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.
| Формула | Систематическое название | Традиционное название |
|---|---|---|
| HCHO | Метаналь | Формальдегид |
| CH3CHO | Этаналь | Уксусный альдегид, ацетальдегид |
| CH3CH2CHO | Пропаналь | Пропионовый альдегид |
| C6H5CHO | Бензальдегид | Бензойный 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
- Назовите CH3CH2CH2CHO и определите число C.
- Чем пропаналь отличается от пропанона при одинаковой формуле C3H6O?
- Какой спирт образуется при гидрировании этаналя?
- Сколько Ag соответствует окислению 0,050 моль этаналя до ацетата?
- Почему положительная реакция с аммиачным серебряным реагентом не доказывает присутствия именно этаналя?
Ответы с объяснениями
- Бутаналь: три C углеводородного фрагмента и один C группы CHO, всего четыре.
- У пропаналя карбонильный C связан с H и этильной группой; у пропанона — с двумя метильными группами. Это межклассовые структурные изомеры.
- Этанол CH3CH2OH; добавляется один H2 на одну CHO.
- На моль этаналя получается два моля серебра:
n(Ag) = 2 · 0,050 = 0,100 моль; m(Ag) ≈ 10,8 г.
- 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.