Альдегиды и кетоны

Жидкость для снятия лака часто пахнет ацетоном — это простейший кетон CH₃–CO–CH₃. Кипит он при 56 °C, поэтому капля на коже испаряется почти сразу и холодит её. Ближайшие родственники ацетона — альдегиды: в их молекулах та же группа C=O, только стоит она на конце цепи, и узнать альдегид в пробирке можно по серебряному налёту на стекле.

Альдегид покрывает пробирку изнутри слоем серебра

1. Учитель моет пробирку горячим раствором щёлочи и ополаскивает водой: ровным слоем серебро ложится только на обезжиренное стекло.

2. Наливает раствор нитрата серебра и по каплям добавляет раствор аммиака, пока выпавший бурый осадок не растворится. Так получают аммиачный раствор оксида серебра.

3. Добавляет несколько капель раствора уксусного альдегида, или этаналя.

4. Опускает пробирку в стакан с горячей водой и больше её не встряхивает.

5. Через несколько минут стенки пробирки покрываются блестящим серебряным слоем.

Альдегид окисляется до карбоновой кислоты, а серебро восстанавливается: CH₃–CHO + Ag₂O → CH₃–COOH + 2Ag↓ (NH₃, t). Это и есть реакция серебряного зеркала. Её дают все альдегиды и глюкоза. Ацетон — нет. На этой реакции основано химическое серебрение зеркал.

Карбонильная группа объединяет альдегиды и кетоны

Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу C=O. Атом углерода в ней находится в sp²-гибридизации, и три его связи лежат в одной плоскости под углом 120°. Связь C=O полярна. Кислород оттягивает на себя электроны.

У альдегидов карбонильная группа стоит на конце цепи и связана с атомом водорода, это группа –CHO. У кетонов она находится внутри цепи, между двумя атомами углерода. Общая формула предельных альдегидов и кетонов одна и та же, C_nH_2nO. Поэтому пропаналь CH₃–CH₂–CHO и ацетон CH₃–CO–CH₃ — межклассовые изомеры состава C₃H₆O.

Название альдегида по ИЮПАК строят от алкана с тем же числом атомов углерода и добавляют суффикс -аль: HCHO — метаналь, CH₃–CHO — этаналь. Атом углерода группы –CHO всегда получает номер 1, и цифру для неё не пишут. Кетоны получают суффикс -он, а если положение группы C=O может быть разным, ставят номер: пентанон-2, пентанон-3. Ацетон по ИЮПАК — пропанон. В задачах встречаются и старые названия: формальдегид, уксусный альдегид.

Задача 1. Назови по ИЮПАК вещества: а) CH₃–CH₂–CH₂–CHO; б) CH₃–CO–CH₂–CH₃; в) CH₃–CH(CH₃)–CHO.

1. а) В цепи четыре атома углерода, группа –CHO на конце — это бутаналь.

2. б) Четыре атома углерода, группа C=O у второго атома; другого положения внутри такой цепи у неё нет, поэтому номер не ставят — бутанон.

3. в) Главная цепь из трёх атомов, нумерация от группы –CHO, метильная группа у второго атома — 2-метилпропаналь.

Ответ: бутаналь, бутанон, 2-метилпропаналь.

Альдегиды легко окисляются, а с водородом дают спирты

Альдегиды окисляет и гидроксид меди(II). Голубой осадок Cu(OH)₂ при нагревании с альдегидом желтеет, а потом становится красным — это оксид меди(I): CH₃–CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃–COOH + Cu₂O↓ + 2H₂O (t). Кетоны гидроксид меди(II) не восстанавливают.

С водородом на никелевом катализаторе альдегиды превращаются в первичные спирты, кетоны — во вторичные. Этаналь даёт этанол: CH₃–CHO + H₂ → CH₃–CH₂–OH (t, Ni). Из ацетона получается пропанол-2: CH₃–CO–CH₃ + H₂ → CH₃–CH(OH)–CH₃ (t, Ni).

Этаналь получают из этанола и из ацетилена

В лаборатории альдегиды получают окислением первичных спиртов. Раскалённую медную проволоку, покрытую чёрным оксидом, опускают в пробирку с этанолом, и почти сразу проволока снова краснеет, а из пробирки тянет резким запахом этаналя: CH₃–CH₂–OH + CuO → CH₃–CHO + Cu + H₂O (t). Вторичные спирты в тех же условиях дают кетоны.

В 1881 году Михаил Кучеров открыл гидратацию ацетилена в присутствии солей ртути(II): HC≡CH + H₂O → CH₃–CHO (HgSO₄, H⁺). Сначала к тройной связи присоединяется вода, но получившийся виниловый спирт CH₂=CH–OH неустойчив и сразу перестраивается в этаналь, поэтому в итоговом уравнении его не пишут. Соли ртути ядовиты, и сейчас этаналь в промышленности чаще получают окислением этилена: 2CH₂=CH₂ + O₂ → 2CH₃–CHO (PdCl₂, CuCl₂).

Формальдегид делают окислением метанола на медном или серебряном катализаторе: 2CH₃OH + O₂ → 2HCHO + 2H₂O (t, Ag). И метанол, и формальдегид ядовиты. Водный раствор формальдегида, около 40 %, называют формалином, а сам формальдегид идёт на производство фенолформальдегидных смол.

Перед расчётными задачами — четыре ошибки, которые в контрольных по этой теме встречаются чаще других.

• ❌ Кетоны дают реакцию серебряного зеркала → ✅ её дают альдегиды, кетоны в этих условиях не окисляются.

• ❌ Пропаналь и ацетон считают гомологами → ✅ это изомеры с одной формулой C₃H₆O.

• ❌ При восстановлении ацетона пишут пропанол-1 → ✅ получается вторичный спирт, пропанол-2.

• ❌ В реакции Кучерова продуктом пишут виниловый спирт → ✅ он неустойчив и перестраивается в этаналь.

Задача 2. Вычисли массу этаналя, которая получится из 11,2 л ацетилена (н. у.) по реакции Кучерова, если выход продукта 80 %.

1. HC≡CH + H₂O → CH₃–CHO: из 1 моль ацетилена получается 1 моль этаналя.

2. n(C₂H₂) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль.

3. M(CH₃CHO) = 12 · 2 + 1 · 4 + 16 = 44 г/моль, теоретическая масса m = 0,5 · 44 = 22 г.

4. Практическая масса: 22 · 0,8 = 17,6 г.

Ответ: 17,6 г этаналя.

Задача 3. Относительная плотность паров предельного альдегида по воздуху равна 2. Выведи молекулярную формулу альдегида и назови его.

1. Молярная масса: M = 2 · 29 = 58 г/моль.

2. Общая формула C_nH_2nO, молярная масса 14n + 16.

3. 14n + 16 = 58, откуда 14n = 58 − 16 = 42 и n = 42 / 14 = 3.

4. Формула C₃H₆O, альдегид CH₃–CH₂–CHO.

Ответ: C₃H₆O, пропаналь.