Альдегиды и кетоны

Альдегиды и кетоны объединяет карбонильная группа C=O. Она входит в состав многих природных и синтетических веществ: глюкоза относится к альдегидам, ацетон является распространённым растворителем, а ванилин и коричный альдегид придают продуктам узнаваемый запах. Хотя оба класса содержат двойную связь углерода с кислородом, их свойства неодинаковы. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, тогда как кетоны в обычных школьных опытах такой реакции не дают. Разобраться помогает положение карбонильной группы в углеродной цепи.

Карбонильная группа и классы веществ

В карбонильной группе атом углерода соединён с кислородом двойной связью. Кислород сильнее притягивает электроны, поэтому связь C=O полярна: на кислороде возникает частичный отрицательный заряд, а на углероде частичный положительный. Из-за этой полярности карбонильный углерод способен присоединять частицы с избытком электронной плотности. Реакции присоединения характерны и для альдегидов, и для кетонов.

У альдегида к карбонильному атому углерода присоединён хотя бы один атом водорода. Простейший представитель, метаналь, имеет формулу H-CHO, или H₂C=O. У этаналя формула CH₃-CHO. Группа -CHO всегда находится на конце цепи, поэтому её положение цифрой в названии обычно не указывают. Формула альдегида в общем виде записывается R-CHO, где R обозначает углеводородный радикал или атом водорода.

В кетоне карбонильный углерод соединён с двумя углеводородными радикалами. Самый простой кетон содержит не меньше трёх атомов углерода: CH₃-CO-CH₃. Его систематическое название пропанон, а распространённое название ацетон. Кетоны нельзя получить окислением метанола: для образования кетона нужен вторичный атом углерода, связанный с двумя углеродными заместителями.

Строение и названия

Названия альдегидов образуют от названий соответствующих углеводородов с помощью суффикса «-аль»: метаналь, этаналь, пропаналь. В быту и учебниках часто встречаются тривиальные названия: метаналь называют формальдегидом, а этаналь называют уксусным альдегидом. При нумерации главной цепи атом углерода группы -CHO получает номер 1.

В названиях кетонов используют суффикс «-он» и указывают положение карбонильной группы, если оно неоднозначно. Например, CH₃-CO-CH₂-CH₃ называется бутан-2-оном. Соединение CH₃-CH₂-CO-CH₂-CH₃ называют пентан-3-оном. Для кетонов возможна изомерия положения карбонильной группы: пентан-2-он и пентан-3-он имеют одинаковую молекулярную формулу C₅H₁₀O, но различное строение.

Альдегиды и кетоны являются межклассовыми изомерами. Пропаналь CH₃-CH₂-CHO и пропанон CH₃-CO-CH₃ имеют одну формулу C₃H₆O. Однако в первой молекуле у карбонильного углерода есть водород, а во второй его нет. Это небольшое отличие объясняет, почему пропаналь даёт реакцию серебряного зеркала, а пропанон не даёт.

Физические свойства

Низшие альдегиды и кетоны обладают резким характерным запахом. Метаналь при обычных условиях является газом, его водный раствор известен как формалин. Этаналь легко испаряется и пахнет яблоками. Ацетон представляет собой бесцветную летучую жидкость, хорошо смешивающуюся с водой и многими органическими веществами.

Молекулы альдегидов и кетонов полярны, поэтому они притягиваются друг к другу сильнее, чем неполярные углеводороды сходной массы. Но между собственными молекулами они не образуют водородных связей, так как не имеют связи O-H. По этой причине их температуры кипения обычно ниже, чем у соответствующих спиртов. Кислород карбонильной группы может принимать водородную связь от воды, поэтому низшие представители заметно растворяются в воде. По мере роста углеводородного радикала растворимость уменьшается.

Химические свойства и качественные реакции

При восстановлении альдегиды превращаются в первичные спирты, а кетоны во вторичные. В качестве восстановителя в школьных схемах часто указывают водород в присутствии никелевого катализатора. Этаналь восстанавливается до этанола: CH₃CHO + H₂ → CH₃CH₂OH. Пропанон при этом образует пропан-2-ол: CH₃COCH₃ + H₂ → CH₃CH(OH)CH₃.

Альдегиды легко окисляются, поскольку у их карбонильного атома углерода есть связанный с ним водород. При действии окислителя этаналь переходит в уксусную кислоту: 2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH. В уравнениях вместо кислорода иногда пишут [O], обозначая окислитель: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH. Кетоны устойчивее к мягкому окислению. При жёстких условиях их углеродная цепь разрушается, поэтому одним веществом с тем же числом атомов углерода результат не будет.

Качественной реакцией на альдегидную группу служит реакция серебряного зеркала. Аммиачный раствор оксида серебра(I), реактив Толленса, при нагревании восстанавливается до металлического серебра. Оно оседает на стенках чистой пробирки блестящей плёнкой. Для этаналя схема имеет вид: CH₃CHO + Ag₂O → CH₃COOH + 2Ag↓. Реакцию проводят в лаборатории, поскольку реактив готовят непосредственно перед опытом.

Ещё один способ обнаружить альдегид основан на восстановлении гидроксида меди(II). Сначала к раствору соли меди добавляют щёлочь, получая голубой осадок Cu(OH)₂. При нагревании с альдегидом он восстанавливается до оксида меди(I) красного цвета: CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O↓ + 2H₂O. Кетоны обычно не дают ни серебряного зеркала, ни красного осадка в этой реакции. Исключения возможны для веществ со специальными группами, но в типовых школьных задачах это правило работает.

Карбонильная группа также вступает в реакцию присоединения с водородом, циановодородом и некоторыми другими реагентами. Важный признак такой реакции состоит в том, что двойная связь C=O превращается в одинарную, а к углероду и кислороду присоединяются новые атомы или группы. Именно полярность этой связи определяет направление присоединения.

Получение и применение

Наиболее понятный школьный способ получения альдегидов и кетонов связан с окислением спиртов. Первичный спирт при мягком окислении даёт альдегид. Например, при нагревании этанола с оксидом меди(II) образуется этаналь: CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O. Чёрный оксид меди превращается в красную металлическую медь, что можно наблюдать в опыте.

Вторичные спирты окисляются до кетонов. Пропан-2-ол даёт пропанон: CH₃CH(OH)CH₃ + CuO → CH₃COCH₃ + Cu + H₂O. Третичные спирты в мягких условиях не окисляются до карбонильных соединений, поскольку у атома углерода при группе -OH нет необходимого атома водорода.

Метаналь используют для производства смол, пластмасс и дезинфицирующих средств, но его растворы токсичны. Ацетон применяют как растворитель в промышленности и лабораторной практике. Альдегиды с приятными запахами используют в парфюмерии и пищевых ароматизаторах. Работать с летучими карбонильными соединениями нужно в проветриваемом помещении и не допускать попадания веществ на кожу и в дыхательные пути.

• Альдегиды содержат концевую группу -CHO, кетоны содержат группу >C=O внутри углеродной цепи.
• Альдегиды и кетоны являются межклассовыми изомерами с формулой C_nH_2nO для насыщенных ациклических представителей.
• При восстановлении альдегиды дают первичные спирты, а кетоны дают вторичные.
• Альдегиды окисляются до карбоновых кислот и дают реакции серебряного зеркала и с гидроксидом меди(II).
• Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные спирты до кетонов.