Сначала изучите: Спирты и фенолы
Альдегиды и кетоны — органические соединения, в молекуле которых есть карбонильная группа >C=O (карбонильные соединения). В альдегидах карбонильный углерод связан хотя бы с одним атомом водорода (группа –CHO), поэтому альдегиды легко окисляются и дают реакцию «серебряного зеркала». В кетонах карбонильная группа находится между двумя углеводородными радикалами, поэтому кетоны устойчивы к мягким окислителям. Формальдегид (его водный раствор — формалин) применяют для дезинфекции и производства смол, уксусный альдегид — для синтеза уксусной кислоты, ацетон — самый распространённый растворитель. Эта тема — мост между спиртами и карбоновыми кислотами: при окислении спирта получается альдегид, при окислении альдегида — кислота.
Общая формула предельных альдегидов и кетонов CₙH₂ₙO; карбонильный углерод в состоянии sp², угол 120°
Двойная связь карбонильной группы состоит из одной σ- и одной π-связи. Кислород электроотрицательнее углерода, поэтому связь сильно поляризована: Cᵟ⁺=Oᵟ⁻. Положительно заряженный углерод открыт для атаки нуклеофильных частиц (с электронной парой) — для карбонильных соединений характерны реакции нуклеофильного присоединения (а для алкенов — электрофильного).
Номенклатура: по ИЮПАК к названию алкана добавляют суффикс -аль для альдегидов и -он для кетонов.
В альдегидах карбонильный углерод всегда получает номер 1, поэтому его положение не указывают; у кетонов номер пишут: пентанон-2, пентанон-3.
Альдегиды и кетоны являются межклассовыми изомерами: пропаналь и ацетон имеют одну формулу C₃H₆O. Им изомерны также непредельные спирты (например, CH₂=CH–CH₂OH) и циклоалканолы. У альдегидов изомерия цепи начинается с C₄, у кетонов изомерия положения карбонильной группы — с C₅.
Физические свойства: формальдегид — газ с резким запахом, его примерно 40 %-ный водный раствор называют формалином; этаналь — очень летучая жидкость (температура кипения 21 °C); ацетон — жидкость с характерным запахом, смешивается с водой в любых отношениях. Между молекулами карбонильных соединений нет водородных связей, поэтому они кипят ниже спиртов с близкой массой; но из-за полярности — выше алканов. Низшие члены хорошо растворимы в воде, так как образуют водородные связи с её молекулами.
Сколько карбонильных соединений имеют состав C₄H₈O?
Восстановление (гидрирование, Ni или Pt, нагревание): альдегид превращается в первичный спирт, кетон — во вторичный.
CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH; CH₃COCH₃ + H₂ → CH₃CH(OH)CH₃ (пропанол-2)
Окисление для альдегидов идёт очень легко: за счёт водорода при карбонильном углероде группа –CHO превращается в –COOH. Эти реакции — качественные на альдегиды:
«Серебряное зеркало»: CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₃COONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O (упрощённо: CH₃CHO + Ag₂O → CH₃COOH + 2Ag↓)
С гидроксидом меди(II): CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O↓ + 2H₂O (при нагревании голубой осадок становится кирпично-красным)
В обеих реакциях на 1 моль альдегидных групп приходится 2 моль Ag или 1 моль Cu₂O. Кетоны этих реакций не дают и только под действием жёстких окислителей окисляются с разрывом углеродной цепи до смеси кислот.
Ещё один пример нуклеофильного присоединения — присоединение синильной кислоты: CH₃CHO + HCN → CH₃CH(OH)CN (оксинитрил). Нуклеофил CN⁻ атакует положительно заряженный карбонильный углерод, а водород присоединяется к кислороду. Так углеродная цепь удлиняется на один атом.
Горение: при сгорании предельных карбонильных соединений n(CO₂) = n(H₂O): 2CH₃CHO + 5O₂ → 4CO₂ + 4H₂O.
4,4 г предельного альдегида в реакции серебряного зеркала выделили 21,6 г серебра. Определите альдегид.
В молекуле метаналя к карбонильному углероду присоединены два атома водорода. При первом окислении образуется муравьиная кислота, которая тоже содержит альдегидную группу и окисляется до конца — до CO₂:
HCHO + 2Ag₂O → CO₂ + H₂O + 4Ag↓ — из 1 моль метаналя 4 моль Ag
Метаналь вступает с фенолом в поликонденсацию, образуя фенолформальдегидные смолы (карболит, бакелит); при этом выделяется вода. Формалин применяют для хранения биологических препаратов, дубления кож, дезинфекции, но формальдегид ядовит. Из метаналя и аммиака получают уротропин. Уксусный альдегид — основное сырьё для получения уксусной кислоты.
Окисление первичного спирта: C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O (нагретая медная проволока чернеет, а затем снова краснеет)
Реакция Кучерова: C₂H₂ + H₂O → CH₃CHO (Hg²⁺, H⁺)
Каталитическое окисление метанола: 2CH₃OH + O₂ → 2HCHO + 2H₂O (Cu или Ag, нагревание)
Каталитическое окисление этилена (вакер-процесс, PdCl₂/CuCl₂): 2CH₂=CH₂ + O₂ → 2CH₃CHO
Ацетон — окислением пропанола-2, гидратацией пропина или кумольным способом (вместе с фенолом)
Из первичного спирта получается альдегид, из вторичного — кетон; третичные спирты в таких условиях не окисляются. В лаборатории альдегид отгоняют сразу по мере образования, иначе он окислится до кислоты.
Смесь формальдегида и H₂ со средней молярной массой 12 г/моль пропустили над катализатором, образовался метанол. Плотность новой смеси по водороду 8,4. Найдите мольную долю H₂ в ней.