Химия Инфо

Альдегиды

Этанол при подходящем окислении превращается в этаналь, а этаналь может окисляться дальше до уксусной кислоты. Среднее звено этой цепочки относится к альдегидам. Их характерные свойства связаны с карбонильной группой и водородом при её атоме углерода. Именно строение позволяет отличить альдегид от спирта и кетона с похожим составом.

Альдегидная и карбонильная группы

Альдегиды содержат группу –C(=O)H, сокращённо –CHO. Атом углерода карбонильной группы связан хотя бы с одним H. У метаналя H–C(=O)–H при этом атоме находятся два H.

Для обычного однофункционального альдегида используют запись R–CHO, где R — органический фрагмент; простейший случай с H вместо R — метаналь HCHO. В группе CHO водород связан с углеродом, а не с кислородом. Поэтому запись нельзя понимать как сокращение спиртовой группы CH–OH.

У кетонов карбонильный C связан с двумя углеродными фрагментами: R–C(=O)–R′. Пропаналь CH3CH2CHO и пропанон CH3COCH3 имеют одинаковую молекулярную формулу C3H6O, но относятся к разным классам.

Для предельных ациклических соединений с одной альдегидной группой и без других функциональных групп общая формула CnH2nO, n ≥ 1. Она не охватывает все альдегиды: бензальдегид содержит ароматическое кольцо, а непредельные альдегиды — дополнительные кратные связи.

Названия и строение

В простом ациклическом альдегиде выбирают главную цепь с атомом C группы CHO, который получает номер 1. Суффикс -аль указывает класс. Этот C входит в общее число атомов цепи: CH3CHO содержит два C и называется этаналем, а не метаналем.

ФормулаСистематическое названиеТрадиционное название
HCHOМетанальФормальдегид
CH3CHOЭтанальУксусный альдегид, ацетальдегид
CH3CH2CHOПропанальПропионовый альдегид
C6H5CHOБензальдегидБензойный альдегид

Связь C=O полярна: электронная плотность смещена к O. Вблизи карбонильного C окружение примерно плоское, а углы близки к 120°. Для многих реакций важно, что этот атом углерода обладает частичным положительным зарядом и может взаимодействовать с частицами, предоставляющими электронную пару.

Физические свойства

Метаналь при обычных условиях газообразен, многие последующие представители — летучие жидкости. Водный раствор формальдегида называют формалином; это раствор, а не другое название чистого газообразного вещества. Температуры кипения зависят от размера молекулы и межмолекулярных взаимодействий.

Кислород C=O может принимать водородные связи от воды, поэтому низшие альдегиды хорошо взаимодействуют с водной средой. Однако в самой молекуле обычного альдегида нет O–H, и между его молекулами не возникает такая же система водородных связей, как у соответствующего спирта. При росте неполярного фрагмента растворимость в воде обычно уменьшается.

Получение и восстановление

Первичный спирт может дать альдегид при подходящем окислении. Например, этанол при нагревании взаимодействует с CuO:

CH3CH2OH + CuO → CH3CHO + Cu + H2O.

Альдегид часто способен окисляться дальше, поэтому любой окислитель и любые условия не гарантируют остановки на этой стадии. Промышленное получение конкретных альдегидов может использовать и другие каталитические процессы.

При каталитическом присоединении водорода к C=O альдегид восстанавливается до первичного спирта:

CH3CHO + H2 → CH3CH2OH.

В этой реакции одна молекула H2 соответствует одной альдегидной группе. Если в исходной молекуле есть другие восстанавливаемые фрагменты, расход реагента может изменяться.

Окисление и качественные признаки

Альдегиды обычно окисляются до соответствующих карбоновых кислот или их солей. В щелочной среде продукт записывают как карбоксилат, поскольку образующаяся кислота отдаёт протон основанию.

Для этаналя суммарную схему окисления условно выражают так:

CH3CHO + [O] → CH3COOH.

Символ [O] условно обозначает действие окислителя и не заменяет формулу реального реагента. Полное уравнение зависит от выбранного окислителя и среды.

В реакции «серебряного зеркала» соединения Ag(I) восстанавливаются до металлического серебра. Для превращения этаналя в ацетат одна ионная запись с аммиачным комплексом серебра имеет вид:

CH3CHO + 2[Ag(NH3)2]+ + 3OH− → CH3COO− + 2Ag + 4NH3 + 2H2O.

С каждой стороны суммарный заряд −1. Серебро может образовывать зеркальный слой или тёмный осадок; внешняя форма зависит от условий. Для указанного окисления один моль этаналя соответствует двум молям Ag.

Многие алифатические альдегиды при подходящем нагревании восстанавливают Cu(II) в щелочной среде до Cu2O — красноватого осадка. Для школьной модели со свежим Cu(OH)2:

CH3CHO + 2Cu(OH)2 + OH− → CH3COO− + Cu2O↓ + 3H2O.

Не все ароматические альдегиды дают те же результаты с медными реагентами. Положительные восстановительные пробы бывают и у других веществ, например некоторых сахаров. Поэтому результат не доказывает, что неизвестный образец — именно этаналь.

Метаналь требует отдельного внимания: при его окислении образуется муравьиная кислота или её соль, способная при подходящих условиях окисляться дальше. Соотношение «одна альдегидная группа — два Ag» нельзя без уточнений применять к полному окислению любого вещества.

Три разобранных примера

1. Формула по молярной массе

Для предельного ациклического альдегида с одной CHO и M ≈ 58 г/моль:

14n + 16 = 58; n = 3; формула C3H6O.

При известном классе это пропаналь. Если класс не задан, возможен также изомерный кетон пропанон.

2. Масса серебра

Для полного превращения 4,4 г этаналя в ацетат по приведённому уравнению, при избытке реагента и отсутствии других восстановителей:

n(CH3CHO) = 4,4 / 44 = 0,10 моль.

n(Ag) = 0,20 моль; m(Ag) ≈ 0,20 · 108 = 21,6 г.

Это теоретическое количество металла, определённое из баланса окисления.

3. Гидрирование пропаналя

В 11,6 г пропаналя при M ≈ 58 г/моль содержится 0,20 моль. Для полного превращения CHO в CH2OH:

n(H2) = 0,20 моль; n(пропан-1-ола) = 0,20 моль.

Продукт — первичный спирт с теми же тремя атомами C; углеродный скелет не удлиняется.

Частые ошибки

  • Считать C группы CHO добавочным атомом вне названной главной цепи.
  • Путать CHO со спиртовой OH или с карбоксильной COOH.
  • Записывать свободную карбоновую кислоту как единственный продукт в сильнощелочной среде.
  • Считать восстановительную пробу однозначным названием неизвестного вещества.

Пять заданий

  1. Назовите CH3CH2CH2CHO и определите число C.
  2. Чем пропаналь отличается от пропанона при одинаковой формуле C3H6O?
  3. Какой спирт образуется при гидрировании этаналя?
  4. Сколько Ag соответствует окислению 0,050 моль этаналя до ацетата?
  5. Почему положительная реакция с аммиачным серебряным реагентом не доказывает присутствия именно этаналя?

Ответы с объяснениями

  1. Бутаналь: три C углеводородного фрагмента и один C группы CHO, всего четыре.
  2. У пропаналя карбонильный C связан с H и этильной группой; у пропанона — с двумя метильными группами. Это межклассовые структурные изомеры.
  3. Этанол CH3CH2OH; добавляется один H2 на одну CHO.
  4. На моль этаналя получается два моля серебра:

    n(Ag) = 2 · 0,050 = 0,100 моль; m(Ag) ≈ 10,8 г.

  5. Восстанавливать Ag(I) могут разные альдегиды и другие восстановители. Для установления вещества нужны дополнительные сведения о составе и строении.

Связанные темы и источники

Сравните спирты, карбоновые кислоты и гидратацию этина.

Для проверки фактов: IUPAC: альдегиды; OpenStax: окисление альдегидов и кетонов.