Среди кислородсодержащих органических соединений огромное значение имеют целых два класса веществ, которые всегда изучают вместе за схожесть в строении и проявляемых свойствах. Это альдегиды и кетоны. Именно эти молекулы лежат в основе многих химических синтезов, а их строение достаточно интересное, чтобы стать предметом изучения. Рассмотрим подробнее, что же представляют собой эти классы соединений.

Альдегиды и кетоны: общая характеристика

С точки зрения химии, к классу альдегидов следует относить органические молекулы, содержащие кислород в составе функциональной группы -СОН, называемой карбонильной. Общая формула в этом случае будет выглядеть так: R-COH. По своей природе это могут быть как предельные, так и непредельные соединения. Также среди них встречаются и ароматические представители, наравне с алифатическими. Количество атомов углерода в радикальной цепи варьируется в достаточно широких пределах, от одного (формальдегид или метаналь) до нескольких десятков.

Кетоны также содержат карбонильную группу -СО, однако соединена она не с катионом водорода, а с другим радикалом, отличным или идентичным тому, что входит в цепь. Общая формула выглядит так: R-CO-R , . Очевидно, что альдегиды и кетоны схожи по наличию функциональной группы такого состава.

Кетоны также могут быть предельными и непредельными, да и проявляемые свойства сходны с близкородственным классом. Можно привести несколько примеров, иллюстрирующих состав молекул и отражающих принятые обозначения формул рассматриваемых веществ.

1. Альдегиды: метаналь - НСОН, бутаналь - СН 3 -СН 2 -СН 2 -СОН, фенилуксусный - С 6 Н 5 -СН 2 -СОН.
2. Кетоны: ацетон или диметилкетон - СН 3 -СО-СН 3 , метилэтилкетон - СН 3 -СО-С 2 Н 5 и другие.

Очевидно, что название данных соединений образуется двумя путями:

• по рациональной номенклатуре согласно входящим в состав радикалам и классового суффикса -аль (для альдегидов) и -он (для кетонов);
• тривиально, исторически сложившееся.

Если привести общую формулу для обоих классов веществ, то станет видно, что они являются изомерами друг другу: C n H 2n O. Для них же самих характерны следующие виды изомерии:

Чтобы различать между собой представителей обоих классов, используют качественные реакции, большинство из которых позволяют выявить именно альдегид. Так как химическая активность данных веществ несколько выше, благодаря наличию катиона водорода.

Строение молекулы

Рассмотрим, как же в пространстве выглядят альдегиды и кетоны. Строение их молекул можно отразить несколькими пунктами.

1. Атом углерода, непосредственно входящий в функциональную группу, имеет sp 2 - гибридизацию, что позволяет части молекулы иметь плоскую пространственную форму.
2. При этом полярность связи С=О сильна. Как более электроотрицательный, кислород забирает себе основную часть плотности, концентрируя на себе частично отрицательный заряд.
3. В альдегидах связь О-Н является также сильно поляризованной, что делает атом водорода подвижным.

В результате получается, что подобное строение молекул позволяет рассматриваемым соединениям и окисляться, и восстанавливаться. Формула альдегида и кетона с перераспределенной электронной плотностью позволяет предсказать продукты реакций, в которых участвуют данные вещества.

История открытия и изучения

Как и многие органические соединения, выделить и изучить альдегиды и кетоны людям удалось лишь в XIX веке, когда виталистические взгляды полностью рухнули и стало понятно, что эти соединения могут образовываться синтетическим, искусственным путем, без участия живых существ.

Однако еще в 1661 году Р. Бойль сумел получить ацетон (диметилкетон), когда подвергал нагреванию ацетат кальция. Но подробно изучить это вещество и назвать его, определить систематическое положение среди других, он не смог. Лишь в 1852 году Уильямсон сумел довести это дело до конца, тогда и началась история подробного развития и накопления знаний о карбонильных соединениях.

Физические свойства

Рассмотрим, каковы физические свойства альдегидов и кетонов. Начнем с первых.

1. Первый представитель метаналь по агрегатному состоянию - газ, следующие одиннадцать - жидкости, свыше 12 атомов углерода входят в состав твердых альдегидов нормального строения.
2. Температура кипения: зависит от числа атомов С, чем их больше, тем она выше. При этом чем более разветвлена цепочка, тем ниже опускается значение температуры.
3. Для жидких альдегидов показатели вязкости, плотности, преломления зависят также от числа атомов. Чем их больше, тем они выше.
4. Газообразный и жидкие альдегиды растворяются в воде очень хорошо, однако твердые практически не могут этого делать.
5. Запах представителей очень приятный, часто это ароматы цветов, духов, фруктов. Лишь те альдегиды, в которых количество атомов углерода равно 1-5, являются сильно и неприятно пахнущими жидкостями.

Если обозначать свойства кетонов, то также можно выделить главные.

1. Агрегатные состояния: низшие представители - жидкости, более массивные - твердые соединения.
2. Запах резкий, неприятный у всех представителей.
3. Растворимость в воде хорошая у низших, в органических растворителях отличная у всех.
4. Летучие вещества, данный показатель превышает таковой у кислот, спиртов.
5. Температура кипения и плавления зависит от строения молекулы, сильно варьируется от количества атомов углерода в цепи.

Это основные свойства рассматриваемых соединений, которые относятся к группе физических.

Химические свойства

Самое важное, это с чем реагируют альдегиды и кетоны, химические свойства данных соединений. Поэтому их мы рассмотрим обязательно. Сначала разберемся с альдегидами.

1. Окисление до соответствующих карбоновых кислот. Общий вид уравнения реакции: R-COH + [O] = R-COOH. Ароматические представители еще легче вступают в подобные взаимодействия, также они способны формировать в результате сложные эфиры, имеющие важное промышленное значение. В качестве окислителей используют: кислород, реактив Толленса, гидроксид меди (II) и другие.
2. Альдегиды проявляют себя как сильные восстановители, при этом превращаясь в предельные одноатомные спирты.
3. Взаимодействие со спиртами с образованием продуктов ацеталей и полуацеталей.
4. Особые реакции - поликонденсации. В результате образуются фенолформальдегидные смолы, имеющие значение для химической промышленности.
5. Несколько специфических реакций со следующими реактивами:

• водно-спиртовая щелочь;
• реактив Гриньяра;
• гидросульфиты и прочие.

Качественной реакцией на данный класс веществ является реакция "серебряного зеркала". В результате нее образуется металлическое восстановленное серебро и соответствующая карбоновая кислота. Для нее необходим аммиачный раствор оксида серебра или реактив Толлинса.

Химические свойства кетонов

Спирты, альдегиды, кетоны являются схожими по проявляемым свойствам соединениями, так как все они кислородсодержащие. Однако уже на стадии окисления становится ясно, что спирты - самые активные и легко поддающиеся воздействию соединения. Кетоны же окислить труднее всего.

1. Окислительные свойства. В результате образуются вторичные спирты.
2. Гидрирование также приводит к упомянутым выше продуктам.
3. Кето-енольная таутомерия - особое специфическое свойство кетонов принимать бета-форму.
4. Реакции альдольной конденсации с образование бета-кетоспиртов.
5. Также кетоны способны взаимодействовать с:

• аммиаком;
• синильной кислотой;
• гидросульфитами;
• гидразином;
• ортокремниевой кислотой.

Очевидно, что реакции таких взаимодействий очень сложны, особенно те, которые являются специфическими. Это все основные особенности, которые проявляют альдегиды и кетоны. Химические свойства лежат в основе многих синтезов важных соединений. Поэтому знать природу молекул и их характер при взаимодействиях крайне необходимо в промышленных процессах.

Реакции присоединения альдегидов и кетонов

Мы уже рассмотрели данные реакции, однако не давали им такого названия. К присоединению можно отнести все взаимодействия, в результате которых активность проявила карбонильная группа. А точнее, подвижный атом водорода. Именно поэтому в данном вопросе преимущество отдается именно альдегидам, вследствие их лучшей реакционноспособности.

С какими веществами возможны реакции альдегидов и кетонов по нуклеофильному замещению? Это:

1. Синильная кислота, образуются циангидрины - исходное сырье при синтезе аминокислот.
2. Аммиак, амины.
3. Спирты.
4. Воду.
5. Гидросульфат натрия.
6. Реактив Гриньяра.
7. Тиолы и другие.

Эти реакции имеют важное промышленное значение, поскольку продукты используются в разных областях жизнедеятельности людей.

Способы получения

Существует несколько основных методов, которыми синтезируют альдегиды и кетоны. Получение в лаборатории и промышленности можно выразить в следующих способах.

1. Самым распространенным методом, в том числе и в лабораториях, является окисление соответствующих спиртов: первичных до альдегидов, вторичных до представителей кетонов. В качестве окислительного агента могут выступать: хроматы, ионы меди, перманганат калия. Общий вид реакции: R-OH + Cu (KMnO 4) = R-COH.
2. В промышленности часто используют способ, основанный на окислении алкенов - оксосинтез. Основной агент синтез-газ, смесь СО 2 + Н 2 . Результатом становится альдегид с большим на один углерод числом атомов в цепи. R=R-R + СО 2 + Н 2 = R-R-R-COH.
3. Окисление алкенов озоном - озонолиз. Результат также предполагает альдегид, но кроме этого еще и кетон в смеси. Если продукты мысленно соединить, убрав кислород, станет ясно, какой исходный алкен был взят.
4. Реакция Кучерова - гидратация алкинов. Обязательный агент - соли ртути. Один из промышленных способов синтеза альдегидов и кетонов. R≡R-R + Hg 2+ + H 2 O = R-R-COH.
5. Гидролиз дигалогенпроизводных углеводородов.
6. Восстановление: карбоновых кислот, амидов, нитрилов, хлорангидридов, сложных эфиров. В результате образуется как альдегид, так и кетон.
7. Пиролиз смесей карбоновых кислот над катализаторами в виде оксидов металлов. Смесь должна быть парообразной. Суть заключается в отщеплении между молекулами диоксида углерода и воды. В результате образуется альдегид или кетон.

Ароматические альдегиды и кетоны получают иными способами, так как данные соединения имеют ароматический радикал (фенил, например).

1. По Фриделю-Крафтсу: в исходных реагентах ароматический углеводород и дигалогензамещенный кетон. Катализатор - ALCL 3 . В результате образуется ароматический альдегид или кетон. Другое название процесса - ацилирование.
2. Окисление толуола действием разных агентов.
3. Восстановлением ароматических карбоновых кислот.

Естественно, что в промышленности стараются использовать те методы, в которых исходное сырье как можно более дешевое, а катализаторы менее токсичные. Для синтеза альдегидов - это окисление алкенов кислородом.

Применение в промышленности и значение

Применение альдегидов и кетонов осуществляется в таких отраслях промышленности, как:

• фармацевтика;
• химический синтез;
• медицина;
• парфюмерная область;
• пищевая промышленность;
• лакокрасочное производство;
• синтез пластмасс, тканей и прочее.

Можно обозначить еще не одну область, ведь ежегодно только формальдегида синтезируется приблизительно 6 млн т в год! Его 40% раствор именуется формалином и используется для хранения анатомических объектов. Он же идет на изготовление лекарственных препаратов, антисептиков и полимеров.

Уксусный альдегид, или этаналь, также массово производимый продукт. Количество ежегодного потребления в мире составляет около 4 млн т. Он - основа многих химических синтезов, при которых образуются важные продукты. Например:

• уксусная кислота и ее ангидрид;
• ацетат целлюлозы;
• лекарства;
• бутадиен - основа каучука;
• ацетатное волокно.

Ароматические альдегиды и кетоны - это составная часть многих ароматизаторов, как пищевых, так и парфюмерных. Большинство из них имеют очень приятные цветочные, цитрусовые, травяные ароматы. Это позволяет изготовлять на их основе:

• освежители воздуха различного рода;
• туалетные и парфюмерные воды;
• различные чистящие и моющие средства.

Некоторые из них являются ароматическими добавками к пище, разрешенными к употреблению. Их природное содержание в эфирных маслах, фруктах и смолах доказывают возможность подобного использования.

Отдельные представители

Такой альдегид, как цитраль, представляет собой жидкость с большой вязкостью и сильным ароматом лимона. В природе содержится как раз в эфирных маслах последнего. Также в составе эвкалипта, сорго, кебаба.

Хорошо известны области его применения:

• педиатрия - понижение внутричерепного давления;
• нормализация артериального давления у взрослых;
• компонент лекарства для органов зрения;
• составная часть многих душистых веществ;
• противовоспалительное средство и антисептик;
• сырье для синтеза ретинола;
• ароматизатор в пищевых целях.

Введение

Это единения, содержащие карбонильную группу = С = О. У альдегидов карбонил связан радикалом и водородом. Общая формула альдегидов:

У кетонов карбонил связан с двумя радикалами. Общая формула кетонов:

Альдегиды являются более активными, чем кетоны (у кетонов карбонил как бы блокирован радикалами с обеих сторон).

Кла сс ификация

1.по углеводородному радикалу (предельные, непредельные, ароматические, циклические).

2.по числу карбонильных групп (одна, две и тд.)

Изомерия и номенклатура

Изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродного скелета. У кетонов помимо изомерии углеродного скелета наблюдается изомерия положения карбонильной группы. По тривиальной номенклатуре альдегиды называют соответственно карбоновым кислотам, в которые они переходят при окислении. По научной номенклатуре названия альдегидов складываются из названий соответствующих углеводородов с добавлением окончания аль. Атом углерода альдегидной группы определяет начало нумерации. По эмпирической номенклатуре кетон называют по радикалам, связанным с карбоксилом с добавлением слова кетон. По научной номенклатуре названия кетонов складываются из названий соответствующих углеводородов с добавлением окончания ОН, в конце ставят номер углеродного атома, при котором стоит карбонил. Нумерацию начинают от ближайшего к кетонной группе конца цепи.

Представители предельных альдегидов. CnH2n+1C=O

Представители предельных кетонов

Способы получения

1) Путем окисления спиртов. Из первичных спиртов получаются альдегиды, из вторичных кетоны. Окисление спиртов происходит при действии сильных окислителей (хромовая смесь) при небольшом нагревании. В промышленности в качестве окисления используют кислород воздуха в присутствии катализатора - меди (Cu) при t0= 300-5000С

СН3 - СН2 - СН2 - ОН + О К2Cr2O7 CH3 - CH2 - C =O + HOH

пропанол -1 H

пропаналь

СН3 - СН - СН3 + О К2Cr2O7 СН3 - С - СН3

пропанол -2 пропанон

2) Термическое разложение кальциевых солей карбоновых кислот, причем, если взть соль муравьиной кислоты, то образуются альдегиды, а если других кислот, то кетоны.

О уксусный альдегид

О - Са прокаливание СаСО3 + СН3 - С = О

СН3 -С - О СН3

Это лабораторные способы получения.

3) По реакции Кучерова (из алкинов и воды, катализатор - соли ртути в кислой среде). Из ацетилена образуются альдегиды, из любых других алкинов - кетоны.

СН = СН + НОН СН2 = СН - ОН СН3 - С = О

ацетилен виниловый СН3

спирт уксусный альдегид

СН3 - С = СН + НОН СН3 - С = СН2 СН3 - С = О

пропин ОН СН3

пропенол - 2 ацетон

4) Оксосинтез. Это прямое взаимодействие алкенов с водным газом (СО+Н2) в присутствии кобальтового или никелевого катализаторов под давлением 100- 200 атмосфер при t0 = 100-2000С. По этому способу получают альдегиды

СН3 - СН2 - СН2 - С = О

бутаналь Н

СН3 - СН = СН2 + СО + Н2

СН3 - СН - С = О

2-метилпропаналь

5) Гидролиз дигалогенпроизводных. Если оба галогена находятся при первичном углеродном атоме, то образуется альдегид, если при вторичном - кетон.

СН3 - СН2 - С - CL2 + HOH 2HCL + CH3 - CH2 - C = O

1,1-дихлорпропен пропеналь

СН3 - С - CH3 + HOH 2HCL + CH3 - C = O

2,2-дихлорпропан пропанон

Муравьиный альдегид - газ, другие низшие альдегиды и кетоны - жидкости, легко растворимые в воде; альдегиды обладают удушливым запахом, который при сильном разведении становится приятным(цветочным или фруктовым). Кетоны пахнут довольно приятно. Следовательно карбонил = С =О носитель запаха, поэтому альдегиды и кетоны применяются в парфюмерной промышленности. температура кипения альдегидов и кетонов возрастает по мере увеличения молекулярного веса.

Природа карбонильной группы

Большинство реакций альдегидов и кетонов обусловлено присутствием карбонильной группы. рассмотрим природу карбонила = С =О. например,

1.углерод с кислородом в карбониле связаны двойной связью: одна сигма - связь, другая пи - связь. За счет разрыва П- связи у альдегидов и кетонов идут реакции присоединения (нуклеофильного типа):

R - C = O R - C - O:

Кислород является более электроотрицательным элементом, чем углерод, и поэтому электронная плотность у атома кислорода больше, чем у атома углерода. При реакциях присоединения к углероду будет присоединяться нуклеофильная часть реагента, к кислороду - электрофильная часть.

2.приреакциях замещения может замещаться кислород карбонила. При этом происходит разрыв двойной связи между С и О

3.карбонил влияет на связи С - Н в радикале, ослабляя их, особенно в альфа-положении, то есть рядом с карбонильной группой.

Н - ?С -? С - ?С - С = О

При действии свободных галогенов будет замещаться водород в углеродном радикале при альфа- углеродном атоме.

СН3 - СН2 - СН2 - С = О + СL2 CH3 - CH2 - CH - C = O + HCL

Хлормасляный альдегид

Химические свойства

Из всех классов органических соединений альдегиды и кетоны самые реакционноспособные. Причем в химическом отношении альдегиды более активны, чем кетоны. Для них характерны следующие реакции: окисления, присоединения, замещения, полимеризации, конденсации. Для кетонов не характерны реакции полимеризации.

Реакции окисления

Альдегиды окисляются легко, даже слабыми окислителями HBrO, OH, раствор Фелинга. При окислении альдегидов образуются карбоновые кислоты.

СН3 - С = О + О СН3 - С = О - уксусная кислота

Если окислителем является OH , то выделяется свободное серебро (реакция «серебряного зеркала» - это качественная реакция на альдегиды).

СН3 - С = О + 2OH СН3 - С = О + 2 Ag + 4 NH3 + Н2О

Окисление кетонов происходит гораздо труднее и только сильными окислителями. Продуктами окисления являются карбоновые кислоты. При окислении кетона образуется спиртокетон, затем дикетон, который, разрываясь, образует кислоты.

СН3 - СН2 - С - СН2 - СН3 + О СН3 - СН - С - СН2 - СН -Н2О+О СН3 - С - С - СН2 - СН3 +О +Н2О

О ОН О О О

диэтилкетон спиртокетон дикетон

СН3 - С = О + О = С - СН2 - СН3

уксусная к-та пропионовая к-та

В случае смешанного кетона окисление протекает по правилу Попова - Вагнера, то есть главное направление реакции - окисление соседнего с карбонилом наименее гидрированного атома углерода. Но помимо с главным направлением будет и побочное направление реакции, то есть окислится углеродный атом с другой стороны карбонила. При этом образуется смесь различных карбоновых кислот.

СН3 - С - СН - СН3 - спиртокетон +О - Н2О

СН3 - С - СН2 - СН3 ОН О

О СН2 - С - СН2 - СН3 + О - Н2О

Бутанон-2 спиртокетон

СН3 - С - С - СН3 +О +Н2О 2 СН3 - С = О

дикетон уксусная кислота

СН-С - СН2 - СН3 + О +Н2О НС = О + СН3 - СН2 - С = О

дикетон муравьиная к-та пропионовая к-та

Реакции присоединения

Протекают за счет разрыва пи-связи в карбониле. Эти реакции нуклеофильного присоединения, то есть сначала к положительно заряженному углероду карбонила присоединяется нуклеофильная часть реагента со свободной электронной парой (протекает медленно):

С+ = О - + :Х - = С - О -

Вторая стадия - присоединение протона или другого катиона к образовавшемуся аниону (протекает быстро):

С - О - + Н + = С - ОН

1.Присоединение водорода.

При этом из альдегидов получаются первичные спирты, из кетонов - вторичные. Реакция протекает в присутствии катализаторов Ni, Pt и др.

СН3 - С = О + Н + : Н - СН3 - С - Н

уксусный альдегид этанол

СН3 - С - СН3 + Н+ : Н - СН3 - СН - СН3

пропанон пропанол -2

2.Присоединение бисульфата натрия (гидросульфата):

R - C = O + HSO3Na R - C - SO3Na

При этом образуются бисульфитные производные. Эту реакцию используют для очистки альдегидов и кетонов и выделения их из примесей.

3.Присоединение синильной кислоты. При этом образуются?- оксинитрилы, которые являются промежуточными продуктами синтеза оксикислот, аминокислот:

R - C = O + HCN R - C - C =N

Оксинитрил

4. Присоединение аммиака NH3. При этом образуются оксиамины.

R - C = O + H - NH2 CH3 - CH - NH2

Оксиамин

5. Присоединение магнийгалогенорганических соединений (реактив Гриньяра). Реакцию используют для получения спиртов.

6.Присоединение спиртов (безводных). При этом первоначально образуются полуацетали (как обычная реакция присоединения). Затем при нагревании с избытком спирта образуются ацетали (как простые эфиры).

R - C = O + СН3 - ОН R - CН - О - СН3 +СН3ОН R - CН - О - СН3

H ОН О - СН3

полуацеталь ацеталь

В природе очень много соединений полуацетального и ацетального характера, особенно среди углеводов (сахаров).

Реакции замещения

Кислород карбонильных групп может замещаться на галогены и некоторые азотсодержащие соединения.

1.Замещение галогенами. Происходит при действии на альдегиды и кетоны фосфорных соединений галогенов PCL3 и PCL5. При действии же свободными галогенами замещается водород в углеводородном радикале при?-углеродном атоме.

PCL5 CH3 - CH2 - CH -CL2 + POCL3

СН3 - СН2 - С = О 1,1-дихлорпопин (фосфора хлорокись)

Н +CL2 CH3 - CH - CH = O + HCL

пропаналь CL

Монохлорпропионовый альдегид

2.Реакция с гидроксиамином NH2OH. При этом образуются окислы альдегидов (альдоксилы) и кетонов (кетоксины).

СН3 - СН = О + Н2N - OH CH3 - CH - N - OH + H2O

уксусный альдегид оксиэтаналь

Эту реакцию применяют для количественного определения карбоксильных соединений.

3.Реакция с гидразином NH2 - NH2 . Продуктами реакции являются гидразины (когда реагирует одна молекула альдегида или кетона) и азины (когда реагируют две молекулы).

СН3 - СН = О + NH2 - NH2 СН3 - СН = N - NH2

этаналь гидразин гидразин этаналь

СН3 - СН = N - NH2 + О = СН - СН3 СН3 - СН =N - N = НС - СН3

азин этаналь (альдазин)

4.Реакции с фенилгидразином. С6Н5 - NH - NH2 . Продуктами реакции являются фенилгидразины.

СН3 - СН = О + Н2N - NH - C6H5 CH3 - CH = N - NH - C6H5

Фенилгидразонэтаналь

Окислы, гидразины, азины, фенилгидразины - твердые кристаллические вещества с характерными температурами плавления, по которым определяют природу (строение) карбонильного соединения.

Реакции полимеризации

Характерны только для альдегидов. Но и то, только газообразные и летучие альдегиды (муравьиный, уксусный) подвергаются полимеризации. Это очень удобно при хранении этих альдегидов. муравьиный альдегид полимеризуется в присутствии серной кислоты или соляной, при нормальной температуре. Коэффициент полимеризации n=10-50. Продукт полимеризации - твердое вещество, называется - полиоксиметилен (формалин).

Н - С = О - С - О - С - О - ...- С - … - С - О -

Н Н Н Н Н n

Полиоксиметилен

Это твердое вещество, но его можно превратить в муравьиный альдегид, разбавляя водой и слегка подогревая.

Уксусный альдегид под влиянием кислот образует жидкий циклический триммер- паральдозу и твердый тетрамер - метальдозу («сухой спирт»).

3 СН3 - СН = О О

СН3 - НС СН - СН3

паральдегид

4 СН3 - СН = О СН3 - НС О

Метальдегид

Реакции конденсации

1.Альдегиды в слабо основной среде (в присутствии ацетона калия, поташа, сульфата калия) подвергаются альдольной конденсации с образованием альдегидо - спиртов, сокращенно называемых альдолями. Разработана эта реакция химиком А.П. Бородиным (он же композитор). В реакции участвует одна молекула своей карбонильной группой, а другая молекула водородом при?- углеродном атоме.

СН3 - СН = О + НСН2 - СН = О СН3 - СН - СН2 - СН = О

ОН альдоль

(3 - оксибутаналь или?-оксимасляный альдегид)

СН3 - СН - СН2 - СН = О + НСН2 - СН = О СН3 - СН - СН2 - СН - СН2 -СН =О

гексенциол-3,5-аль

С каждым разом увеличивается число групп ОН. Получается альдегидная смола при уплотнении большого числа молекул.

2. Кротоновая конденсация. для альдегидов она является продолжением альдольной конденсации, то есть при нагревании альдоль отщепляет воду с образованием непредельного альдегида.

СН3 - СН - СН2 - СН = О СН3 - СН = СН - С = О

кротоновый альдегид

Рассмотрим эти реакции для кетонов.

СН3 - С = О + НСН2 - С = О СН3 - С - СН2 - С = О СН3 - С = СН - С = О

СН3 СН3 ОН СН3 СН3 СН3 СН3

4 - окси - 4 - метилпентанон-2 4 - метилпентан -3-он-2

3.Сложноэфирная конденсация. Характерна только для альдегидов. Разработана В.Е.Тищенко. протекает в присутствии катализаторов алкоголятов алюминия (CH3 - CH2 - O)3 AL.

CH3 - CH = O + O = HC - CH3 CH3 - СН2 - О - С = О

уксусноэтиловый эфир

1.СН2 = СН - СН =О - пропен-2-аль - акриловый альдегид или акролеин

2.СН3 - СН = СН - СН = О - бутен - 2 - аль - кротоновый альдегид

Акролеин иначе называют чад, он получается при нагревании горении жиров. В химическом отношении непредельные альдегиды обладают всеми свойствами предельных по карбонильной группе, а за счет двойной связи в радикале могут вступать в реакции присоединения.

У этих альдегидов сопряженная система двойных связей, поэтому в химическом отношении они отличаются реакциями присоединения. Присоединение водорода, галогенов, галогенводородов происходит по концам сопряженной системы.

Электронная плотность смещена к кислороду и к нему направляются положительно заряженная часть реагента, а к положительно поляризованному углероду - отрицательная часть реагента.

СН2+ = СН- - СН+= О- + Н+: Br- CH2 - CH = CH - OH CH2 - CH2 - CH = O

3-бромпропаналь

Образующаяся при этом енольная форма альдегида немедленно превращается в более устойчивую карбонильную форму. Таким образом присоединение галогенводородов в радикал идет против правила Марковникова.

Ароматические альдегиды

Представители С6Н5 -СН = О - бензойный альдегид. Это жидкость с запахом горького миндаля, содержится в косточках слив, вишен, диких абрикос и других плодах.

С писок использованной литературы

1) Гранберг И.И. Органическая химия. - М., 2002

2) Ким А.М. Органическая химия. - Новосибирск, 2007

Альдегиды и кетоны относятся к карбонильным органическим соединениям. Карбонильными соединениями называют органические вещества, в молекулах которых имеется группа >С=О (карбонил или оксогруппа).

Общая формула карбонильных соединений:

Функциональная группа –СН=О называется альдегидной. Кетоны - органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу, соединенную с двумя углеводородными радикалами. Общие формулы: R 2 C=O, R–CO–R" или

Номенклатура альдегидов и кетонов.

Систематические названия альдегидов строят по названию соответствующего углеводорода и добавлением суффикса -аль . Нумерацию цепи начинают с карбонильного атома углерода. Тривиальные названия производят от тривиальных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при окислении.

Систематические названия кетонов несложного строения производят от названий радикалов (в порядке увеличения) с добавлением слова кетон . Например: CH 3 –CO–CH 3 - диметилкетон (ацетон); CH 3 CH 2 CH 2 –CO–CH 3 - метилпропилкетон. В более общем случае название кетона строится по названию соответствующего углеводорода и суффикса -он ; нумерацию цепи начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе (заместительная номенклатура ИЮПАК). Примеры: CH 3 –CO–CH 3 - пропанон (ацетон); CH 3 CH 2 CH 2 –CO–CH 3 - пентанон- 2; CH 2 =CH–CH 2 –CO–CH 3 - пентен-4-он- 2.

Изомерия альдегидов и кетонов .

Для альдегидов и кетонов характерна структурная изомерия .

Изомерия альдегидов :

межклассовая изомерия (аналогично альдегидам).

Строение карбонильной группы C=O.

 Свойства альдегидов и кетонов определяются строением карбонильной группы >C=O.

Связь С=О сильно полярна. Ее дипольный момент (2,6-2,8D) значительно выше, чем у связи С–О в спиртах (0,70D). Электроны кратной связи С=О, в особенности более подвижные -электроны, смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда. Карбонильный углерод приобретает частичный положительный заряд.

 Поэтому углерод подвергается атаке нуклеофильными реагентами, а кислород - электрофильными, в том числе Н + .

В молекулах альдегидов и кетонов отсутствуют атомы водорода, способные к образованию водородных связей. Поэтому их температуры кипения ниже, чем у соответствующих спиртов. Метаналь (формальдегид) - газ, альдегиды С 2 –C 5 и кетоны С 3 –С 4 - жидкости, высшие - твердые вещества. Низшие гомологи растворимы в воде, благодаря образованию водородных связей между атомами водорода молекул воды и карбонильными атомами кислорода. С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде падает.

Реакционные центры альдегидов и кетонов

sp 2 -Гибридизованный атом углерода карбонильной группы образует три σ-связи, лежащие в одной плоскости, и π-связь с атомом кислорода за счет негибридизованной p-орбитали. Вследствие различия в электроотрицательности атомов углерода и кислорода π-связь между ними сильно поляризована (рис. 5.1). В результате на атоме углерода карбонильной группы возникает частичный положительный заряд δ+, а на атоме кислорода - частичный отрицательный заряд δ-. Поскольку атом углерода электронодефицитен, он представляет собой центр для нуклеофильной атаки.

Распределение электронной плотности в молекулах альдегидов и кетонов с учетом передачи электронного влияния электроно-

Рис. 5.1. Электронное строение карбонильной группы

дефицитного атома углерода карбонильной группы по σ-связям представлено на схеме 5.1.

Схема 5.1. Реакционные центры в молекуле альдегидов и кетонов

В молекулах альдегидов и кетонов присутствует несколько реакционных центров:

Электрофильный центр - атом углерода карбонильной группы - предопределяет возможность нуклеофильной атаки;

Основный центр - атом кислорода - обусловливает возможность атаки протоном;

СН-кислотный центр, атом водорода которого обладает слабой протонной подвижностью и может, в частности, подвергаться атаке сильным основанием.

В целом альдегиды и кетоны обладают высокой реакционной способностью.

1. Окисление спиртов. Первичные спирты при окислении образуют альдегиды, которые затем легко окисляются до карбоновых кислот:

При окислении вторичных спиртов образуются кетоны:

2. Гидратация алкинов (реакция Кучерова). Присоединение воды к ацетилену в присутствии солей ртути (II) приводит к образованию ацетальдегида:

Кетоны получают при гидратации других гомологов ацетилена:

3. Окисление алкенов (катализаторы - хлориды Pd и Cu):

4. Кумольный способ получения ацетона и фенола (Кружалов, Сергеев, Немцов):

5. Реакция оксосинтеза:

6. Восстановление хлорангидридов карбоновых кислот:

7. Карбонильные соединения являются промежуточными продуктами окисления углеводородов до кислот.

Химические свойства альдегидов и кетонов. Электронная структура карбонильной группы определяет реакционную способность альдегидов и кетонов. Атом углерода карбонильной группы находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Валентный угол между δ- связями 120 0 . Неспаренный р- электрон углерода перекрывается с р- электроном кислорода и образует π- связь, которая располагается перпендикулярно плоскости молекулы альдегида. Электронная плотность π- связи смещена к кислороду. Исходя из этого, типичными реакциями альдегидов и кетонов являются:

─ реакции нуклеофильного замещения (Ad N);

─ реакции окисления;

─ реакции с участием атомов водорода в α- положении в карбонильной группе.

Реакции нуклеофильного присоединения. Реакции нуклеофильного присоединения протекают через стадию образования промежуточного комплекса, который характеризуется изменением типа гибридизации исходного альдегида. Молекула принимает тип гибридизации, который будет в конечных продуктах реакции. Механизм реакции имеет вид:

1. Взаимодействие с синильной кислотой:

Кетоны в реакции Ad N вступают труднее, чем альдегиды. Это связано с пространственными препятствиями алкильных радикалов кетонов при образовании промежуточной структуры.

2. Присоединение гидросульфита натрия:

С гидросульфитом натрия вступают во взаимодействие только метилкетоны.

Реакции карбонильных соединений с гидросульфитом натрия используются для очистки продуктов от карбонильных соединений.

3. Взаимодействие с аммиаком:

Взаимодействие кетонов с аммиаком происходит иначе:

4. Взаимодействие с гидроксиламином. При взаимодействии карбонильных соединений с гидроксиламином образуются оксимы:

Эта реакция используется для количественного определения карбонильных соединений в реакционных смесях, различных продуктах. При этом используется солянокислый гидроксиламин (NH 2 -OH HCl).

5. Взаимодействие альдегидов с гидразином:

Аналогично взаимодействуют кетоны.

6. Взаимодействие с фенилгидрозином:

7. Реакции гидрирования. При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты. При восстановлении кетонов образуются вторичные спирты. При восстановлении кетонов водородом в момент выделения возможно образование пинаконов.

8. Взаимодействие альдегидов со спиртами:

Реакции окисления. Окисление карбонильных соединений протекает в мягких условиях. Альдегиды окисляются до карбоновых кислот. Кетоны окисляются до смеси кислот с разрывом углеводородной цепочки:

Реакции серебряного зеркала:

Реакции с участием α- водородных атомов. В альдегидах и кетонах атомы водорода в α- положении к углероду карбонильной группы очень подвижны и способны диссоциировать по типу кислоты.

Подвижность протонов в α- положении обусловлена акцепторным влиянием кислорода, снижающим электронную плотность на углероде в α- положении.

Структура ІІІ энергетически стабильна, так как стабилизирована резонансом. Структура ІІІ является гибридом двух структур: І и ІІ.

1. Реакция бромирования.

Общая формула кетонов: R 1 -CO-R 2 .

По номенклатуре ИЮПАК, названия кетонов образуют путем присоединения к названию соответствующих углеводородов суффикса "он" или к названию радикалов, связанных с кетогруппой С=О, слова "кетон"; при наличии старшей группы кетогруппу обозначают префиксом "оксо". Например, соединения СН 3 -СН 2 -СО-СН 2 -СН 2 -СН 3 называется 3-гексанон или этилпропилкетон, соединения СН 3 -СО-СН 2 -СН 2 -СООН - 4-оксопентановая кислота. Для некоторых кетонов приняты тривиальные названия.

Среди других карбонильных соединений наличие в кетонах именно двух атомов углерода, непосредственно связанных с карбонильной группой, отличает их от карбоновых кислот и их производных, а также альдегидов.

Особый класс циклических ненасыщенных дикетонов - хиноны.

Физические свойства

Простейшие кетоны являются бесцветными, летучими жидкостями, которые растворяются в воде. Кетоны обладают приятным запахом. Высшие кетоны - твердые, легкоплавкие вещества. Газообразных кетонов не бывает, так как уже простейший из них (ацетон) - жидкость. Многие химические свойства, характерные для альдегидов, проявляюся и у кетонов.

Кето-енольная таутомерия

Таутомерия - тип изомерии, при которой происходит быстрое самопроизвольное обратимое взаимопревращение структурных изомеров - таутомеров. Процесс взаимопревращения таутомеров называется таутомеризацией.

Кетоны, которые имеют по крайней мере один α-водородный атом, подвергаются кето-енольной таутомеризации.

Для оксосоединений, имеющих атом водорода в α-положении по отношннию к карбонильной группе, существует равновесие между таутомерными формами. Для подавляющего большинства оксосоединений это равновесие смещено в сторону кето-формы. Процесс перехода кето-формы в енольную называют енолизацией. На этом основана способность таких кетонов реагировать как С-или О-нуклеофилы. Концентрация енольной формы зависит от строения кетонов и составляет (в %): 0,0025 (ацетон), 2 (циклогексанон), 80 (ацетилацетон). Скорость енолизации возрастает в присутствии кислот и оснований.

Химические свойства

По степени окисленности кетоны, как и альдегиды, занимают промежуточное положение между спиртами и кислотами, что во многом определяет их химические свойства.
1. Кетоны восстанавливаются до вторичных спиртов гидридами металлов, например LiAlH 4 или NaBH 4 , водородом (кат. Ni, Pd), изопропанолом в присутствии алкоголята Аl (реакцияция Меервейна-Понндорфа-Верлея).

R 2 CO + 2H → R 2 CH(OH)

2. При восстановлении кетонов натрием или электрохимически (катодное восстановление) образуются пинаконы.

2R 2 CO + 2H → R 2 CH(OH)-CR 2 (OH)

3. При взаимодействии кетонов с амальгамированным Zn и концентрированной НCl (реакция Клемменсена) или с гидразином в щелочной среде (реакция Кижнера - Вольфа) группа С=О восстанавливается до СН 2 .

4. Окисление кетонов

В отличие от альдегидов, многие кетоны устойчивы при хранении к действию кислорода. Кетоны, содержащие α-метиленовую группу, окисляются SeO 2 до 1,2-дикетонов, более энергичными окислителями, напр. КМnО 4 - до смеси карбоновых кислот. Циклические кетоны при взаимодействии с HNO 3 или КМnО 4 подвергаются окислительному расщеплению цикла, например, из циклогексанона образуется адипиновая кислота. Линейные кетоны окисляются надкислотами до сложных эфиров, циклические - до лактонов (реакция Байера - Виллигера).

Если в качестве окислителя используют, например, хромовую смесь (смесь концентрированной серной кислоты и насыщенного раствора дихромата калия) при нагревании. Окисление кетонов всегда сопровождается разрывом углерод-углеродных связей, в результате образуется, в зависимости от строения исходного кетона, смесь кислот и кетонов с меньшим числом атомов углерода. Окисление протекает по схеме:

В первую очередь окисляется углерод в α-положении по отношению к карбонильной группе, как правило, наименее гидрогенизированный. Если кетон является метилкетоном, то одним из продуктов его окисления будет углекислый газ. Связь между соседними карбонильными углеродами легко рвется, в результате:

Окисление кетонов до карбоновых кислот не может происходить без расщепления углеродного скелета и требует более жестких условий, чем окисление альдегидов. А. Н. Попов, изучавший окисление кетонов, показал, что из несимметрично построенного кетона при окислении могут образоваться все четыре возможные карбоновые кислоты (правило Попова):

Если кетон содержит в α-положении третичный углеродный атом, то в результате окисления образуются три карбоновые кислоты и новый кетон, который в зависимости от условий может или подвергнуться дальнейшему окислению, или остаться неизмененным:

5. Альдольная и кретоновая конденсации

Кетоны образуют продукты замещения α-атомов Н при галогенировании действием Вr 2 , N-бромсукцинимидом, SO 2 Cl 2 , при тиилировании дисульфидами. При алкилировании и ацилировании енолятов кетонов образуются либо продукты замещения α-атомов Н в кетонах, либо О-производные енолов. Большое значение в органическом синтезе имеют альдольная и кретоновая конденсации, например:

При конденсации с альдегидами кетоны реагируют главным образом как СН-кислоты, например из кетонов и СН 2 О в присутствии основания получают α, β-ненасыщенные кетоны:

RCOCH 3 + СН 2 О → RCOCH=CH 2 + Н 2 О

Вследствие полярности карбонильной группы

кетоны могут вступать в реакции как С-электрофилы, например при конденсации с производными карбоновых кислот (конденсация Штоббе, реакция Дарзана и т. п.):

(CH 3) 2 CO + (C 2 H 5 OOCCH 2) 2 + (CH 3) 3 COK → (CH 3) 2 =C(COOC 2 H 5)CH 2 COOK + C 2 H 5 OH + (CH 3) 3 COH

Особенно легко нуклеофильной атаке подвергаются α,β-непределъные кетоны, но в этом случае атакуется двойная связь (раекция Михаэля) , например:

6. Взаимодействие с илидами

При взаимодействии с илидами Р (алкилиденфосфоранами) кетоны обменивают атом О на алкилиденовую группу (реакция Виттига) :

R 2 C=O + Ph 3 P=CHR" → R 2 C=CHR" + Ph 3 PO

7. С циклопентадиеном кетоны образуют фульвены, например:

8. При конденсации кетонов с гидроксиламином получаются кетоксимы R 2 C=NOH, с гидразином - гидразоны R 2 C=N-NH 2 и азины R 2 C=N-N=CR 2 , с первичными аминами - Шиффовы основания R 2 C=NR", со вторичными аминами - енамины.

9. Присоединение по карбонильной групе

Кетоны способны присоединять по карбонильной группе воду, спирты, бисульфит Na, амины и другие нуклеофилы, хотя эти реакции протекают не так легко, как в случае альдегидов.

Поскольку в спиртовых растворах равновесие между кетоном и его полукеталем сильно смещено влево, получить кетали из кетонов и спиртов трудно:

RCOR" + R"OH ↔ RR"C(OH)OR"

Для этой цели используют реакцию кетонов с эфирами ортомуравьиной кислоты. Кетоны взаимодействуют с С-нуклеофилами, например с литий-, цинк- или магнийорганические соединения, а также с ацетиленами в присутствии оснований (реакция Фаворского) , образуя третичные спирты:

В присутствии оснований к кетонам присоединяется HCN, давая α-гидроксинитрилы (циангидрины):

R 2 C=O + HCN → R 2 C(OH)CN

При катализе кислотами кетоны реагируют как С-электрофилы с ароматическими соединениями, например:

Гомолитическое присоединение кетонов к олефинам приводит к α-алкилзамещенным кетонам, фотоциклoприсоединение к оксетанам, например:

Получение кетонов

1. Окисление спиртов

Кетоны могут быть получены окислением вторичных спиртов. Окислителем, обычно применяемым для этой цели в лабораториях, является хромовая кислота, употребляемая чаще всего в виде «хромовой смеси» (смесь бихромата калия или натрия с серной кислотой). Иногда применяются также перманганаты различных металлов или перекись марганца и серная кислота.

2. Дегидрогенизация (дегидрирование) вторичных спиртов

При пропускании паров спирта через нагретые трубки с мелко раздробленной, восстановленной водородом металлической медью вторичные спирты распадаются - на кетон и водород. Несколько хуже эта реакция проходит в присутствии никеля, железа или цинка.

3. Из одноосновных карбоновых кислот

Кетоны могут быть получены сухой перегонкой кальциевых и бариевых солей одноосновных кислот. Для всех кислот, кроме муравьиной, реакция идет следующим образом:

Чаще восстанавливают не самые кислоты, а их производные, например хлорангидриды:

CH 3 -CO-Cl + 2H → CH 3 -CHO + HCl

т. е. образуется кетон с двумя одинаковыми радикалами и карбонат кальция.

Если взять смесь солей двух кислот или смешанную соль, то наряду с предыдущей реакцией происходит также реакция между молекулами разных солей:

Вместо сухой перегонки готовых солей используют также контактный способ, так называемую реакцию кетонизации кислот, состоящую в том, что пары кислот пропускают при повышенной температуре над катализаторами, в качестве которых применяют углекислые соли кальция или бария, закись марганца, окись тория, окись алюминия и др.

Здесь сначала образуются соли органических кислот, которые затем разлагаются, регенерируя вещества, являющиеся катализаторами. В результате реакция идет, например, для уксусной кислоты по следующему уравнению:

2CH 3 -COOH → CH 3 -CO-CH 3 + H 2 O + CO 2

4. Действие воды на дигалоидные соединения

Кетоны могут получаться при взаимодействии с водой дигалоидных соединений, содержащих оба атома галоида при одном и том же атоме углерода. При этом можно было бы ожидать обмена атомов галоида на гидроксилы и получения двухатомных спиртов, у которых обе гидроксильные группы находятся при одном и том же атоме углерода, например:

Но такие двухатомные спирты в обычных условиях не существуют, они отщепляют молекулу воды, образуя кетоны:

5. Действие воды на ацетиленовые углеводороды (реакция Кучерова)

При действии воды на гомологи ацетилена в присутствии солей окиси ртути, получаются кетоны:

CH 3 -C≡CH + H 2 O → CH 3 -CO-CH 3

6. Получение с помощью магний- и цинкорганических соединений

При взаимодействии производных карбоновых кислот с некоторыми металлоорганическими соединениями присоединение одной молекулы металлоорганического соединения по карбонильной группе протекает по схеме:

Если на полученные соединения подействовать водой, то они реагируют с ней с образованием в кетонов:

При действии на амид кислоты двух молекул магнийорганического соединения, а затем воды получаются кетоны без образования третичных спиртов:

7. Действие кадмийорганических соединений на хлорангидриды кислот

Кадмийорганические соединения взаимодействуют с хлорангидридами кислот иначе, чем магний- или цинкорганические:

R-CO-Cl + C 2 H 5 CdBr → R-CO-C 2 Н 5 + CdClBr

Поскольку кадмийорганические соединения не вступают в реакцию с кетонами, здесь не могут получаться третичные спирты.

Применение кетонов

В промышленности кетоны используют как растворители, фармацевтические препараты и для изготовления различных полимеров. Важнейшими кетонами являются ацетон, метилэтиловый кетон и циклогексанон.

Физиологическое действие

Токсичны. Обладают раздражающим и местным действием, проникают через кожу, особенно хорошо ненасыщенные алифатические. Отдельные вещества обладают канцерогенным и мутагенным эффектом. Галогенпроизводные кетонов вызывают сильное раздражение слизистых оболочек и ожоги при контакте с кожей. Алициклические кетоны обладают наркотическим действием.

Кетоны играют важную роль в метаболизме веществ в живых организмах. Так, убихинон участвует в окислительно-восстановительных реакциях тканевого дыхания. К соединениям, содержащим кетонную группу, относятся некоторые важные моносахариды (фруктоза и др.), терпены (ментон, карвон), компоненты эфирных масел (камфора, жасмон), природные красители (индиго, ализарин, флавоны), стероидные гормоны (кортизон, прогестерон), мускус (мускон), антибиотик тетрациклин.

В процессе фотосинтеза 1,5-дифосфат-D-эритро-пентулозы (фосфолированная кетопентоза) является катализатором. Ацетоуксусная кислота - промежуточный продукт в цикле Креббса.

Наличие в моче и крови человека кетонов говорит о гипогликемии, различных расстройствах метаболизма или кетоацидозе.