Изомерия, строение и гомологический ряд альдегидов и кетонов

К кислородсодержащим производным углеводородов, содержащим в молекуле функциональную группу , относятся альдегиды и кетоны. Отличаясь друг от друга по ряду свойств, эти вещества характеризуются заметным сходством. Изомерия альдегидов и кетонов также имеет общие черты, обусловленные близостью строения.

Строение альдегидов и кетонов

Определяющий элемент структуры производных углеводородов – функциональная группа атомов. Она служит критерием для отнесения соединения к тому или иному классу органических веществ.

Карбонильная группа

Группа называется карбонилом. Она образована посредством двойной связи, поскольку оба входящих в ее состав атома – углерод и кислород – sp2-гибридизованы.

В карбонильной группе атом углерода затрачивает на -связь одну из трех валентностей, образованных гибридными sp2-облаками, и на -связь – валентность, создаваемую единственным негибридным 2p-облаком. Кислородный атом вступает в -связь с углеродом, затрачивая единственную свободную гибридную орбиталь, и в -связь – через 2p-орбиталь аналогично углероду. Два оставшихся гибридных облака кислорода содержат неподеленные электронные пары и не создают свободных валентностей.

Благодаря высокой электроотрицательности кислород оттягивает в свою сторону электронную плотность по обоим компонентам двойной связи, и она оказывается сильно поляризованной. За счет -электронов, обладающих большой подвижностью и легко смещающихся к кислороду, дипольный момент связи C=O почти вчетверо выше, чем у одинарной связи С-O, характерной для спиртов.

На диполе C=O кислород обладает частичным отрицательным, а углерод – положительным зарядом. Это приводит к поляризации связей С-O у соседнего с карбонилом углеродного атома (отрицательный индуктивный, или I-эффект) и оказывает влияние на химические свойства.

Общая структура молекул альдегидов и кетонов

Состав карбонильных соединений описывается общей формулой . Различия между альдегидами и кетонами состоят в разном строении углеводородных остатков.

В альдегидах одна из свободных валентностей углерода группы присоединяет алкильный радикал, а вторая – атом водорода. В кетонах обе валентности связывают карбонил с алкильными остатками. Общее строение молекул соединений обоих классов имеет следующий вид:

Номенклатура

Наименования альдегидов строятся путем прибавления суффикса «-аль» либо «-диаль» к названию углеводорода, представляющего алкильный остаток. Нумерацию цепи начинают от углеродного атома, входящего в состав карбонила, но в наименовании локант «1» не указывается:

Если радикал -CHO (альдегидная группа) присоединяется непосредственно к одному из атомов углеродной цепи, он считается равноправным с другими альдегидными группами. В этом случае группы -CHO получают наименование «карбальдегид», не участвуют в нумерации и указываются после названия углеводорода:

Наименования кетонов составляются путем добавления суффикса «-он» либо «-дион» к названию образующего главную цепочку углеводорода:

Гомологические ряды альдегидов и кетонов

Ряды, образуемые насыщенными карбонильными соединениями, представлены в таблице:

Это интересно:

Гомологический ряд алкенов

Гомологический ряд алкадиенов

Гомологический ряд алканов

Изомерия кетонов и альдегидов

Соединения состава образуют изомеры по структурным признакам: строению образующей молекулу углеродной цепи, местоположению карбонильных групп и наличию изомеров в других классах органических веществ.

Позиция функциональной группы

Изомерия данного типа свойственна кетонам с :

Строение углеродного скелета

Изомерия по отсутствию либо наличию и характеру ветвления углеродной цепи свойственна всем карбонильным соединениям: альдегидам с и кетонам с . Ацетальдегид и формальдегид изомеров не имеют.

Например, альдегиды состава образуют изомеры:

Межклассовая изомерия

Из единой для двух классов соединений общей формулы следует, что альдегиды и кетоны одинакового атомного состава – взаимные изомеры:

Кроме того, они обладают межклассовой изомерией с такими соединениями, как:

• непредельные спирты – алкенолы (при );
• простые эфиры (при );
• циклические оксиды (при ).

Физические свойства

Формальдегид и уксусный альдегид в стандартных условиях – токсичные газы с резким запахом. Альдегиды и кетоны с C3 по C12– жидкости.

Поскольку в группе отсутствует поляризованный водород, молекулы не могут быть ассоциированы посредством водородных связей, и жидкие карбонильные соединения более летучи, чем соответствующие спирты. Однако они растворяются в воде за счет взаимодействия кислорода карбонильной группы и поляризованных водородных атомов молекулы воды.

Химические свойства

Химические свойства альдегидов и кетонов определяются в первую очередь группой , благодаря которой эти вещества химически активны. При этом альдегиды отличаются большей реакционной способностью, чем кетоны.

1. Присоединение к карбонилу по месту двойной связи

Синильная кислота присоединяются по нуклеофильному механизму:

Аналогично протекают реакции присоединения солей и спиртов.

При восстановлении (гидрировании) присоединение водорода идет на катализаторе:

2. Окисление

К действию окислителей альдегиды и кетоны относятся различно. Альдегиды охотно вступают в реакцию и в мягких условиях благодаря наличию водорода при карбонильной группе, которая окисляется до карбоксильной. Продукт реакции – кислота:

Альдегиды дают качественные реакции при окислении свежеприготовленным гидроксидом меди или реактивом Толленса (оксид серебра в аммиачном растворе):

Кетоны ведут себя подобно третичным спиртам и не реагируют со слабыми окислителями. Под действием сильных окислителей происходит распад молекулы кетона.

Карбонильные соединения горят с выделением тепла по схеме:

3. Реакции в алкильном радикале

Карбонил оказывает влияние на реакционную активность углеводородного остатка, сообщая особую подвижность водородным атомам, стоящим при α-расположенном (соседнем с группой ) углероде. Этот водород легко подвергается замещению, например, галогеном:

Получение альдегидов и кетонов

1. Окисление и дегидрирование спиртов
2. Гидролиз дигалогенпроизводных
3. Гидратация алкинов
4. Дегидрирование спиртов. Процесс протекает на катализаторе (оксид меди) с нагреванием:

Применение карбонильных соединений

Благодаря высокой реакционной активности соединения, содержащие карбонил, широко используются в различных сферах.

• Альдегиды

Формальдегид лидирует по объемам мирового производства. Он применяется в фармацевтике, производстве полиуретанов, смол, взрывчатых веществ. Используется в качестве консерванта биопрепаратов и в сельском хозяйстве для обработки зерна.

Ацетон

Уксусный альдегид – основа для получения этанола, уксусной кислоты, бутадиена и других востребованных промышленностью веществ.

Альдегиды играют значительную роль в синтезе спиртов и карбоновых кислот, душистых веществ и антиоксидантов.

• Кетоны

Ацетон – один из самых распространенных органических растворителей, компонент лаков, красок, клеев. Используется в производстве различных реактивов.

Бутанон (метилэтилкетон) и другие низшие кетоны также являются эффективными растворителями и находят применение в химической промышленности, например, в производстве полимерных материалов.