Альдегіди і кетони. Формула, отримання, застосування

Серед кисневмісних органічних сполук величезне значення мають цілих два класи речовин, які завжди вивчають разом за схожість в будові і проявляються властивості. Це альдегіди і кетони. Саме ці молекули лежать в основі багатьох хімічних синтезів, а їх будова досить цікаве, щоб стати предметом вивчення. Розглянемо докладніше, що ж являють собою ці класи сполук.

Альдегіди і кетони: загальна характеристика

З точки зору хімії, до класу альдегідів слід відносити органічні молекули, що містять кисень у складі функціональної групи -СОН, званої карбонильной. Загальна формула в цьому випадку буде виглядати так: R-COH. За своєю природою це можуть бути як граничні, так і ненасичені сполуки. Також серед них зустрічаються і ароматичні представники, нарівні з аліфатичними. Кількість атомів вуглецю в радикальної ланцюга варіюється в досить широких межах, від одного (формальдегід або формальдегід) до кількох десятків.

Кетони також містять карбонільну групу СО, проте з`єднана вона не з катіоном водню, а з іншим радикалом, відмінним або ідентичним тому, що входить в ланцюг. Загальна формула виглядає так: R-CO-R^,. Очевидно, що альдегіди і кетони схожі за наявності функціональної групи такого складу.

Кетони також можуть бути граничними і ненасиченими, та й притаманні властивості схожі з близькоспоріднених класом. Можна навести кілька прикладів, що ілюструють склад молекул і відображають прийняті позначення формул розглянутих речовин.

1. Альдегіди: формальдегід - НСОН, бутаналь - СН₃-СН₂-СН₂-СОН, фенілоцтової - З₆Н₅-СН₂-СОН.
2. Кетони: ацетон або диметилкетон - СН₃-СО-СН₃, метилетилкетон - СН₃-СО-С₂Н₅ та інші.
   

Очевидно, що назва даних сполук утворюється двома шляхами:

• по раціональної номенклатурі згідно входять до складу радикалам і класового суфікса -аль (для альдегідів) і -він (для кетонів);
• тривіально, історично склалося.

Якщо привести загальну формулу для обох класів речовин, то стане видно, що вони є ізомерами один одному: C_nH_2nO. Для них же самих характерні наступні види ізомерії:

• для кетонів - будова вуглеводневого ланцюга радикала і положення групи СО;
• для альдегідів - тільки розташування атомів в ланцюгу.

  

Щоб розрізняти між собою представників обох класів, використовують якісні реакції, більшість з яких дозволяють виявити саме альдегід. Так як хімічна активність даних речовин дещо вищий, завдяки наявності катіона водню.

будова молекули

Розглянемо, як же в просторі виглядають альдегіди і кетони. Будова їх молекул можна відобразити декількома пунктами.

1. Атом вуглецю, безпосередньо входить в функціональну групу, має sp² - гібридизацію, що дозволяє частини молекули мати плоску просторову форму.
2. При цьому полярність зв`язку С = О сильна. Як більш електронегативний, кисень забирає собі основну частину щільності, концентруючи на собі частково негативний заряд.
3. У альдегідах зв`язок О-Н є також сильно поляризованої, що робить атом водню рухомим.

В результаті виходить, що подібна будова молекул дозволяє розглядаються з`єднанням і окислюватися, і відновлюватися. Формула альдегіду і кетону з перерозподіленої електронної щільністю дозволяє передбачити продукти реакцій, в яких беруть участь дані речовини.

Історія відкриття і вивчення

Як і багато органічні сполуки, виділити і вивчити альдегіди і кетони людям вдалося лише в XIX столітті, коли вітаїстичною погляди повністю впали і стало зрозуміло, що ці сполуки можуть утворюватися синтетичним, штучним шляхом, без участі живих істот.

Однак ще в 1661 році Р. Бойль зумів отримати ацетон (диметилкетон), коли піддавав нагрівання ацетат кальцію. Але детально вивчити цю речовину і назвати його, визначити систематичне положення серед інших, він не зміг. Лише в 1852 році Вільямсон зумів довести цю справу до кінця, тоді і почалася історія докладного розвитку і накопичення знань про карбонільних сполуках.

Фізичні властивості

Розглянемо, які фізичні властивості альдегідів і кетонів. Почнемо з перших.

1. Перший представник формальдегід по агрегатному стані - газ, наступні одинадцять - рідини, понад 12 атомів вуглецю входять до складу твердих альдегідів нормального будови.
2. Температура кипіння: залежить від числа атомів С, чим їх більше, тим вона вища. При цьому чим більше розгалужена ланцюжок, тим нижче опускається значення температури.
3. Для рідких альдегідів показники в`язкості, щільності, заломлення залежать також від числа атомів. Чим їх більше, тим вони вищі.
4. Газоподібний і рідкі альдегіди розчиняються у воді дуже добре, однак тверді практично не можуть цього робити.
5. Запах представників дуже приємний, часто це аромати квітів, парфумів, фруктів. Лише ті альдегіди, в яких кількість атомів вуглецю одно 1-5, є сильно і неприємно пахнуть рідинами.

Якщо позначати властивості кетонів, то також можна виділити головні.

1. Агрегатні стани: нижчі представники - рідини, більш масивні - тверді з`єднання.
2. Запах різкий, неприємний у всіх представників.
3. Розчинність в воді хороша у нижчих, в органічних розчинниках відмінна у всіх.
4. Летючі речовини, даний показник перевищує такий у кислот, спиртів.
5. Температура кипіння і плавлення залежить від будови молекули, сильно варіюється від кількості атомів вуглецю в ланцюзі.

Це основні властивості розглянутих з`єднань, які відносяться до групи фізичних.

Хімічні властивості

Найважливіше, це з чим реагують альдегіди і кетони, хімічні властивості даних сполук. Тому їх ми розглянемо обов`язково. Спочатку розберемося з альдегідами.

1. Окислення до відповідних карбонових кислот. Загальний вигляд рівняння реакції: R-COH + [O] = R-COOH. Ароматичні представники ще легше вступають в подібні взаємодії, також вони здатні формувати в результаті складні ефіри, які мають важливе промислове значення. Як окислювачі використовують: кисень, реактив Толленса, гідроксид міді (II) та інші.
2. Альдегіди проявляють себе як сильні відновники, при цьому перетворюючись в граничні одноатомні спирти.
3. Взаємодія зі спиртами з утворенням продуктів ацеталей і напівацеталю.
4. Особливі реакції - поліконденсації. В результаті утворюються фенолформальдегідні смоли, які мають значення для хімічної промисловості.
5. Кілька специфічних реакцій з наступними реактивами:

• водно-спиртова луг;
• реактив Гриньяра;
• гідросульфіти та інші.

Якісною реакцією на даний клас речовин є реакція "срібного дзеркала". В результаті неї утворюється металеве відновлене срібло і відповідна карбонова кислота. Для неї необхідний аміачний розчин оксиду срібла або реактив Толлінса.

Хімічні властивості кетонів

Спирти, альдегіди, кетони є схожими за проявляють властивостями сполуками, так як всі вони містять кисень. Однак уже на стадії окислення стає ясно, що спирти - найактивніші і легко піддаються впливу сполуки. Кетони ж окислити найважче.

1. Окисні властивості. В результаті утворюються вторинні спирти.
2. Гідрування також призводить до згаданих вище продуктів.
3. Кето-енольна таутомерія - особливуспецифічне властивість кетонів приймати бета-форму.
4. Реакції альдольної конденсації з утворенням бета-кетоспіртов.
5. Також кетони здатні взаємодіяти з:

• аміаком;
• синильною кислотою;
• гідросульфітом;
• гидразином;
• ортокремнієвої кислотою.

Очевидно, що реакції таких взаємодій дуже складні, особливо ті, які є специфічними. Це все основні особливості, які проявляють альдегіди і кетони. Хімічні властивості лежать в основі багатьох синтезів важливих дзвінків. Тому знати природу молекул і їх характер при взаємодіях вкрай необхідно в промислових процесах.

Реакції приєднання альдегідів і кетонів

Ми вже розглянули дані реакції, проте не давали їм такої назви. До приєднання можна віднести все взаємодії, в результаті яких активність проявила карбонильная група. А точніше, рухливий атом водню. Саме тому в даному питанні перевага віддається саме альдегідів, внаслідок їх кращої реакционноспособна.

З якими речовинами можливі реакції альдегідів і кетонів по нуклеофільного заміщення? це:

1. Синильна кислота, утворюються ціангідріни - вихідна сировина при синтезі амінокислот.
2. Аміак, аміни.
3. Спирти.
4. Воду.
5. Гідросульфат натрію.
6. Реактив Гриньяра.
7. Меркаптани і інші.

Ці реакції мають важливе промислове значення, оскільки продукти використовуються в різних галузях життєдіяльності людей.

способи отримання

Існує кілька основних методів, якими синтезують альдегіди і кетони. Отримання в лабораторії і промисловості можна виразити в наступних засобах.

1. Найпоширенішим методом, в тому числі і в лабораторіях, є окислення відповідних спиртів: первинних до альдегідів, вторинних до представників кетонів. Як окисного агента можуть виступати: хромати, іони міді, перманганат калію. Загальний вигляд реакції: R-OH + Cu (KMnO₄) = R-COH.
2. У промисловості часто використовують спосіб, заснований на окисленні алкенів - оксосинтез. Основний агент синтез-газ, суміш СО₂ + Н₂. Результатом стає альдегід з великим на один вуглець числом атомів в ланцюгу. R = R-R + СО₂ + Н₂ = R-R-R-COH.
3. Окислення алкенів озоном - озоноліз. Результат також передбачає альдегід, але крім цього ще і кетон в суміші. Якщо продукти мислення з`єднати, прибравши кисень, стане ясно, який вихідний алкен був узятий.
4. Реакція Кучерова - гідратація алкінів. Обов`язковий агент - солі ртуті. Один з промислових способів синтезу альдегідів і кетонів. Requiv-R-R + Hg²⁺ + H₂O = R-R-COH.
5. Гідроліз дігалогенпроізводние вуглеводнів.
6. Відновлення: карбонових кислот, амідів, нітрилів, хлорангидридов, складних ефірів. В результаті утворюється як альдегід, так і кетон.
7. Піроліз сумішей карбонових кислот над каталізаторами у вигляді оксидів металів. Суміш повинна бути парообразной. Суть полягає в відщепленні між молекулами діоксиду вуглецю і води. В результаті утворюється альдегід або кетон.

Ароматичні альдегіди і кетони отримують іншими способами, так як дані з`єднання мають ароматичний радикал (феніл, наприклад).

1. За Фриделю-Крафтс: у вихідних реагентах ароматичний вуглеводень і дігалогензамещенний кетон. Каталізатор - ALCL₃. В результаті утворюється ароматичний альдегід або кетон. Інша назва процесу - ацилирование.
2. Окислення толуолу дією різних агентів.
3. Відновленням ароматичних карбонових кислот.

Природно, що в промисловості намагаються використовувати ті методи, в яких вихідна сировина якомога дешевше, а каталізатори менш токсичні. Для синтезу альдегідів - це окислення алкенів киснем.

Застосування в промисловості і значення

Застосування альдегідів і кетонів здійснюється в таких галузях промисловості, як:

• фармацевтика;
• хімічний синтез;
• медицина;
• парфумерна область;
• харчова промисловість;
• лакофарбове виробництво;
• синтез пластмас, тканин та інше.

Можна позначити ще не одну область, адже щорічно тільки формальдегіду синтезується приблизно 6 млн т в рік! Його 40% розчин іменується формаліном і використовується для зберігання анатомічних об`єктів. Він же йде на виготовлення лікарських препаратів, антисептиків і полімерів.

Оцтовий альдегід, або етаналь, також масово вироблений продукт. Кількість щорічного споживання в світі складає близько 4 млн т. Він - основа багатьох хімічних синтезів, при яких утворюються важливі продукти. наприклад:

• оцтова кислота і її ангідрид;
• ацетат целюлози;
• ліки;
• бутадієн - основа каучуку;
• етиловий спирт;
• ацетатное волокно.

Ароматичні альдегіди і кетони - це складова частина багатьох ароматизаторів, як харчових, так і парфумерних. Більшість з них мають дуже приємні квіткові, цитрусові, трав`яні аромати. Це дозволяє виготовляти на їх основі:

• освіжувачі повітря різного роду;
• туалетні і парфумерні води;
• різні чистячі і миючі засоби.

Деякі з них є ароматичними добавками до їжі, дозволеними до вживання. Їх природний вміст в ефірних маслах, фруктах і смолах доводять можливість подібного використання.

Окремі представники

Такий альдегід, як цитраль, являє собою рідину з великою в`язкістю і сильним ароматом лимона. У природі міститься якраз в ефірних маслах останнього. Також в складі евкаліпта, сорго, кебаба.

Добре відомі області його застосування:

• педіатрія - зниження внутрішньочерепного тиску;
• нормалізація артеріального тиску у дорослих;
• компонент ліки для органів зору;
• складова частина багатьох запашних речовин;
• протизапальний засіб і антисептик;
• сировину для синтезу ретинолу;
• ароматизатор в харчових цілях.