Физические свойства альдегидов и кетонов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Приятный цветочный запах духов, аромат ванильных булочек, корицы и фруктов кроются в альдегидах и кетонах. Жидкость для снятия лака и строительные растворители также производят из карбонильных соединений. Без альдегидов и кетонов невозможно представить жизнь человека.

План урока:

Карбонильные соединения – молекулы, содержащие карбонильную группу С=О. Они состоят из двух классов– альдегидов (R-CHO) и кетонов (R-CO-R’).

Общая формула гомологического ряд карбонильных соединений: C_nH₂_nO.

Строение альдегидов и кетонов

Для карбонильных (входящих в состав функциональной группы альдегидов или кетонов)углеродных атомов характерна sp 2 -гибридизация. Все σ-связи располагаются под углом 120˚.

Кислородный атом более электроотрицателен, поэтому связь С=О поляризована. Он стягивает на себя электронную плотность, поэтому на кислороде образуется частично отрицательный заряд δ - , а на углероде из функциональной группы – частично положительный заряд δ + .

Классификация альдегидов и кетонов

В классификации заключено отличительное строение молекулы. В основе одной из классификаций лежит строение радикала.

Также альдегиды и кетоны можно классифицировать по количеству карбонильных групп.

Номенклатура альдегидов и кетонов

Алгоритм составления названия

Нахождение главной углеродной цепи.
Нумерация главной цепи, начиная с углеродного атома функциональной группы.
Название углеводородного радикала.
Если в молекуле присутствует альдегидная группа, то к названию прибавляется суффикс -аль. Если в соединении есть одна кетонная группа, то к названию прибавляется суффикс -он, а есть кетонных группы две, то к названию прибавляется суффикс -дион.

Гомологический ряд альдегидов и кетонов

Ряд альдегидов начинается с соединения с одним углеродным атомом – с метаналя. Он содержится во многих природных объектах, например, в деревьях. Характерный запах новой мебели – это запах метаналя, который при больших концентрациях опасен для здоровья человека и животных.

Гомологический ряд кетонов начинается с пропанона. Это соединение широко известен как хороший растворитель. Ацетон характеризуется резким характерным запахом.

Изомерия карбонильных соединений

Для карбонильных соединений свойственна как структурная, так и пространственная изомерия. Пространственная изомерия включает оптическую и цис-транс. Оптическая изомерия возможна при наличии ассиметричного атома углерода в молекуле, а цис-транс-изомерия – при наличии кратной связи.

Оптическая изомерия альдегида.

Структурная изомерия альдегидов

Структурная изомерия кетонов

Способы получения альдегидов и кетонов

Карбонильные соединения можно получить несколькими способами.

Окисление спиртов

Окисление протекает при нагревании. Альдегиды получают с помощью реакций окисления первичных спиртов, а кетоны – вторичных.

Дегидрирование спиртов

Реакция заключается в пропускании спиртовых паров над медью.

Взаимодействие алкинов с водой, или реакция Кучерова

Для проведения реакции необходим катализатор в виде соли ртути (II).

Гидролиз дигалогенпроизводных алканов

В ходе щелочного гидролиза образуется диол, содержащий две гидроксильные группы –ОН у одного атома углерода. Эта структура неустойчива, поэтому быстро образуется в альдегид или кетон.

Пиролиз солей карбоновых кислот

Для проведения данной реакции необходимо нагревание и наличие двухвалентных металлов. В результате образуются кетоны и карбонаты.

Кумольный метод получения пропанона

В промышленности пропанон, или более известный как ацетон, получают с помощью каталитического окисления кумола. Синтез пропанона проходит в два этапа.

Физические свойства альдегидов и кетонов

У соединений этого класса атомы не могут формировать водородные связи. Эта особенность отражается в низких температурах плавления и кипения, по сравнению со спиртами. У кетонов температура плавления и кипения немного выше, чем у альдегидов.

Существование в виде характерно только для формальдегида. Альдегиды с двумя-пятью и кетоны с тремя-четырьмя углеродными атомами – жидкости. Агрегатное состояние высших соединений – твердое. Низшие карбонильные молекулы растворимы в воде, а по мере увеличения углеродной цепи эта способность падает. Все альдегиды и кетоны хорошо растворимы в органических растворителях.

Особенность представителей класса заключается в особенных ароматах. Низшие альдегиды и кетоны отличаются резким запахом, средние имеют неприятный запах, а высшие обладают цветочными ароматами. Альдегиды опасны при вдыхании, т.к. поражают слизистые, а также оказывают негативное влияние на нервную систему.

Формальдегид – опасный для здоровья бесцветный газ. Его можно отличить по резкому запаху. Формальдегид относится к группе веществ раздражающего или слезоточивого действия. Водный раствор 40-% формальдегида – формалин, который обладает дезинфицирующим эффектом и используется для хранения биологических объектов.

Ацетальдегид – бесцветная жидкость с низкой температурой кипения в 21˚С. Обладает запахом зеленой листвы. Негативно влияет на организм человека и животных.

Некоторые альдегиды люди используют как источник витаминов. Например, в пиродоксале содержится витамин В₆.

Некоторые насекомые в качестве защиты используют сильные запахи, в состав которых входят альдегиды. Эти соединения оказывают раздражающее действие.

Химические свойства альдегидов и кетонов

Реакции определяются наличием группы С=О, которая создает активное вещество. Для альдегидов свойственна большая реакционная способность по сравнению с кетонами.

Реакции присоединения

Данные реакции проходят по двойной связи.

Гидрирование альдегидов приводит к образованию первичных спиртов, а кетонов – вторичных.

Гидратация возможна только для формальдегида и уксусного альдегида. В результате гидратации формальдегида синтезируется гидратная форма, которая существует только при низких температурах.

При взаимодействии спиртов и альдегидов образуются полуацетали, которые существуют только при низких температурах. Реакции протекает при участии катализатора – кислоты или щелочи.

При реакции полуацеталя с еще одной молекулы спирта в присутствии протона Н + полуацетальный гидроксил замещается на алкоксильную группу и образуется ацеталь.

Окисление

Альдегиды легко поддаются окислению. Кетоны окисляются только при участии сильных окислителей и при высоких температурах.

Для данной реакции требуется свежеприготовленный гидроксид меди (II). Характерная черта реакции – образование краснокирпичного осадка оксида меди (I)Cu₂O.

Окисление аммиачным раствором оксида серебра

Упрощенная форма уравнения:

Окислителями могут быть перманганаты и соединения хрома (VI).

Кетоны подвергаются окислению только под действием перманганатов и дихроматов при нагревании.

Реакции замещения

При взаимодействии с галогенами образуется галогензамещенный (у ближайшего к функциональной группе атома углерода) альдегид или кетон.

Поликонденсация

Формальдегид может реагировать с фенолом при наличии катализатора – кислоты или щелочи.

Полимеризация

Реакция полимеризации возможна для легких альдегидов.

Применение альдегидов и кетонов

Карбонильные соединения широко применяются во многих отраслях. Им характерна высокая реакционная активность.

Формальдегид применяется для получения пластмасс, формальдегидных смол, а также в производстве лекарств и продуктов органического синтеза и в обработке кож в кожевенной промышленности. При взаимодействии формальдегида и аммиака образуется уротропин – мочегонный препарат. Иногда прессованный уротропин используют как сухое горючее.

Ацетальдегид используется в получении уксусной кислоты, уксусного ангидрида, этилацетата и др.

Ацетон применяется в лакокрасочной промышленности, в производстве ацетатного шелка, пироксилина (бездымного пороха), киноплёнки.

Метаналь в основном используют для получения формальдегидной смолы, которая применяется в производстве пластмасс, клея, лаков.

Ванилин – альдегид, который используют в пищевой промышленности (в особенности при изготовлении выпечки) и парфюмерии. Он имеет характерный сладкий запах.

Цитраль – альдегид с цитрусовым ароматом. Его применяют в качестве отдушки моющих средств и косметики. Цитраль также входит в состав организмов муравьев. Он используется в медицине для понижения давления, а также для изготовления препаратов улучшающих зрение, антисептиков и антибактериальных средств.

Бензальдегид содержится в эфирных маслах и обладает запахом горького миндаля. Он в виде гликозида содержится в семенах миндаля, косточках вишни, абрикоса и персика.

Альдегиды и кетоны – это производные углеводородов, в молекулах которых имеется карбонильная группа. Альдегиды по строению отличаются от кетонов положением карбонильной группы. О физических свойствах альдегидов и кетонов, а также об их классификации и номенклатуре говорим в этой статье.

Физические свойства

В отличие от спиртов и фенолов, для альдегидов и кетонов не характерно образование водородных связей, именно поэтому их температуры кипения и плавления значительно ниже. Так, формальдегид – газ, уксусный альдегид кипит при температуре 20,8 градусов, тогда как метанол кипит при температуре 64,7 градусов. Аналогично фенол – кристаллическое вещество, а бензальдегид – жидкость.

Формальдегид – бесцветный газ с резким запахом. Остальные члены ряда альдегидов – жидкости, а высшие альдегиды являются твердыми веществами. Низшие члены ряда (формальдегид, ацетальдегид) – растворимы в воде, имеют резкий запах. Высшие альдегиды хорошо растворимы в большинстве органических растворителях (спирты, эфиры), у альдегидов С₃-С₈ весьма неприятный запах, а высшие альдегиды применяются в парфюмерии из-за цветочных запахов.

Общая формула альдегидов и кетонов выглядит следующим образом:

формула альдегидов – R-COH
формула кетонов – R-CO-R

Классификация и номенклатура

Альдегиды и кетоны отличаются по типу углеродной цепи, в которой находится карбонильная группа. Рассмотрим соединения жирного ряда и ароматические:

ациклические, предельные. Первым членом гомологического ряда альдегидов является муравьиный альдегид (формальдегид, метаналь) – CH₂=O.

Муравьиный альдегид применяется как антисептик. С его помощью осуществляется дезинфекция помещений, протравливание семян.

Второй член альдегидного ряда – уксусный альдегид (ацетальдегид, этаналь). Он применяется как промежуточный продукт при синтезе уксусной кислоты и этилового спирта из ацетилена.

непредельные. Необходимо упомянуть такой непредельный альдегид, как акролеин (пропеналь). Этот альдегид образуется при термическом разложении глицерина и жиров, составной частью которых является глицерин.
ароматические. Первым членом гомологического ряда ароматических альдегидов является бензольный альдегид (бензальдегид). Также можно отметить такой альдегид растительного происхождения, как ванилин (3-метокси-4-гидроксибензальдегид).

Кетоны могут быть чисто ароматические и жиро-ароматические. Чисто ароматическим является, например, дифенилкетон (бензофенон). Жирно-ароматическим является, например, метил-фенилкетон (ацетофенон)

Что мы узнали?

На уроках химии 10 класса важнейшей задачей является изучение альдегидов и кетонов. В альдегидах атом углерода карбонильной группы является первичным, а в кетонах вторичным. Поэтому в альдегидах карбонильная группа всегда связана с атомом водорода. Альдегидная группа обладает большей химической активностью, чем кетонная, особенно в реакциях окисления.

Альдегиды – органические вещества, относящиеся к классу карбонильных соединений, содержащих в своем составе функциональную группу –СН = О, которая называется карбонильной.

Общая формула предельных альдегидов и кетонов C_nH₂_nO. В названии альдегидов присутствует суффикс –аль.

Простейшие представители альдегидов – формальдегид (муравьиный альдегид) –СН₂ = О, ацетальдегид (уксусный альдегид) – СН₃-СН = О. Существуют циклические альдегиды, например, циклогексан-карбальдегид; ароматические альдегиды имеют тривиальные названия – бензальдегид, ванилин.

Атом углерода в карбонильной группе находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует 3σ-связи (две связи С-Н и одну связь С-О). π-связь образована р-электронами атомов углерода и кислорода. Двойная связь С = О является сочетанием σ- и π-связей. Электронная плотность смещена в сторону атома кислорода.

Для альдегидов характерна изомерия углеродного скелета, а также межклассовая изомерия с кетонами:

Химические свойства альдегидов

В молекулах альдегидов имеется несколько реакционных центров: электрофильный центр (карбонильный атом углерода), участвующий в реакциях нуклеофильного присоединения; основный центр – атом кислорода с неподеленными электронными парами; α-СН кислотный центр, отвечающий за реакции конденсации; связь С-Н, разрывающаяся в реакциях окисления.

1. Реакции присоединения:

— воды с образованием гем-диолов

— спиртов с образованием полуацеталей

— тиолов с образованием дитиоацеталей (в кислой среде)

— гидросульфита натрия с образованием α-гидроксисульфонатов натрия

— аминов с образованием N-замещенных иминов (основания Шиффа)

— гидразинов с образованием гидразонов

— циановодородной кислоты с образованием нитрилов

— восстановление. При взаимодействии альдегидов с водородом получаются первичные спирты:

R-CH = O + Ag₂O → R-CO-OH + 2Ag↓;

— окисление альдегидов гидроксидом меди (II), в результате которого выпадает осадок оксида меди (I) красного цвета

Эти реакции являются качественными реакциями на альдегиды.

Физические свойства альдегидов

Первый представитель гомологического ряда альдегидов – формальдегид (муравьиный альдегид) – газообразное вещество (н.у.), альдегиды неразветвленного строения и состава С₂-С₁₂ – жидкости, С₁₃ и длиннее – твердые вещества. Чем больше атомов углерода входит в состав неразветвленного альдегида, тем выше его температура кипения. С увеличением молекулярной массы альдегидов увеличиваются значения величин их вязкости, плотности и показателя преломления. Формальдегид и ацетальдегид способны смешиваться с водой в неограниченных количествах, однако, с ростом углеводородной цепи эта способность альдегидов снижается. Низшие альдегиды обладают резким запахом.

Получение альдегидов

Основные способы получения альдегидов:

$^<\circ> — гидроформилирование алкенов. Эта реакция заключается в присоединении СО и водорода к алкену в присутствии карбонилов некоторых металлов VIII группы, например, октакарбонилдикобальта (Cо2(СО)8) Реакция проводится при нагревании до 130$
С и давлении 300 атм

— гидратация алкинов. Взаимодействие алкинов с водой происходит в присутствии солей ртути (II) и в кислой среде:

— окисление первичных спиртов (реакция протекает при нагревании)

Применение альдегидов

Альдегиды нашли широкое применение в качестве сырья для синтеза различных продуктов. Так, из формальдегида (крупнотоннажное производство) получают различные смолы (фенол-формальдегидные и т.д.), лекарственные препараты (уротропин); ацетальдегид — сырье для синтеза уксусной кислоты, этанола, различных производных пиридина и т.д. Многие альдегиды (масляный, коричный и др.) используют в качестве ингредиентов в парфюмерии.

Примеры решения задач

Задание

Бромированием С_nH₂_n₊₂получили 9,5 г монобромида, который при обработке разбавленным раствором NaOH превратился в кислородсодержащее соединение. Пары его с воздухом пропущены над раскаленной медной сеткой. При обработке образовавшегося при этом нового газообразного вещества избытком аммиачного раствора Ag₂O выделилось 43,2 г осадка. Какой углеводород был взят и в каком количестве, если выход на стадии бромирования 50%, остальные реакции протекают количественно.

Решение

Запишем уравнения всех протекающих реакций:

R-CH = O + Ag₂O → R-CO-OH + 2Ag↓.

Осадок выделившийся в последней реакции – это серебро, следовательно, можно найти количество вещества выделившегося серебра:

v(Ag) = m/M = 43,2/108 = 0,4 моль.

По условию задачи, после пропускания вещества полученного в реакции 2 над раскаленной металлической сеткой образовался газ, а единственный газ –альдегид – это метаналь, следовательно, исходное вещество – это метан.

Количество вещества бромметана:

v(CH₃Br) = m/M = 9,5/95 = 0,1 моль.

Тогда, количество вещества метана, необходимое для 50% выхода бромметана – 0,2 моль. М(CH₄) = 16 г/моль. Следовательно масса и объем метана:

Задание	Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: бутен-1 → 1-бромбутан + NaOH → А – Н₂ → В + [Ag(NH₃)₂]OH → С + HCl → D.
Решение	Для получения 1-бромбутана из бутена-1 необходимо провести реакцию гидробромирования в присутствии пероксидных соединений R₂O₂ (реакция протекает против правила Марковникова):

При взаимодействии с водным раствором щелочи 1-бромбутан подвергается гидролизу с образованием бутанола-1 (А):

Бутанол-1 при дегидрировании образует альдегид – бутаналь (В):

Аммиачный раствор оксида серебра окисляет бутаналь до аммонийной соли – бутирата аммония (С):

Бутират аммония при взаимодействии с соляной кислотой образует масляную (бутановую) кислоту (D):

Альдегиды и кетоны - производные углеводородов, в которых содержится одна или более карбонильных групп $C = O$ (оксогрупп). Альдегидами называются соединения, в которых карбонильная группа соединена с углеводородным остатком и водородом, кетонами - если она соединена с двумя углеводородными остатками (при этом группу $C = O$ называют еще кетогруппой):

Рисунок 1. Альдегилы и кетоны. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Альдегиды и кетоны относятся к группе карбонильных соединений.

В зависимости от строения углеводородного радикала альдегиды и кетоны разделяют на алифатические, алициклические и ароматические. Среди алифатических альдегидов и кетонов различают насыщенные и ненасыщенные.

Изомерия альдегидов связана со строением углеводородного остатка, а кетонов - дополнительно положению $C = O$ группы.

Физические свойства

Насыщенные альдегиды и кетоны - это бесцветные жидкости, кроме формальдегида, который при нормальных условиях является газом. Они характеризуются резким запахом. Температуры их кипения ниже, чем у спиртов, так как для альдегидов и кетонов проявления водородной связи не характерно, причем кетоны кипят при более высокой температуре, чем альдегиды с одинаковым количеством атомов углерода.

Муравьиный и уксусный альдегиды, а также кетоны с небольшой молекулярной массой растворимые в воде. При увеличении молекулярной массы растворимость этих веществ в воде уменьшается. Все альдегиды и кетоны хорошо растворяются в органических растворителях (спирте, эфире и т.п.).

Считают, что карбонильная группа -осмофор, то есть носитель запаха. Муравьиный альдегид имеет довольно резкий запах. Другие ниже альдегиды имеют удушающий запах, который при сильном разбавления становится приятным и напоминает запах овощей и фруктов. Кетоны пахнут довольно приятно.

Готовые работы на аналогичную тему

Электронное строение карбонильной группы

Вследствие различной электроотрицательности атомов углерода и кислорода карбонильная группа имеет высокую полярность (μ $\sim$ $2,5 D$ для альдегидов и $2,7 D$ для кетонов) и значительную способность к поляризуемости. Например, значение молекулярной рефракции $MR$ для оксогруппы равна примерно 3,4, тогда как для одинарной $C-O$-связи всего 1,5.

Двойная связь карбонильной группы состоит, как и для алкенов, из σ- и π-связей:

Рисунок 2. Двойная связь карбонильной группы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Особенность карбонильной группы заключается в заметной разнице электроотрицательности атомов, ее образующих. Атом кислорода имеет внешнее строение $1s^22s^22p^4$ с распредилением 4х $p$-электронов по отдельным $x,y,z$ подуровням, но окончательно проблема его гибридизации не решена.

Предполагают существование неэквивалентных гибридных орбиталей со значительным $p$-характером типа $s^n p^m$, где $n$ стремиться к 1, $m$ стремиться к 2, то есть, σ-связь $C-O$ вероятнее всего образуется при перекрытии $sp^$-гибридной орбитали углерода и $2p_x - AO$ кислорода. $n$-связь образуется при взаимодействии негибридизованои $2p_x - AO$ углерода и $2p_x - AO$ кислорода.

Две остаточные пары $n$-элетронов $2s^2$ и $_y$ атома кислорода существенно на химические свойства карбонильной группы не влияют.

Ниже приведена структура простейшего альдегида - формальдегида с данными валентных углов и длин связей.

Рисунок 3. Структура простейшего альдегида. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

длина связи, $C=O$ 1,203 $C-H$ 1,101

валентный угол, $<>^\circ$ $H-C=O$ 121,8 $H-C-H$ 116,5

Вследствие полярности связей $C = O$ атом углерода приобретает положительный эффективного заряда, и его называют электрофильным центром, а кислород - отрицательного заряда, и его называют нуклеофильного центром. Поэтому атом углерода взаимодействует с нуклеофилами, что является основным взаимодействием $C=O$-группы альдегидов и кетонов в химических реакциях, а кислород - с электрофилами. Заместители акцепторного действия, которые увеличивают положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы, значительно повышают ее реакционную способность. Противоположный эффект наблюдается при донорном действии заместителей:

Рисунок 4. Донорное действие заместителей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Итак, альдегиды и кетоны, с одной стороны, проявляют значительные электрофильные свойства, а с другой - слабые нуклеофильные, подобно спиртам и эфирам.

Альдегиды проявляют большую химическую активность по сравнению с кетонами в результате двух основных факторов. Во-первых, при наличии второго углеводородного остатка $R$ возникают стерические препятствия при атаке нуклеофилом электрофильного центра. Во-вторых, заместитель $R$ с $+I$-эффектом уменьшает положительный заряд на электрофильном атоме углерода карбонильной группы и увеличивает отрицательный заряд на атоме кислорода. В результате ослабляется способность карбонильной группы к реакциям с нуклеофильными реагентами.

Энергия связи $C = O$ равна 680-760 кДж / моль (для сравнения энергия двойной связи $E_$ составляет 590-640 кДж / моль), но благодаря высокой полярности и поляризуемости карбонильная группа более реакционноспособна, чем углерод-углеродная кратная связь.

Спектральные характеристики альдегидов и кетонов

В УФ-спектрах карбонильные соединения имеют интенсивную полосу поглощения -185 нм вследствие π-π-перехода и слабоинтенсивну 270-300 нм благодаря n-π-перехода:

Рисунок 5. УФ-спектры: бензальдегида (I), анилина (II) и фторбензола (III). Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В ИК-области спектра наблюдаются интенсивные валентные колебания карбонильной группы $v_$ в диапазоне 1850-1650 см $^$, поэтому ИК-спектроскопия является надежным методом ее определения.

В случае ПМР-спектроскопии для альдегидной группы существует характерный сигнал протона при 8,5-11,0 м.ч., который также является надежным критерием его наличии у карбонильной группы.

Читайте также: