Алдехиди и кетони: формула и химични свойства, производство, приложение

Алдехидите и кетоните имат в своя състав карбонилна функционална група> С = О и принадлежат към класа на карбонилните съединения. Също така те се наричат ​​оксо съединения. Въпреки факта, че тези вещества принадлежат към един и същи клас поради структурните особености, те все още са разделени на две големи групи.

В кетоните, въглеродният атом от групата> С = О е свързан към два еднакви или различни въглеводородни радикала, те обикновено имат формата: R-CO-R `. Такава форма на карбонилна група се нарича кето група или оксо група. При алдехидите въглеродният въглерод е свързан само с един въглеводороден радикал, а останалата валенция е заета от водородния атом: R-СОН. Тази група се нарича алдехид. Поради тези структурни разлики, алдехидите и кетоните се държат малко по-различно при взаимодействие със същите вещества.

Карбонилна група

Атомите C и O в тази група са в sp²-хибридизирано състояние. Въглерод поради sp²-хибридният орбитал има 3 sigma - връзки, разположени под ъгъл от приблизително 120 градуса в една равнина.

Кислородният атом има много по-голяма електронегативност от въглеродния атом и поради това дърпа заедно мобилните електрони pi са връзките в групата> C = O. Следователно, върху атома О възниква излишък от електронна плътност делта-^-, и на атома С, напротив, той намалява делта-⁺. Това обяснява характеристиките на свойствата на алдехидите и кетоните.

Двойната връзка С = О е по-силна от С = С, но в същото време е по-реактивна, което се обяснява с голямата разлика в електронегативите на въглеродните и кислородните атоми.

номенклатура

Както при всички други класове органични съединения, съществуват различни подходи за обозначаване на алдехиди и кетони. В съответствие с разпоредбите на номенклатурата по IUPAC, наличието на алдехидна форма на карбонилна група е означено чрез наставка -Ал, но кетон -каза той. Ако карбонилната група е най-висока, тогава тя определя реда на номериране на С атомите в главната верига. В алдехида карбониловия въглероден атом е първият и в кетоните С атомите са номерирани от края на веригата, към която е по-близо групата> С = О. Това включва необходимостта да се определи позицията на карбонилната група в кетоните. Направете това, като напишете съответния номер след наставката -on.

Ако карбонилната група не е най-висока, тогава според правилата на IUPAC нейното присъствие се обозначава с префикс -оксо за алдехиди и -оксо(Кето) за кетони.

За алдехидите, широко се използват тривиалните имена, произлизащи от наименованията на киселините, в които те могат да се превърнат по време на окисляването, като замести думата "киселина" с "алдехид":

• SEta-₃-SON, оцетен алдехид;
• SEta-₃-СН₂-SONE пропионалдехид;
• SEta-₃-СН₂-СН₂-СИН Маслен алдехид.

За кетоните се използват често радикално функционални имена, които се състоят от имената на левия и десния радикали, свързани с карбониловия въглероден атом и думите "кетон":

• SEta-₃-CO-CH₃ диметил кетон;
• SEta-₃-SEta-₂-CO-CH₂-СН₂-СН₃ етилпропил кетон;
• C₆Eta-₅-CO SEta-₂-SEta-₂-SEta-₃ пропилфенил кетон.

класификация

В зависимост от природата на въглеводородните радикали, класа на алдехидите и кетоните се разделя на:

• ограничаващи - С атомите са свързани едни с други само с единични връзки (пропанал, пентанон);
• ненаситени - съществуват двойни и тройни връзки между С атомите (пропенал, пентен-1-он-3);
• ароматни - съдържат в молекулата си бензенов пръстен (бензалдехид, ацетофенон).

Броят на карбонилите и присъствието на други функционални групи разграничават:

• монокарбонилни съединения - съдържат само една карбонилна група (хексанал, пропанон);
• дикарбонилни съединения - съдържат две карбонилни групи в алдехидна и / или кетонна форма (глиоксал, диацетил);
• карбонилни съединения, съдържащи също други функционални групи, които на свой ред са разделени на халокарбонил, хидроксикарбонил, аминокарбонил и др.

изомерия

Най-характерните за алдехидите и кетоните са структурните изомери. Пространственото е възможно, когато в въглеводородния радикал има асиметричен атом, както и двойна връзка с различни заместители.

• Изомеризъм на въглеродния скелет. Наблюдава се и при двата вида карбонилни съединения, но започва с бутанол в алдехиди и с пентанон-2 в кетони. Така, бутанал СН₃-SEta-₂-SEta-₂-SON има един изомер на 2-метилпропанал СЕта-₃-Ceta- (Cea-₃) -SON. Пентанон-2-Сета-₃-CO SEta-₂-SEta-₂-SEta-₃ изомеризира се с 3-метилбутанон-2 Сета-₃-CO-CeA- (CeA-₃) -Сета-₃.
• Interclass изомеризъм. Оксо съединенията със същия състав са изомерни един с друг. Например, съставът на С_3Eta-6О съответства на пропанал СН₃-SEta-₂-SON и пропанон CeA-₃-CO SEta-₃. А молекулната формула на алдехидите и кетоните₄Н₈O отговаря на бутанал СН₃-SEta-₂-SEta-₂-SON и Butanone CH₃-CO SEta-₂-SEta-₃.

Също така, междукласните изомери за карбоксилни съединения са циклични оксиди. Например, етанал и етиленоксид, пропанон и пропиленов окис. В допълнение, ненаситените алкохоли и етери могат също да имат общ състав и оксо съединения. Така, молекулната формула С₃Н₆За нас има:

• SEta-₃-SEta-₂-SON - пропанал;
• SEta-₂= Ceta - Cea-₂-ОН-алилов алкохол;
• SEta-₂= СЕта-О-СН₃ - метил винил етер.

Физични свойства

Въпреки факта, че молекулите на карбонилните вещества са полярни, за разлика от алкохолите, алдехидите и кетоните нямат мобилен водород и следователно не образуват асоциирани вещества. Следователно точките на топене и кипене са малко по-ниски от съответните алкохоли.

Ако сравним алдехидите със същия състав с кетони, тогава последният t_бали малко по-висока. С увеличаване на молекулното тегло t_пл и т_бали оксо съединения естествено се увеличават.

Долните карбонилни съединения (ацетон, формалдехид, оцетен алдехид) са силно разтворими във вода, по-високи алдехиди и кетони се разтварят в органични вещества (алкохоли, етери и др.).

Оксосъединенията миришат много различно. Най-ниските им представители имат остри миризми. Алдехидите, съдържащи от три до шест С атома миришат много неприятно, но техните по-високи хомолози са надарени с флорални аромати и дори се използват в парфюмерията.

Реакция на добавянето

Химичните свойства на алдехидите и кетоните се дължат на структурните характеристики на карбонилната група. Поради факта, че двойната връзка С = О е силно поляризирана, при действието на полярните агенти лесно се трансформира в обикновена единична връзка.

1. Взаимодействие с циановодородна киселина. Добавянето на HCN в присъствието на следи от алкали се получава при образуването на цианохидрини. Добавя се алкали за повишаване на концентрацията на йоните на КН^-:

R-CHO + NCN-> R-CH (OH) -CN

2. Добавянето на водород. Карбонилните съединения лесно могат да бъдат редуцирани до алкохоли чрез свързване на водород чрез двойна връзка. В същото време първични алкохоли се получават от алдехиди и вторични кетони се получават от кетони. Реакциите се катализират от никел:

Н₃С-СНО + Н₂ -> Н₃C-SEta-₂-OΗ

Eta-₃C-CO-SEta-₃ + Eta-₂ -> Н₃C-Ce- (Оета-) -Сета-₃

3. Добавяне на хидроксиламини. Тези реакции на алдехиди и кетони се катализират от киселини:

Н₃С-СНО + NH₂OH -> Eta-₃C-CeA- = N-OH + Н₂ох

4. Хидратация. Добавянето на водни молекули към оксо съединения води до образуването на хемолини, т.е. такива двуциклени алкохоли, в които две хидроксилни групи са прикрепени към един въглероден атом. Въпреки това, такива реакции са обратими, веществата незабавно се разпадат с образуването на изходни материали. Групите, оттеглящи електрони, в този случай променят равновесието на реакциите към продуктите:

С = О + Eta-₂ <- >> C (OEta-)₂

5. Добавянето на алкохоли. В хода на тази реакция могат да се получат различни продукти. Ако две молекули алкохол са прикрепени към алдехида, тогава се образува ацетал, а само един, а след това полуацетал. Условието за провеждане на реакцията е загряване на сместа с киселина или средство за отстраняване на водата.

R-CHO + HO-R `-> R-CH (HO) -O-R`

R-CHO + 2NO-R `-> R-CH (O-R`)₂

Алдехидите с дълга въглеводородна верига имат тенденция към вътрешномолекулна кондензация, което води до образуване на циклични ацетали.

Качествени реакции

Ясно е, че с различна карбонилна група в алдехидите и кетоните, тяхната химия също е различна. Понякога е необходимо да се разбере кой от тези два типа се отнася до полученото оксо съединение. Алдехидите се окисляват по-лесно от кетоните, това се случва дори при действието на сребърен оксид или меден (II) хидроксид. В този случай карбонилната група се променя в карбоксилна група и се образува карбоксилна киселина.

Реакцията на сребърно огледало обикновено се нарича окисление на алдехиди с разтвор на сребърен оксид в присъствието на амоняк. Всъщност в разтвора се образува сложно съединение, което влияе на алдехидната група:

Ag₂O + 4NH₃ + Н₂О -> 2 [Ag (NEta-₃)₂] ОН

SEta-₃-COEta- + 2 [Ag (NEta-₃)₂] Ота - -> CH₃-COO-NH₄ + 2Ag + 3NH₃ +Н₂ох

По-често запишете същността на реакцията чрез по-проста схема:

SEta-₃-COEta- + Ag₂О -> CEA-₃-COOta- + 2Ag

По време на реакцията окислителят се редуцира до метално сребро и се утаява. В същото време се образува тънко сребро покритие, подобно на огледало, по стените на реакционния съд. За тази реакция получи името си.

Друга качествена реакция, която показва разликата в структурата на алдехидите и кетоните, е действието върху -CON групата на свежа Cu (OEta-)₂. Пригответе го чрез добавяне на алкали към двувалентните разтвори на медни соли. В същото време се образува синя суспензия, която, когато се нагрява с алдехиди, променя цвета си до червеникавокафяво, поради образуването на меден (I) оксид:

R-SON + Cu (OEta-)₂ -> R-COOEta- + Cu₂O + Eta-₂ох

Окислителни реакции

Оксо съединенията могат да бъдат окислени с разтвор на KMnO₄ когато се загрява в кисела среда. Кетоните обаче се унищожават с образуването на смес от продукти, които нямат практическа стойност.

Химичната реакция, която отразява това свойство на алдехидите и кетоните, е придружена от промяна в цвета на розовата реакционна смес. В същото време от преобладаващото мнозинство от алдехиди се получават карбоксилни киселини:

СН₃-SON + KMnO₄ + Н₂SO₄ -> CH₃-SON + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂ох

Формалдехидът по време на тази реакция се окислява до мравчена киселина, която под действието на окислителните агенти се разлага, за да образува въглероден диоксид:

H-CHO + KMnO₄ + Н₂SO₄ -> CO₂ + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂ох

За алдехидите и кетоните, пълното окисление е типично при реакциите на изгаряне. В този случай CO₂ и вода. Уравнението на изгарянето за формалдехид е:

NSOH + О₂ -> CO₂ + Н₂ох

приемане

В зависимост от обема на продуктите и целите на тяхното използване, методите за получаване на алдехиди и кетони са разделени на промишлени и лабораторни. В химикала производство карбонилните съединения се получават чрез окисляване на алкани и алкени (петролни продукти), дехидрогениране на първични алкохоли и хидролиза на дихалоалкани.

1. Приготвяне на формалдехид от метан (с нагряване до 500 ° С в присъствието на катализатор):

SEta-₄ + ох₂ -> HCOOH + Eta-₂О.

2. Окисление на алкени (в присъствието на катализатор и висока температура):

2SEta-₂= CeA-₂ + ох₂ -> 2СН₃-DREAM

2R-Се- = CeA-₂ + ох₂ -> 2R-CeA-₂-SOΗ

3. Разцепване на водорода от първични алкохоли (катализирана от мед, нагряване е необходимо):

SEta-₃-SEta-₂-OH -> CH₃-SON + Eta-₂

R-CH₂-OH -> R-SON + Н₂

4. Хидролиза на дихалоалкани с алкали. Задължително условие е добавянето на двата халогенни атома към същия въглероден атом:

SEta-₃-С (С1)₂H + 2NaOH -> Ceta-₃-COEta- + 2NaCl + Н₂ох

В малки количества в лабораторни условия карбонилните съединения се получават чрез хидриране на алкини или чрез окисление на първични алкохоли.

5. Добавянето на вода към ацетилени се извършва в присъствието на живачен сулфид в кисела среда (реакцията на Кучеров):

Ета-Сequiv-СЕта- + Eta-₂О -> СН₃-SOΗ

R-Сequiv-СЕта- + Eta-₂О -> R-CO-CH₃

6. Окислението на алкохоли с крайна хидроксилна група, се извършва като се използва сребро или метална мед, меден оксид (II), както и калиев перманганат или дихромат в кисела среда:

R-SEta-₂-Ота - + О₂ -> R-CHO + Н₂ох

Използването на алдехиди и кетони

мравчена алдехид Необходимо е да се получат фенолформалдехидни смоли, получени по време на реакцията на кондензацията му с фенол. От своя страна получените полимери са необходими за производството на различни пластмаси, ПДЧ, лепила, лакове и много други. Също така се използва за производство на лекарствени продукти (уротропин), дезинфектанти и се използва за съхраняване на биологични препарати.

Основната част от етанола се отнася до синтеза на оцетна киселина и други органични съединения. Някои количества ацеталдехид се използват във фармацевтичното производство.

Ацетонът се използва широко за разтварянето на много органични съединения, включително лакове и бои, някои видове гуми, пластмаси, естествени смоли и масла. За тази цел се използва не само за почистване, но в смес с други органични съединения в марки разтворител F-648, F-647, F-5, F-4, и др. Освен това, се използва за обезмасляване на повърхности в производството на различни части и механизми. За фармацевтичния и органичния синтез се изискват големи количества ацетон.

Много алдехиди имат приятен аромат, който се използва в парфюмерийната индустрия. Например, цитрал има лимонов аромат, бензалдехид, горчив бадем миризма, фенилоцетна алдехид аромат състав добавя зюмбюл.

Циклохексанонът е необходим за производството на много синтетични влакна. От нея се получава адипинова киселина, която от своя страна се използва като суровина за капролактам, найлон и капрон. Използва се и като разтворител за мазнини, естествени смоли, восъци и PVC.