Химия Инфо

Кетоны и простые эфиры

Кислород может занимать разные места в органической молекуле. В кетоне он входит в карбонильную группу C=O, а в простом эфире соединяет два углеродных фрагмента одинарными связями. Эти различия определяют названия, физические свойства и реакции. Ни одна буква O в молекулярной формуле сама по себе не устанавливает класс соединения.

Два разных класса

Кетоны содержат карбонильную группу, у которой атом углерода связан с двумя углеродными группами: R–C(=O)–R′. Простые эфиры имеют фрагмент R–O–R′; кислород связан с двумя углеродными группами.

R и R′ могут совпадать или различаться. В альдегиде у карбонильного углерода есть H, поэтому CH3CHO не является кетоном. В спирте кислород связан с H, поэтому CH3OH не является простым эфиром. Сложные эфиры содержат группу C(=O)–O и относятся к другому классу: созвучие названий не означает одинаковых свойств.

СтруктураНазваниеПризнак
CH3–CO–CH3Пропанон, ацетонКарбонильный C связан с двумя C
CH3–CO–CH2–CH3Бутан-2-онКарбонильная группа в цепи
CH3–O–CH3Диметиловый эфир, метоксиметанДва метильных фрагмента при O
CH3–O–CH2–CH3МетоксиэтанМетоксигруппа при этане

Для названия простого кетона выбирают цепь, содержащую карбонильный C, и суффикс -он. Нумерация задаёт положение карбонильной группы. У простых эфиров удобны как названия двух углеводородных групп со словом «эфир», так и заместительные названия с алкоксигруппой.

Общие формулы и их ограничения

Для ациклических насыщенных соединений, содержащих только одну указанную кислородную группу и не имеющих других функциональных групп, используют:

Кетоны: CnH2nO, n ≥ 3.

Простые эфиры: CnH2n+2O, n ≥ 2.

Общая формула действует в пределах заданного ряда и не доказывает строение. Предельный ациклический кетон может иметь межклассовый изомер-альдегид, а простой эфир — изомер-спирт.

Ароматическое кольцо, дополнительная двойная связь или цикл меняют водородный состав. Например, наличие бензольного кольца не мешает веществу быть кетоном, но простая формула предельного ряда тогда не подходит. Классификацию начинают с функциональной группы, затем учитывают остальную молекулу.

Полярность, кипение и растворимость

Связь C=O полярна: карбонильный углерод частично положителен, кислород частично отрицателен. Это делает C потенциальным электрофильным центром. Кислород простого эфира также имеет неподелённые пары. При взаимодействии с водой оба класса способны принимать водородную связь.

У молекул простого кетона или обычного простого эфира нет собственной связи O–H, поэтому они не создают между собой такую же систему водородных связей, как спирты с OH. Температуры кипения простых эфиров обычно ниже, чем у соответствующих изомерных спиртов. Сравнение требует близкого строения и массы: универсальное расположение всех веществ по одному наличию O неверно.

Ацетон смешивается с водой, но при увеличении неполярной углеводородной части растворимость многих кетонов уменьшается. Не все простые эфиры нерастворимы и не все кислородсодержащие соединения смешиваются с водой в любых отношениях. Ацетон и ряд эфиров применяют как растворители; конкретные свойства важнее одного названия класса. Многие низшие представители летучи и огнеопасны.

Характерные реакции кетонов

Восстановление карбонильной группы кетона даёт вторичный спирт. Один вариант — каталитическое гидрирование; для ацетона при подходящем никелевом катализаторе:

CH3–CO–CH3 + H2 → CH3–CH(OH)–CH3 (катализатор Ni, подходящая температура).

Получается пропан-2-ол. Существуют и другие восстановители, например борогидриды; их механизм и условия отличаются от гидрирования молекулярным водородом. Суммарное добавление двух H не означает одинаковой последовательности стадий.

При мягком окислении вторичного спирта, наоборот, можно получить кетон. Обычные простые кетоны, например ацетон, не дают характерной альдегидной реакции Толленса в стандартных условиях. Это не утверждение обо всех молекулах, содержащих C=O: дополнительные группы могут менять поведение. Сильное окисление кетонов возможно и часто сопровождается разрывом углеродного скелета.

Кетон не является «неокисляемым альдегидом». Отсутствие обычной мягкой альдегидной реакции и невозможность окисления при любых условиях — разные утверждения.

Характерные свойства простых эфиров

Многие простые эфиры сравнительно устойчивы к обычным водным растворам щелочей и мягким условиям. Это удобно при использовании их как растворителей, но не означает химической инертности. Концентрированные HI или HBr при подходящих условиях расщепляют связь C–O. Для диметилового эфира при нагревании с избытком HI суммарно:

CH3–O–CH3 + 2HI → 2CH3I + H2O.

Первая ступень может давать метанол и иодметан; дальнейшее превращение спирта зависит от количества кислоты и условий. Для несимметричных или ароматических эфиров состав продуктов определяют по строению, а не механическим переносом этого уравнения. Некоторые эфиры при контакте с кислородом воздуха образуют пероксиды, что имеет значение для их химической устойчивости.

Три разобранных примера

1. Распознавание класса

CH3COCH3 — кетон, потому что карбонильный C связан с двумя метильными группами. CH3OCH3 — простой эфир без карбонильной группы. CH3COOCH3 — сложный эфир: его кислород входит в фрагмент C(=O)–O. Только подсчёта атомов кислорода недостаточно.

2. Масса спирта из ацетона

В модели полного селективного гидрирования 7,25 г ацетона водорода достаточно. Используем M(ацетона) ≈ 58 г/моль и M(пропан-2-ола) ≈ 60 г/моль.

n(ацетона) = 7,25 / 58 = 0,125 моль.

m(пропан-2-ола) = 0,125 · 60 = 7,50 г.

Прирост массы 0,25 г приходится на H2; количество молекул органического продукта соответствует количеству исходного кетона.

3. Спирт и эфир одного состава

Этанол CH3CH2OH и диметиловый эфир CH3OCH3 имеют C2H6O, но разный порядок связей. В этаноле есть O–H и возможность отдавать водородную связь, в эфире — нет. Поэтому одинаковые молярные массы не требуют одинаковых температур кипения или химических реакций.

Частые ошибки

  • Называть любое соединение с O эфиром или смешивать простой эфир со сложным.
  • Забывать H у карбонильного C, различая кетон и альдегид.
  • Считать все кетоны отрицательными во всех окислительных пробах независимо от других групп.
  • Переносить растворимость ацетона на все высокомолекулярные кетоны.

Проверь себя

  1. Назови CH3COCH2CH3.
  2. Доказывает ли формула C3H6O, что вещество — ацетон?
  3. Какая масса H2 соответствует полному гидрированию 5,8 г ацетона по приведённой схеме?
  4. Чем CH3OCH3 структурно отличается от CH3COOCH3?
  5. Почему отрицательная реакция Толленса у ацетона не означает невозможности его окисления вообще?

Ответы с пояснениями

  1. Бутан-2-он: четыре C, карбонильная группа при втором атоме.
  2. Нет. Такую формулу имеет, например, пропаналь CH3CH2CHO. Для установления класса нужно строение.
  3. Кетон и H2 реагируют 1 : 1:

    m(H2) = (5,8 / 58) · 2 = 0,20 г.

  4. Первое вещество — простой эфир с C–O–C без карбонила. Второе — сложный эфир с C(=O)–O.
  5. Она характеризует конкретные мягкие условия. Более сильное окисление может происходить с разрушением связей C–C; другие функциональные группы также способны менять результат пробы.

Связанные темы и источники

Повтори одноатомные спирты, чтение структурных формул и электрофильные и нуклеофильные центры.

Проверка фактов: OpenStax — названия карбонильных соединений, окисление, восстановление, свойства эфиров и кислотное расщепление. Каталитическое гидрирование ацетона подтверждено первичной работой ACS, 2021. Примеры и задания авторские.