения и обозначения

Гидроксиальдегид — соединение, в молекуле которого есть гидроксильная группа –OH и альдегидная группа –CHO. Например, в HO–CH₂–CHO эти группы находятся в одной молекуле. Такое определение помогает сразу предсказать сочетание свойств спиртов и альдегидов.

Гидроксикетон содержит гидроксильную группу –OH и карбонильную группу кетона >C=O. Примером служит гидроксиацетон CH₃–CO–CH₂OH. Понятие нужно, чтобы отличать вещества с кетонной группой от похожих гидроксиальдегидов.

Гликолевый альдегид — простейший гидроксиальдегид состава HO–CH₂–CHO. Фрагмент HO–CH₂– показывает наличие спиртовой группы, а –CHO на конце цепи — альдегидную. По этой формуле удобно учиться распознавать обе функциональные группы одновременно.

Гидроксиацетон — простейший гидроксикетон CH₃–CO–CH₂OH. Его карбонильная группа находится не на конце цепи, а между фрагментами CH₃– и –CH₂OH. Поэтому она является кетонной, хотя молекула также содержит гидроксильную группу.

Как это устроено

Гидроксиальдегиды и гидроксикетоны относят к кислородсодержащим соединениям с несколькими функциональными группами. Функциональная группа — атом или группа атомов, определяющая характерные химические свойства вещества. Поэтому наличие –OH добавляет реакции спиртов, но не скрывает особенности альдегидной или кетонной группы.

Гидроксильная группа появляется, когда атом водорода в углеводородном остатке замещается на –OH. Если в той же молекуле сохраняется альдегидная или кетонная группа, вещество проявляет свойства обоих классов. Альдегид располагается на конце цепи, поскольку его углерод связан с кислородом двойной связью, водородом и только одним углеродным остатком.

Кетонная карбонильная группа находится внутри углеродной цепи, потому что её углерод соединён с двумя углеродными остатками. В названиях это положение выражают номером карбонильного атома, а –OH обозначают приставкой «гидрокси-». Такой порядок связан с приоритетом: альдегидная и кетонная группы выбираются как главные, а гидроксильная указывается дополнительно.

Реакции этих соединений определяются каждой функциональной группой отдельно и их взаимным влиянием. По –OH возможны реакции спиртов, например взаимодействие с активными металлами или образование сложных эфиров. Альдегидная группа легко окисляется до карбоксильной, поэтому гидроксиальдегиды дают качественные реакции альдегидов, тогда как кетонная группа в мягких условиях обычно не окисляется.

Сравнение гидроксиальдегидов и гидроксикетонов

Сначала по таблице определите обе функциональные группы, а затем проверьте положение карбонильной группы. Для предсказания реакции отдельно учитывайте свойства –OH и свойства альдегидного или кетонного фрагмента. Такое сравнение помогает не спутать близкие по составу вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определение класса

Нужно определить класс соединения HO–CH₂–CHO, назвать его и указать функциональные группы. В формуле присутствуют два разных фрагмента, поэтому нельзя ограничиваться только распознаванием –OH. Решение начинаем с анализа конца углеродной цепи.

1. Фрагмент –CHO расположен на конце цепи, значит, это альдегидная группа.
2. Фрагмент HO– присоединён к углеродному остатку и является гидроксильной группой.
3. Сочетание –OH и –CHO указывает на гидроксиальдегид, а название HO–CH₂–CHO — гликолевый альдегид.

Ответ: HO–CH₂–CHO — гидроксиальдегид, гликолевый альдегид. В его молекуле есть гидроксильная группа –OH и альдегидная группа –CHO. Поэтому он проявляет свойства спиртов и альдегидов.

Задача 2. Составление структурных формул

Требуется записать формулы 2-гидроксипропаналя и 1-гидроксипропан-2-она. Сначала выбираем трёхуглеродную цепь и определяем главную группу. Затем расставляем заместитель –OH по указанным номерам.

1. В пропанале атом альдегидной группы получает номер 1, поэтому при углероде 2 размещаем –OH: CHO–CH(OH)–CH₃.
2. В пропан-2-оне карбонильная группа стоит у второго атома, а –OH у первого: HO–CH₂–CO–CH₃.
3. Проверяем валентность: каждый углерод должен образовать четыре связи, а карбонильный атом — двойную связь с кислородом.

Ответ: 2-гидроксипропаналь — CHO–CH(OH)–CH₃. 1-гидроксипропан-2-он — HO–CH₂–CO–CH₃. В первом соединении карбонил альдегидный, во втором — кетонный.

Задача 3. Окисление и качественная реакция

Нужно предсказать продукты мягкого окисления гликолевого альдегида и гидроксиацетона. Для этого сравниваем не всю молекулу целиком, а именно тип карбонильной группы. Также требуется выбрать реакцию, которая различит эти вещества.

1. В гликолевом альдегиде фрагмент –CHO окисляется до –COOH: HO–CH₂–CHO → HO–CH₂–COOH.
2. В гидроксиацетоне кетонная группа в мягких условиях обычно не окисляется, поэтому заметного изменения не ожидается.
3. Проводим реакцию серебряного зеркала: гликолевый альдегид даёт положительный результат, а гидроксиацетон — нет.

Ответ: гликолевый альдегид превращается в гидроксиуксусную кислоту HO–CH₂–COOH, а гидроксиацетон обычно не реагирует с мягким окислителем. Для различения используют реакцию серебряного зеркала. Положительный результат указывает на альдегидную группу.

Типичные ошибки

Ошибка: считать гидроксиальдегид или гидроксикетон обычным спиртом. Так происходит, если ученик замечает только –OH и не анализирует остальную формулу. Проверьте себя: найдите карбонильный фрагмент и определите, альдегидный он или кетонный.

Ошибка: путать –CHO и >C=O. Альдегидная группа содержит связь карбонильного углерода с водородом и находится на конце цепи, а кетонная соединена с двумя углеродами. Для проверки мысленно раскройте запись >C=O и посмотрите на соседние атомы.

Ошибка: считать –OH главной группой при составлении названия. При наличии альдегидной или кетонной группы гидроксильную обычно обозначают приставкой «гидрокси-». Проверьте название по суффиксу: он должен отражать главную карбонильную функцию.

Ошибка: ожидать от гидроксикетона реакции серебряного зеркала. Такую реакцию связывают с карбонильной группой вообще, хотя в мягких условиях она характерна именно для альдегидов. Сверьте тип группы: у кетона карбонильный углерод связан с двумя углеродными остатками.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении и номенклатуре спиртов, альдегидов и кетонов. Особенно важно уметь распознавать –OH, –CHO и >C=O в структурных формулах. Эти навыки помогают правильно выбирать главную функциональную группу.

Гидроксиальдегиды и гидроксикетоны связаны с изучением углеводов. Многие моносахариды содержат несколько гидроксильных групп и одну альдегидную либо кетонную группу. Поэтому строение гликолевого альдегида и гидроксиацетона служит основой для понимания более сложных молекул.

Реакции карбонильной и гидроксильной групп помогают объяснять превращения органических веществ. Окисление альдегидов используется в качественном анализе, а свойства –OH позволяют проводить реакции, характерные для спиртов. Совместное действие групп определяет поведение многофункциональных соединений.

Что запомнить

• Гидроксиальдегиды содержат группы –OH и –CHO.
• Гидроксикетоны содержат группы –OH и >C=O.
• Альдегидная группа расположена на конце углеродной цепи.
• Кетонная карбонильная группа находится внутри углеродной цепи.
• Для гидроксиальдегидов характерны реакции альдегидной группы, в том числе окисление.
• В свойствах гидроксикетонов проявляются реакции и группы –OH, и кетонной карбонильной группы.