Практически все химические вещества, окружающие нас, тестируются человеком, исходя из его запросов и потребностей. Каждое соединение имеет уникальный, только ему присущий набор признаков и свойств, из которых отбираются полезные и необходимые нам в повседневной жизни. Альдегиды, о которых пойдет речь, также не являются исключением.
Скромное дитя органической химии
Среди соединений углерода, которые принято называть органическими, есть хорошо известные, которые как говорится, «у всех на слуху». Например, глюкоза, этиловый спирт или пластмассы. Альдегидам в этом смысле не повезло. О них известно разве что узким специалистам, да еще учащимся старших классов, усиленно штудирующим химию для поступления в вуз. На самом же деле такие соединения (как например, уксусный альдегид) химические свойства которого мы рассмотрим, широко используется как в промышленном производстве, так и в быту.
Яблоко раздора
Увы, но открытия в науке довольно часто происходят отнюдь не безоблачно. Альдегиды, их химическое строение и свойства были открыты в результате длительных споров и дискуссий в среде ученых XIX столетия. А такие известные химики как Либих и Дёберейнер даже не на шутку повздорили, выясняя, кому же на самом деле принадлежит пальма первенства в получении и выделении в чистом виде уксусного альдегида. Его добыли из паров этилового спирта, пропущенных над платиновой сеткой, служащей катализатором реакции. Единственное, что смогло примирить оппонентов, так это безоговорочное принятие всеми химиками названия нового класса веществ - альдегиды, что дословно обозначает «безводородные алкоголи». Оно указывает на способ получения их из спиртов реакцией отщепления двух атомов водорода.
Ни с чем не перепутаешь
Рассматривая физические и химические свойства альдегидов, легко убедиться, что они достаточно специфичны. Так, формальдегид, являющийся токсичным газом, имеет резкий удушающий запах. Его 40%-ый водный раствор, называемый формалином, служит причиной особенного запаха в анатомических лабораториях и моргах, где его применяют как антигнилостное средство, консервирующее белки органов и тканей.
А уксусный альдегид, являющийся следующим в гомологическом ряду, представляет собой хорошо растворимую в воде бесцветную жидкость с неприятным запахом прелых яблок. Альдегиды, химические свойства, которых характеризуются реакциями окисления и присоединения, могут превращаться в вещества генетически близких классов: карбоновых кислот или спиртов. Рассмотрим их на конкретных примерах.
Визитная карточка альдегидов
В органической химии, как, впрочем, и в неорганической, существует такое понятие как «качественная реакция». Её можно сравнить с маяком, сигнализирующим о том, что мы имеем дело именно с веществами конкретного класса, например, с альдегидами. Подтверждают химические свойства альдегидов реакции с аммиачным раствором оксида серебра и с гидроксидом меди при нагревании (реакция серебряного зеркала)
Продуктом реакции будет чистое серебро, выделившееся в виде зеркального слоя на стенках пробирки.
В результате реакции выпадает осадок кирпичного цвета - закись меди.
Вещества-двойники
Сейчас подошло время разобраться с таким явлением, характерным для всех органических веществ, в том числе и для альдегидов, как изомерия. Она напрочь отсутствует в мире неорганической химии. Там все просто: одной химической формуле соответствует только одно конкретное соединение с присущими ему физическими и химическими свойствами. Например, формуле HNO 3 соответствует одно вещество, называемое нитратной кислотой, имеющее температуру кипения 86°С, с едким запахом, очень гигроскопичное.
В царстве же органической химии живут-поживают вещества-изомеры, у которых формулы одинаковы, а свойства различны. Например, формулу C 4 H 8 O имеют два совершенно разных альдегида: бутаналь и 2-метилпропаналь.
Формулы их:
Изомерные альдегиды, химические свойства, которых зависят от их состава и строения, служат прекрасным доказательством гениальной теории строения органических соединений, созданной российским ученым М. Бутлеровым. Его открытие имеет такое же фундаментальное значение для химии, как периодический закон Д Менделеева.
Уникальный углерод
Прекрасным доказательством, подтверждающим теорию М. Бутлерова служат химические свойства альдегидов. Органическая химия, благодаря исследованиям российского ученого, наконец смогла ответить на вопрос, изводивший своею сложностью не одно поколение ученых, а именно: как объяснить поражающее воображение многообразие органических соединений, в основе которого лежит явление изомерии. Рассмотрим строение молекул двух альдегидов-изомеров: бутаналя и 2-метилпропаналя, имеющих одну и ту же молекулярную формулу - C 4 H 8 O, но различные структурные, а значит, отличающиеся друг от друга физическими и химическими свойствами.
Обратим внимание на две важнейшие особенности атома углерода, которые введены как постулаты в теорию М. Бутлерова:
1. Углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен.
2. Атомы углерода способны соединяться друг с другом и образовывать различные пространственные конфигурации: неразветвленные и разветвленные цепи или циклы.
На них, согласно валентности, нанизываются атомы других химических элементов: водорода, кислорода, азота, образуя, таким образом, весь гигантский арсенал существующих органических соединений (а их более 10 млн.) К тому же количество постоянно увеличивается за счет новых веществ, получаемых в химии органического синтеза.
Чем полярнее, тем лучше
Продолжая изучать альдегиды, их химическое строение и свойства, остановимся на явлении полярности атомов, входящих в состав молекул альдегидов. Так, атом углерода альдегидной группы в молекуле уксусного альдегида приобретает частичный положительный заряд, а атом кислорода - частичный отрицательный. Причина их возникновения лежит в следующем: электронная плотность π-связи является более подвижной, чем σ-связь.
В общей формуле альдегидов, где R -углеводородный радикал, связанный с альдегидной группой, на атоме кислорода образуется частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода - частичный положительный. Таким образом, функциональная группа альдегидов становится сильно поляризованной, что обуславливает большую реакционную способность этих веществ. Проще говоря, чем больше поляризованы атомы в молекуле вещества, тем лучше и быстрее оно вступает в химические реакции. Быстрая окислительная способность атома водорода в альдегидной группе и реакционная активность карбонильной группы обеспечивает альдегидам характерные им реакции присоединения и полимеризации.
Жизнь в пластмассовом мире
Именно альдегиды, химические свойства которых обусловлены способностью к реакциям поликонденсации и полимеризации, стали родоначальниками фенопластов и аминопластов - базовых материалов современной индустрии полимеров. Сырьем для ее предприятий служат формальдегид и уксусный альдегид. Так, из фенолформальдегидных смол получают фенопласты - важнейшие заменители черных и цветных металлов. Формальдегид получают окислением метана при нагревании его до 600°С в смеси с воздухом, а также окислением нагретого до 300°С метанола над медным катализатором. Таким образом, альдегиды, получение и химические свойства, которых мы рассматриваем, являются важным сырьем в реакциях органического синтеза.
Делаем выводы
Как видим, в послужном списке альдегидов достаточно необходимых и важных веществ, таких как, например, формальдегид и уксусные альдегиды, химические свойства которых человек с успехом использует в различных сферах своей жизнедеятельности.
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цель урока: характеризовать состав, строение, классификацию, физические и химические свойства, получение и применение альдегидов. Устанавливать взаимосвязь между изученными классами органических соединений. Знать качественные реакции на альдегиды.
Всюду в нашей жизни мы встречаемся с органической химией: мы едим продукты химической промышленности, мы одеваемся непосредственно в ее результаты: ацетатный шелк, искусственную шерсть, изделия из кожзаменителя и многое другое, благодаря химии мы можем проводить сложные операции (наркоз), лечить ангину и просто ставить уколы, где в качестве антисептика мы выбираем этиловый спирт.
Сегодня мы познакомимся с вами с классом органических веществ – альдегидами. Сегодня на уроке мы докажем, что жизнь без альдегидов невозможна. Узнаем, как связаны с этой темой хорошо известные вещества: ванилин, моющие средства, формалин, пластмасса, зеркало, уксусная кислота
Итак, альдегиды – это органические соединения, содержащие в составе своей молекулы, полярную карбонильную группу. В зависимости от заместителей, связанных с оксогруппой, эти вещества подразделяют на альдегиды и кетоны. В альдегидах с карбонильной группой связаны углеводородный радикал и атом водорода, тогда как в кетонах карбонильный углерод связан с двумя углеводородными радикалами.
Общая формула предельных карбонильных соединений C n H 2n O
Названия альдегидов по тривиальной номенклатуре часто производят от названий соответствующих монокарбоновых кислот. По рациональной номенклатуре альдегиды с разветвленной углеводородной цепью рассматриваются как производные ацетальдегида. По систематической номенклатуре названия рассматриваемых соединений производятся от соответствующих алканов с добавлением суффикса – аль.
Способы получения альдегидов. Основными способами получения альдегидов является каталитическое дегидрирование спиртов, гидратация алкинов, окисление спиртов.
Физические свойства.
Первый член гомологического ряда предельных альдегидов НСОН – бесцветный газ, несколько последующих альдегидов – жидкости. Высшие альдегиды – твердые вещества. Карбонильная группа обуславливает высокую реакционную способность альдегидов. Температура кипения альдегидов возрастает с увеличением молекулярной массы. Кипят они при более низкой температуре, чем соответствующие спирты, например пропионовый альдегид при 48,8 0 С, а пропиловый спирт – при 97,8 0 С.
Плотность альдегидов меньше единицы. Муравьиный и уксусный альдегиды хорошо растворяются в воде, последующие – хуже. Низшие альдегиды имеют резкий, неприятный запах, некоторые высшие – приятный запах.
Реакционная способность альдегидов обусловлена наличием активной карбонильной группы. Высокая электроотрицательность атома кислорода способствует сильной поляризации двойной связи в карбонильной группе и смещению подвижных?-электронов в сторону атома кислорода.
Химические свойства альдегидов:
1. Реакции присоединения:
А) реакция гидрирования
Б) реакция присоединения NaHSO 3
2. Реакции окисления:
А) реакция серебряного зеркала
Б) реакция светофор
3. Реакция поликонденсации
4. Реакция полимеризации
Качественная реакция на карбоксильную группу - реакция окисления альдегидов гидроксидом меди (ІІ) - светофор.
НСОН + 2Cu(OH) 2 = HCOOH +Cu 2 O +2H 2 O
“Реакция серебряного зеркала”
Вы можете представить себе жизнь без зеркала? Проснуться утром – и не увидеть своего отражения? Кажется, ерунда, мелочь. А ведь какой душевный дискомфорт! Недаром сказочных персонажей в качестве наказания лишали отражения. Что такое зеркало? В чем его сила? Откуда оно появилось? Как его изготавливают?
Как мы уже знаем, первыми настоящими зеркалами служили отполированные до блеска металлические пластинки из меди, золота, серебра. Однако такие зеркала имели большой недостаток – на воздухе быстро темнели и тускнели. Какой же выход нашли из этой ситуации? Многочисленные опыты показали, что блестящий металлический слой можно нанести и на стекло. Так, в I в. н.э. начали изготавливать стеклянные зеркала – стеклянные пластинки, соединенные со свинцовыми или оловянными пластинами. Делалось это так: мыли спиртом стекло, очищали его тальком и затем к поверхности плотно прижимали оловянный лист. Сверху наливали ртуть и, дав ей постоять, сливали избыток. Образовавшийся слой амальгамы заклеивали или закрашивали. Такие зеркала оказались намного долговечнее металлических, поэтому ремесленные мастерские перешли на выпуск стеклянных зеркал, отражающая поверхность которых была сделана из амальгамы олова (раствор олова Sn в ртути Hg). Но, поскольку пары ртути очень ядовиты, производство ртутных зеркал было весьма вредным, да и сами зеркала содержали ртуть. Было опасно держать ртутные зеркала в жилых помещениях.
Поэтому ученые продолжали искать замену для ртути. Ее нашли французский химик Франсуа Птижан и великий немецкий ученый Юстус Либих. Либих предложил изготавливать стеклянные зеркала с серебряным покрытием. Разработанный им метод состоял из следующих операций. Сначала к водному раствору нитрата серебра AgNO 3 добавляли водный раствор гидроксида калия KОН, что приводило к осаждению черно-коричневого осадка оксида серебра Ag 2 O.
2AgNO 3 + 2KOH = Ag 2 O + 2KNO 3 + H 2 O.
Осадок отфильтровывали и перемешивали с водным раствором аммиака NH 3 .
Ag 2 O + 4NH 3 + H 2 O = 2 (OH).)
Оксид серебра растворялся в аммиачной воде с образованием комплексного соединения (аммиаката, или аммина) – гидроксида диамминсеребра(I). Затем в полученный прозрачный раствор погружали лист стекла, одна из поверхностей которого была тщательно обезжирена, и добавляли формальдегид НСНО.
2(OH) + HCHO = 2Ag + HCOONH 4 + 3NH 3 + H 2 O.)
Формальдегид восстанавливал серебро, которое осаждалось на очищенной поверхности стекла, покрывая его блестящим зеркальным налетом.
Применение альдегидов и кетонов.
Формальдегид. Первым членом гомологического ряда предельных альдегидов является формальдегид НСОН. Его называю также метаналь и муравьиный альдегид. Он представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом. Широко применяется водный раствор, содержащий в массовых долях 0,4, или 40%, метаналя. Он называется формалином. Формальдегид (формалин), прозрачная бесцветная жидкость со своеобразным острым запахом. Применяют как дезинфицирующее и дезодорирующее средство для мытья рук, обмывания кожи при повышенной потливости (0,5–1%), для дезинфекции инструментов (0,5%), для спринцеваний (1:2000 – 1:3000). Входит в состав лизоформа.
Его использование основано также на свойстве свертывать белок. Так, например, в кожевенном производстве дубящее действие формалина объясняется свертыванием белка, в результате чего кожа твердеет и не подвергается гниению. На этом же свойстве основано применение формалина для сохранения биологических препаратов. Иногда формалин используется для дезинфекции и протравливания семян. Метаналь идет на производство некоторых лекарственных веществ и красителей. Большое количество метаналя используется для получения фенолформальдегидной смолы, которую получают при взаимодействии метаналя с фенолом. Эта смола необходима для производства различных пластмасс.
Пластмассы, изготовленные из фенолформальдегидной смолы в сочетании с различными наполнителями, называются фенопластами. При растворении фенолформальдегидной смолы в ацетоне или спирте получают различные лаки.
При взаимодействии метаналя с карбамидом СО(NН) 2 получают карбамидную смолу, а из нее – аминопласты. Из этих пластмасс изготовляют микропористые материалы для нужд электротехники (выключатели, розетки), материалы для отделки мебели и интерьеров, древесностружечные плиты, искусственный мрамор. Тепло – и звукоизоляционные пористые материалы.
Ацетальдегид СН 3 – СОН представляет собой бесцветную жидкость с резким удушающим запахом. Применяют в производстве ацетатов целлюлозы, уксусной и пероксиуксусной кислот, уксусного ангидрида, этилацетата, глиоксаля, алкиламинов, бутанола, хлораля. Подобно формальдегиду он вступает в реакции поликонденсации с аминами, фенолом и другими веществами, образуя синтетические смолы, широко применяемые в промышленности.
Бензальдегид С 6 Н 5 С(Н)=О с запахом горького миндаля содержится в миндальном масле и в эфирном масле эвкалипта. Синтетический бензальдегид используется в пищевых ароматических эссенциях и в парфюмерных композициях.
Алифатический альдегид СН 3 (СН 2) 7 С (Н)=О (тривиальное название – пеларгоновый альдегид) содержится в эфирных маслах цитрусовых растений, обладает запахом апельсина, его используют как пищевой ароматизатор.
Ароматический альдегид ванилин содержится в плодах тропического растения ванили, сейчас чаще используется синтетический ванилин – широко известная ароматизирующая добавка в кондитерские изделия.
Цитраль С 10 Н 15 О (3,7-диметил – 2,6-октадиеналь) с запахом лимона используется в средствах бытовой химии.
Кротоновый альдегид. Сильный лакриматор, используют для получения бутанола, сорбиновой и масляной кислот. Содержится в соевом масле. Применение альдегидов в медицине.
Коричный альдегид содержится в масле корицы, его получают перегонкой коры дерева корицы. Применяется в кулинарии в виде палочек или порошка
Уротропин (CH 2) 6 N 4 (гексаметилентетрамин), бесцветные кристаллы без запаха, легко растворимы в воде. Водные растворы имеют щелочную реакцию. Обладает антисептическим действием. Применяют главным образом при инфекционных процессах мочевыводящих путей (циститах, пиелитах). Действие основано на способности препарата разлагаться в кислой среде с образованием формальдегида. Назначают препарат натощак. Показаниями для его применения служат холециститы, холангиты, аллергические заболевания кожи, глаз (кератиты, иридоциклиты и др.). Препарат может вызвать раздражение паренхимы почек, при этих признаках прием препарата прекращают.
Акролеин. Используется для производства пластмасс, отличающихся большой твердостью. Акролеин и его натриевые соли являются эмульгаторами, структурирующими почвы, лактонные его производные улучшают свойства бумаги и текстильных изделий.
Обобщение и систематизация знаний. Подведение итогов урока.
Таким образом, способность альдегидов и кетонов участвовать в различных превращениях определила их основное применение в качестве исходных соединений для синтеза разнообразных органических веществ: спиртов, карбоновых кислот и их ангидридов, лекарственных препаратов (уротропин), полимерных продуктов (фенолоформальдегидные смолы, полиформальдегид), в производстве всевозможных душистых веществ (на основе бензальдегида) и красителей.
Домашнее задание.
Вопрос 1. Альдегиды. Их строение, свойства, получение и применение.
Ответ. Альдегиды – органические вещества, молекулы которых
Общая формула альдегидов ˸
Номенклатура
Наименование альдегидов производят от исторических названий карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода. Так, CH 3 CHO – уксусный альдегид. По систематической номенклатуре название альдегидов производят от названий углеводородов с прибавлением окончания –аль , CH 3 CHO – этаналь. Нумерацию углеродной цепи начинают с карбонильной группы. Для разветвленных изомеров перед названием альдегида записывают названия заместителей с указанием цифрой и номера углеродного атома, с которым они связаны˸
CH 3 – CH (CH 3) – CH 2 – CHO.
3-метилбутаналь
Изомерия
Углеродного скелета ˸
CH 3 – CH 2 – CH 2 – CHO – бутаналь,
CH 3 – CH(CH 3) – CHO – 2-метилпропаналь.
Классов соединений ˸
CH 3 – CH 2 – CHO – пропаналь,
CH 3 – CO – CH 3 – пропанон (ацетон).
Физические свойства
Метаналь – газ, альдегид от C 2 до С 13 – жидкости, высшее альдегиды – твердые вещества (тетрадеканаль или миристиновый альдегид CH 3 (CH 2) 12 CHO имеет температуру плавления 23,5 ). Низшие альдегиды хорошо растворимы в воде; чем больше атомов углерода в молекуле, тем меньше растворимость; у альдегидов нет водородной связей.
Химические свойства
1. Реакции присоединения ˸
а) гидрирование ˸
CH 2 O + H 2 = CH 3 OH;
б) образование ацеталий со спиртами ˸
CH 3 - CH 2 – CHO + 2C 2 H 5 OH = CH 3 – CH 2 – CH(OC 2 H 5) 2 + H 2 O.
2. Реакция окисления˸
а) реакция ʼʼсеребряного зеркалаʼʼ ˸
CH 3 CHO + Ag 2 O 2 Ag + CH 3 COOH;
б) взаимодействие с гидрооксидом меди (II) ˸
CH 3 CHO + 2Cu(OH) 2 CH 3 COOH + Cu 2 O↓ + 2H 2 O
3. Реакции замещения˸
CH 3 CH 2 CHO + Br 2 = CH 3 – CH (Br) – CHO+ HBr
4.Полимеризация˸
CH3=O (CH 2 O) 3 .
триоксиметилен
5.Поликонденсация˸
n C 6 H 5 OH + n CH 2 O + n C 6 H 5 OH + …=
=[ C 6 H 4 (OH) – CH 2 – C 6 H 4 (OH)] n + n H 2 O
Фенолформальдегидная смола
Получение
а) Окисление алканов˸
CH 4 + O 2 CH 2 O + H 2 O.
метаналь
б) Окисление спиртов˸
2CH 3 OH + O 2 2CH 2 O + 2H 2 O.
в) Реакция Кучерова˸
C 2 H 2 + H 2 O CH 3 CHO.
г) Окисление алкенов˸
C 2 H 4 + [O] CH 3 CHO.
Применение˸
1. Получение фенолформальдегидных смол, пластмасс.
2. Производство лекарств, формалина (из CH 2 =O).
3. Производство красителей.
4. Производство уксусной кислоты.
5. Дезинфекция и протравливание семян.
Вопрос 2. Проблема защита окружающей среды .
Ответ ˸ На сегодняшний день самым крупномасштабным является загрязнение окружающей среды химическими веществами.
Охрана атмосферы
Источники загрязнения˸ предприятия чёрной и цветной металлургии, теплоэлектростанции, автотранспорт.
Промышленность˸ выбросы оксидов серы и азота. В результате обжига сульфидных руд цветных металлов выделяется оксид серы (IV).
Теплоэлектростанции выделяют SO 2 и SO 3 ,которые соединяются с влагой воздуха (SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4)и выпадают с виде кислотных дождей.
Вопрос 1. Альдегиды. Их строение, свойства, получение и применение. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Вопрос 1. Альдегиды. Их строение, свойства, получение и применение." 2015, 2017-2018.
Лекция № 11
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Реакции нуклеофильного
присоединения.
2.2. Реакции по a -углеродному атому.
2.3.
Лекция № 11
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Реакции нуклеофильного
присоединения.
2.2. Реакции по a -углеродному атому.
2.3. Реакции окисления и восстановления.
Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу
С=О. Общая формула:
1. Методы получения.
2. Химические
свойства.
Альдегиды и кетоны – один из наиболее реакционноспособных классов
органических соединений. Их химические свойства определяются присутствием
карбонильной группы. Вследствие большого различия в электроотрицательностях
углерода и кислорода и высокой поляризуемости p
-связи связь С=О обладает значительной полярностью
(m
С=О
=2,5-2,8 D). Атом углерода карбонильной
группы несет эффективный положительный заряд и является объектом для атаки
нуклеофилов. Основной тип реакций альдегидов и кетонов – реакции
нуклеофильного присоединения Ad
N . Кроме того, карбонильная группа оказывает влияние на
реакционную способность связи С-Н в
a
-положении, повышая ее кислотность.
Таким образом, молекулы альдегидов и кетонов
содержат два основных реакционных центра – связь С=О и связь С-Н в
a
-положении:
2.1. Реакции нуклеофильного
присоединения.
Альдегиды и кетоны легко присоединяют нуклеофильные реагенты по С=О связи.
Процесс начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода. Затем
образующийся на первой стадии тетраэдрический интермедиат присоединяет протон и
дает продукт присоединения:
Активность карбонильных соединений в
Ad
N –реакциях зависит от величины
эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода и объема
заместителей у карбонильной группы. Электронодонорные и объемистые заместители
затрудняют реакцию, электроноакцепторные заместители повышают реакционную
способность карбонильного соединения. Поэтому альдегиды в
Ad
N –реакциях активнее, чем
кетоны.
Активность карбонильных соединений повышается в
присутствии кислотных катализаторов, которые увеличивают положительный заряд на
карбонильном атоме углерода:
Альдегиды и кетоны присоединяют воду, спирты,
тиолы, синильную кислоту, гидросульфит натрия, соединения типа
NH
2 X. Все реакции присоединения
идут быстро, в мягких условиях, однако образующиеся продукты, как правило,
термодинамически не устойчивы. Поэтому реакции протекают обратимо, и содержание
продуктов присоединения в равновесной смеси может быть низким.
Присоединение воды.
Альдегиды и кетоны присоединяют воду с
образованием гидратов. Реакция протекает обратимо. Образующиеся гидраты
термодинамически не стабильны. Равновесие смещено в сторону продуктов
присоединения только в случае активных карбонильных соединений.
Продукт гидратации трихлоруксусного альдегида
хлоральгидрат – устойчивое кристаллическое соединение, которое используется в
медицине как успокаивающее и снотворное средство.
Присоединение спиртов и
тиолов.
Альдегиды присоединяют спирты с образованием полуацеталей
. При избытке спирта и в присутствии кислотного катализатора
реакция идет дальше – до образования ацеталей
Реакция образования полуацеталя протекает как
нуклеофильное присоединение и ускоряется в присутствии кислот или
оснований.
Процесс образования ацеталя идет как
нуклеофильное замещение ОН группы в полуацетале и возможен только в условиях
кислотного катализа, когда группа ОН превращается в хорошую уходящую группу
(H
2 O).
Образование ацеталей – обратимый процесс. В
кислой среде полуацетали и ацетали легко гидролизуются. В щелочной среде
гидролиз не идет. Реакции образования и гидролиза ацеталей играют важную роль в
химии углеводов.
Кетоны в аналогичных условиях кеталей не
дают.
Тиолы как более сильные нуклеофилы, чем спирты,
образуют продукты присоединения и с альдегидами, и с кетонами.
Присоединение синильной
кислоты
Синильная кислота присоединяется к карбонильным соединением в условиях
основного катализа с образованием циангидринов.
Реакция имеет препаративное значение и
используется в синтезе
a
-гидрокси- и
a
-аминокислот (см. лек. № 14). Плоды некоторых растений
(например, горький миндаль) содержат циангидрины. Выделяющаяся при их
расщеплении синильная кислота оказывает отравляющее действие
.
Присоединение бисульфита
натрия.
Альдегиды и метилкетоны присоединяют бисульфит натрия NaHSO 3 c образованием бисульфитных производных.
Бисульфитные производные карбонильных соединений
– кристаллические вещества, не растворимые в избытке раствора бисульфита натрия.
Реакция используется выделения карбонильных соединений из смесей. Карбонильное
соединение может быть легко регенерировано обработкой бисульфитного производного
кислотой
или щелочью.
Взаимодействие с соединениями общей
формулы NH
2 X.
Реакции протекают по общей схеме как процесс
присоединения-отщепления. Образующийся на первой стадии продукт присоединения не
устойчив и легко отщепляет воду.
По приведенной схеме с карбонильными
соединениями реагируют аммиак, первичные амины, гидразин, замещенные гидразины,
гидроксиламин.
Образующиеся производные представляют собой
кристаллические вещества, которые используют для выделения и идентификации
карбонильных соединений.
Имины (основания Шиффа) являются промежуточными
продуктами во многих ферментативных процессах (трансаминирование под действием
кофермента пиридоксальфосфата; восстановительное аминирование кетокислот при
участии кофермента НАД
Н). При каталитическом гидрировании иминов образуются
амины. Процесс используется для синтеза аминов из альдегидов и кетонов и
называется восстановительным аминированием.
Восстановительное аминирование протекает in vivo
в ходе синтеза аминокислот (см. лек. № 16)
2.2. Реакции по a -углеродному атому.
Кето-енольная таутомерия.
Водород в
a
-положении к карбонильной группе обладает кислотными
свойствами, так как образующийся при его отщеплении анион стабилизируется за
счет резонанса.
Результатом протонной подвижности атома водорода
в
a
-положении
является способность карбонильных соединений к образованию енольных форм за счет
миграции протона из
a
-положения к атому кислорода карбонильной группы.
Кетон и енол являются таутомерами
.
Таутомеры – это изомеры, способные быстро и обратимо превращаться друг в друга
за счет миграции какой-либо группы (в данном случае – протона). Равновесие между
кетоном и енолом называют кето-енольной таутомерией.
Процесс енолизации катализируется кислотами и
основаниями. Енолизация под действием основания может быть представлена
следующей схемой:
Большинство карбонильных соединений существуют
преимущественно в кетонной форме. Содержание енольной формы возрастает с
увеличением кислотности карбонильного соединения, а также в случае
дополнительной стабилизации енольной формы за счет водородной связи или за счет
сопряжения.
Таблица 8. Содержание енольных форм и
кислотность карбонильных соединений
Например, в 1,3-дикарбонильных соединениях
подвижность протонов метиленовой группы резко увеличивается за счет
электроноакцепторного влияния двух карбонильных групп. Кроме того, енольная
форма стабилизируется за счет наличия в ней системы сопряженных
p
-связей и внутримолекулярной
водородной связи.
Если соединение в енольной форме представляет
собой сопряженную систему с высокой энергией стабилизации, то енольная форма
преобладает. Например, фенол существует только в енольной форме.
Енолизация и образование енолят-анионов являются
первыми стадиями реакций карбонильных соединений, протекающих по
a
-углеродному атому. Важнейшими
из них являются галогенирование
и альдольно-кротоновая
конденсация
.
Галогенирование.
Альдегиды и кетоны легко вступают в реакцию с галогенами (Cl 2 ,
Br 2 , I 2 ) с образованием
исключительно
a
-галогенпроизводных.
Реакция катализируется кислотами или
основаниями. Скорость реакции не зависит от концентрации и природы галогена.
Процесс протекает через образование енольной формы (медленная стадия), которая
затем реагирует с галогеном (быстрая стадия). Таким образом, галоген не
участвует в скорость
—определяющей стадии
процесса.
Если карбонильное соединение содержит несколько
a
-водородных
атомов, то замещение каждого последующего происходит быстрее, чем предыдущего,
вследствие увеличения их кислотности под действием электроноакцепторного влияния
галогена. В щелочной среде ацетальдегид и метилкетоны дают
тригалогенпроизводные, которые затем расщеплятся под действием избытка щелочи с
образованием тригалогенметанов (галоформная реакция)
.
Расщепление трииодацетона протекает как реакция
нуклеофильного замещения. группы CI
3 — гидроксид-анионом, подобно S
N -реакциям в карбоксильной группе (см. лек. №12).
Иодоформ выпадает из реакционной смеси в виде
бледно-желтого кристаллического осадка с характерным запахом. Иодоформную
реакцию используют в аналитических целях для обнаружения соединений типа
СH
3 -CO-R, в том числе в
клинических лабораториях для диагностики сахарного диабета.
Реакции конденсации.
В присутствии каталитических количеств кислот
или щелочей карбонильные соединения, содержащие
a
-водородные атомы,
претерпевают конденсацию с образованием
b
-гидроксикарбонильных соединений.
В образовании связи С-С участвуют карбонильный
атом углерода одной молекулы (карбонильной компоненты
) и
a
-углеродный атом другой
молекулы (метиленовой компоненты
). Эта реакция носит название альдольной конденсации
(по названию продукта конденсации ацетальдегида –
альдоля).
При нагревании реакционной смеси продукт легко
дегидратируется с образованием
a
,b
-непредельного карбонильного
соединения.
Такой тип конденсации носит название кротоновой
(по названию продукта конденсации ацетальдегида – кротонового
альдегида).
Рассмотрим механизм альдольной конденсации в
щелочной среде. На первой стадии гидроксид-анион отрывает протон из
a
-положения карбонильного
соединения с образованием енолят-аниона. Затем енолят анион как нуклеофил
атакует карбонильный атом углерода другой молекулы карбонильного соединения.
Образующийся тетраэдрический интермедиат (алкоксид-анион) является сильным
основанием и отрывает далее протон от молекулы воды.
При альдольной конденсации двух различных
карбонильных соединений (перекрестная альдольная конденсация) возможно
образование 4-х разных продуктов. Однако этого можно избежать, если одно из
карбонильных соединений не содержит
a
-водородных атомов (например, ароматические альдегиды
или формальдегид) и не может выступать в качестве метиленовой компоненты.
В качестве метиленовой компоненты в реакциях
конденсации могут выступать не только карбонильные соединения, но и другие
С-Н-кислоты. Реакции конденсации имеют препаративное значение, так как позволяют
наращивать цепь углеродных атомов. По типу альдольной конденсации и
ретроальдольного распада (обратный процесс) протекают многие биохимические
процессы: гликолиз, синтез лимонной кислоты в цикле Кребса, синтез нейраминовой
кислоты.
2.3. Реакции окисления и
восстановления
Восстановление
Карбонильные соединения восстанавливаются до
спиртов в результате каталитического гидрирования или под действием
восстановителей, которые являются донорами гидрид-анионов.
[H]: H 2 /кат., кат. – Ni, Pt,
Pd;
LiAlH 4 ; NaBH 4 .
Восстановление карбонильных соединений
комплексными гидридами металлов включает нуклеофильную атаку карбонильной группы
гидрид-анионом. При последующем гидролизе образуется спирт.
Аналогично происходит восстановление
карбонильной группы in vivo под действием кофермента НАД
Н, который является
донором гидрид-иона (см. лек. №19).
Окисление
Альдегиды окисляются очень легко практически
любыми окислителями, даже такими слабыми, как кислород воздуха и соединения
серебра (I) и меди
(II).
Две последние реакции используются как
качественные на альдегидную группу.
В присутствии щелочей альдегиды, не содержащие
a
-водородных атомов
диспропорционируют с образованием спирта и кислоты (реакция Канницаро).
2HCHO + NaOH ® HCOONa + CH 3 OH
Это является причиной того, что водный раствор
формальдегида (формалин) при длительном хранении приобретает кислую
реакцию.
Кетоны устойчивы к действию окислителей в
нейтральной среде. В кислой и щелочной средах под действием сильных
окислителей
(KMnO 4 ) они
окисляются с разрывом связи С-С. Расщепление углеродного скелета происходит по
двойной углерод-углеродной связи енольных форм карбонильного соединения, подобно
окислению двойных связей в алкенах. При этом образуется смесь продуктов,
содержащая карбоновые кислоты или карбоновые кислоты и кетоны.