Альдегиды в химии - свойства, формула, получение, номенклатура и определение с примерами

Содержание:

Альдегиды:

Органические соединения, в молекулах которых имеется карбонильная группа

Карбонильные соединения делятся на две большие группы — альдегиды и кетоны. Со строением и свойствами альдегидов вы познакомитесь в данном параграфе.

Альдегидами называют органические соединения, в которых карбонильная группа

Для альдегидов группа атомов  является функциональной и называется альдегидной; сокращенно она записывается —СНО.

Простейшим представителем альдегидов является метаналь

(формальдегид, или муравьиный альдегид).

Это единственный альдегид, в молекуле которого карбонильная группа соединена с двумя атомами водорода.

В зависимости от строения углеводородного заместителя различают альдегиды:

Многие альдегиды и их производные встречаются в живой природе. Например, в миндале обнаружены бензальдегид и его производные:

в корице — З-фенилпропеналь (коричный альдегид):

в стручках ванили — пахучее вещество ванилин:

В данном курсе химии вы познакомитесь с алифатическими альдегидами, производными алканов (насыщенных углеводородов).

Общая формула, отражающая химическое строение алифатических насыщенных альдегидов,  или , где — алкильная группа.

Общая формула насыщенных альдегидов

Общая формула насыщенных альдегидов .

Общая формула, отражающая молекулярный состав насыщенных альдегидов, .

В таблице 23 приведены названия, сокращенные структурные формулы и некоторые физические свойства нескольких представителей насыщенных альдегидов.

Рассмотрим электронное строение карбонильной группы (рис. 51).

В карбонильной группе связь между атомами углерода и кислорода двойная. Атом углерода образует три -связи, которые располагаются в одной плоскости под углом 120° друг к другу, -связь С — О образована при перекрывании 2р-орбиталей атомов углерода и кислорода. Двойная связь С = О является сочетанием одной - и одной -связей. В силу высокой электроотрицательности атома кислорода электронная плотность двойной связи смещена в сторону атома кислорода(см. рис. 51). Атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд, а атом углерода — частичный положительный заряд:

Связь С = О полярна.

Связь С = О короче и ее анергия больше, чем связи С = С.

Длина связи С = С - 0,134 нм, а С = 0 — 0,121 нм, энергия связи С = С - 620 кДж/моль, а С = 0 — 710 кДж/моль.

Полярность связи С = О сказывается на физических и химических свойствах альдегидов, которые являются высоко реакционноспособными веществами.

Номенклатура альдегидов

По правилам номенклатуры ИЮПАК названия альдегидов образуются от названий соответствующих алканов с добавлением суффикса -аль, например НСНО — метаналь, СН₃СНО — этаналь.

При названии альдегидов с разветвленной углеродной цепью нумерация главной цепи начинается с атома углерода альдегидной группы.

Например:

Для альдегидов сохраняются и тривиальные названия, например: НСНО — формальдегид, или муравьиный альдегид, СН₃СНО — уксусный альдегид, СН₃СН₂СНО — пропионовый альдегид и т. д.

Изомерия альдегидов

Изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродной цепи.

Первые три члена гомологического ряда альдегидов — метаналь, этаналь, пропаналь — изомеров не имеют.

Число изомеров у альдегидов с увеличением числа углеродных атомов в молекуле сильно возрастает. Например, для альдегидов состава С₅Н₁₀О существует четыре изомера альдегида (без учета стереоизомеров).

Составу С₆Н₁₂О соответствует семь изомерных альдегидов (без учета пространственных изомеров) и т. д.

Физические свойства альдегидов

В обычных условиях метаналь (формальдегид, или муравьиный альдегид) находится в газообразном состоянии, имеет резкий неприятный запах, ядовит. Остальные альдегиды — жидкости или твердые вещества. Низшие альдегиды имеют резкий неприятный запах, а высшие альдегиды обладают цветочными запахами и широко применяются в парфюмерии.

Имеется характерный запах также у некоторых ароматических альдегидов и альдегидов ненасыщенного ряда. Например: фенилуксусный альдегид С₆Н₅СН₂СНО имеет запах гиацинтов и потому его называют гиацинтовым.

Ознакомиться с характерными запахами некоторых альдегидов можно в домашних условиях. При выпечке широко используется ванилин, получающийся синтетически. Многим чистящим средствам, использующимся в домашнем хозяйстве, запах лимона придает синтетический альдегид строения
,
Температуры кипения альдегидов более низкие, чем соответствующих спиртов. Это объясняется тем, что в альдегидах в отличие от спиртов отсутствуют межмолекулярные водородные связи.

Простейшие альдегиды легко растворяются в воде. Например, растворимость уксусного альдегида в воде неограниченная, формальдегида — хорошая (раствор альдегида с массовой долей 40 % называют формалином), растворимость пропионового альдегида:

44 г на 100 см³ (25 °С).

Органические соединения, в которых карбонильная группа связана с одним атомом водорода и одним углеводородным заместителем, называют альдегидами.

Общая формула насыщенных алифатических альдегидов .

Структурная изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродной цепи.

Химические свойства альдегидов

Рассмотрим важнейшие химические свойства насыщенных алифатических альдегидов.

Реакции присоединения

По месту двойной связи С = О у альдегидов могут проходить реакции присоединения.

Альдегиды способны присоединять водород по связи С = О на никелевом или платиновом катализаторе с образованием первичных спиртов:

Гидрирование альдегидов относят к реакции восстановления. В промышленности реакцию гидрирования альдегидов используют для получения первичных спиртов.

В качестве эффективных восстановителей альдегидов используется алюмогидрид лития. В этих реакция он является источником гидридных анионов:

Реакция окисления

Альдегиды легко окисляются (значительно легче, чем спирты) в соответствующие карбоно-вые кислоты. Их можно окислить даже такими мягкими окислителями, как оксид серебра(І) и гидроксид меди(ІІ).

Так, если к аммиачному раствору оксида серебра(І) прилить раствор уксусного альдегида и смесь нагрет то происходит окисление альдегида с образованием уксусной кислоты. Внутренняя поверхность колбы, в которой нагревается смесь, покрывается при этом тонким слоем серебра (рис. 52).

Эту реакцию называют реакцией серебряного зеркала. Она является одной из качественных реакций для обнаружения альдегидной группы:

Другая качественная реакция на альдегиды — реакция со свежеприготовленным гидроксидом меди(ІІ). При окислении гидроксид меди(ІІ), имеющий светло - голубой цвет, восстанавливается в гидроксид меди(І) желтого цвета, который при нагревании превращается в оксид меди(І) красного цвета (рис. 53):

Окислить альдегиды в соответствующие кислоты можно также такими окислителями, как , , или кислородом воздуха в присутствии катализатора:

Высокая реакционная способность альдегидов обусловлена строением карбонильной группы.

Для альдегидов характерны реакции присоединения по месту двойной связи С=О и окисления по месту связи С — Н в альдегидной группе.

Получение альдегидов. Применение альдегидов и их производных

Получение:

Многие альдегиды и их производные используются в различных областях производства органических соединений.

Природными источниками для их промышленного получения являются углеводороды крекинга нефти, галогенпроизводные, спирты.

Рассмотрим лабораторные, а затем промышленные способы получения альдегидов.

Лабораторные способы:

1.Окисление первичных спиртов оксидом металла (СuО) или подкисленным раствором бихромата калия:

2. Гидратация ацетилена в условиях реакции Кучерова в присутствии солей двухвалентной ртути идет с образованием ацетальдегида:

Промышленные способы:

1.Окисление алкенов в присутствии солей палладия:

Этот метод является одним из современных промышленных методов и относится к экологически чистым.

2.Окисление спиртов. Спирты могут быть превращены в карбонильные соединения в результате окислительных процессов. При окислении первичных спиртов образуются альдегиды:

Метаналь (формальдегид) в промышленности получают окислением метанола кислородом воздуха в присутствии катализаторов (медь или серебро):

Получение альдегидов дегидрированием спиртов широко используется в современной промышленности. Само название класса органических соединений «альдегиды» возникло именно благодаря этому способу их получения (лат. alcohol dehydrogenates — спирт дегидрированный).

При пропускании паров спирта над катализатором при высоких температурах происходит дегидрирование первичных спиртов в альдегиды:

Применение альдегидов и их производных:

Альдегиды находят применение в различных областях промышленности. Формальдегид используется в качестве исходного сырья для получения фенолформальдегидных пластмасс, синтетического каучука и лекарственных средств.

А. М. Бутлеров н 1860 г. впервые синтезировал из формальдегида и аммиака органическое вещество гексаметилентетрамин, или уротропин, которое используется в медицине.

Ацетальдегид применяют для производства уксусной кислоты и уксусного ангидрида, этилацетата, хлораля.

Бензальдегид С₆Н₅СНО в природе встречается в связанном виде в листьях лавровишен, косточках персиков, абрикосов, слив, в горьком миндале. Он используется для получения душистых и лекарственных веществ, некоторых красителей.

Пропеналь СН₂ = СН — СНО применяют для получения пластмасс, отличающихся боль-шой твердостью, глицерина, акриловой кислоты, лекарственных средств.

На рисунке 54 показаны области использования альдегидов.

Существуют лабораторные и промышленные способы получения альдегидов. К основным промышленным способам относят: окисление алкенов, спиртов, дегидрирование спиртов.

Альдегиды

Агьдегиды и карбоновые кислоты относятся к карбонильным соединениям (рис. 56). Карбонильными называют вещества, в состав которых входит карбонильная (или оксо-) группа К карбонильным соединениям, кроме альдегидов и карбоновых кислот, относят кетоны.

В молекулах альдегидов карбонильная группа связана с одним атомом водорода и одним углеводородным заместителем (R), а в кетонах — с двумя углеводородными заместителями (). В молекулах карбоновых кислот карбонильная группа входит в состав карбоксильной группы, состоящей из связанных между собой карбонильной и гидроксильной групп.

Карбонильные соединения в школьном курсе химии изучаются на примере альдегидов и карбоновых кислот. Рассматриваются также строение и свойства сложных эфиров — функциональных производных карбоновых кислот.
 

Строение: Альдегидами называют производные углеводородов, в молекулах которых атом водорода замещен на группу

Карбонильную группу связанную с атомом водорода, называют альдегидной:  для альдегидов она является функциональной группой. Сокращенно альдегидная группа записывается Общая формула альдегидов где R — углеводородный заместитель или атом водорода.

В молекуле простейшего альдегида метаналя карбонильная группа связана с двумя атомами водорода. Шаростержневая и масштабная модели молекулы метаналя приведены на рисунке 57.

В зависимости от строения углеводородного заместителя, связанного с альдегидной группой, различают насыщенные, ненасыщенные, ароматические альдегиды и др. В данном курсе вы будете изучать строение и свойства альдегидов — производных насыщенных углеводородов (алканов).

— общая формула, отражающая молекулярный состав альдегидов. Рассмотрим электронное строение карбонильной группы (рис. 58). В карбонильной группе между атомами углерода и кислорода две химические связи: и -связь. Атом углерода карбонильной группы в альдегидах образует три -связи, расположенные в одной плоскости под углом примерно 120° друг к другу. Вследствие большей электроотрицательности атома кислорода по сравнению с углеродным атомом связь сильно поляризована за счет смещения электронной плотности л-связи к кислороду. При этом на атоме кислорода образуется избыток (), а на атоме углерода — недостаток () электронной плотности. Связь полярна. Под влиянием карбонильной группы происходит смещение электронной плотности соседней с карбонильным центром связи

Номенклатура: По правилам номенклатуры ИЮПАК названия насыщенных альдегидов образуются из названий соответствующих алканов с добавлением суффикса -аль, например НСНО — метаналь, — этаналь. В таблице 25 приведены названия гомологов насыщенных альдегидов нормального строения по номенклатуре ИЮПАК и тривиальные.

При названии альдегидов с разветвленной углеводородной цепью нумерация атомов углерода главной цени начинается с атома углерода альдегидной группы. Названия заместителей перечисляются в алфавитном порядке с указанием номера атома углерода, с которым они связаны. Например:

Для альдегидов сохраняются и тривиальные названия, например: НСНО — формальдегид, или муравьиный альдегид, — уксусный альдегид, — пропионовый альдегид и т. д.

Масштабная модель молекулы уксусного альдегида приведена на рисунке 59.

Изомерия: Структурная изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродного скелета.

Первые три представителя класса — метаналь, этаналь, пропаналь — изомеров альдегидов не имеют.

Число изомеров у альдегидов с увеличением числа углеродных атомов в молекуле возрастает. Например, для альдегидов состава существует четыре изомера альдегида (без учета стереоизомеров):

Составу соответствует семь изомерных альдегидов (без учета стереоизомеров) и т. д.

Для альдегидов характерна и межклассовая изомерия. Насыщенные альдегиды изомерны кетонам — карбонильным производным насыщенных углеводородов с тем же числом атомов углерода в молекуле, что и у альдегидов. К кетонам относятся производные углеводородов, молекулы которых содержат карбонильную группу  связанную с двумя углеводородными заместителями.

Например, простейший кетон ацетон изомерен пропаналю  Молекулярная формула обоих веществ

Ацетон — важнейший в промышленном отношении продукт, получаемый, как вам уже известно, кумольным методом как сопутствующий фенолу продукт.

Физические свойства: Метаналь (при и. у.) — бесцветный газ, альдегиды — жидкости, а начиная с альдегида — твердые вещества. Низшие альдегиды имеют резкий запах, у альдегидов неприятный запах, высшие альдегиды обладают цветочными запахами.

Имеется характерный запах также у некоторых ароматических альдегидов и альдегидов ненасыщенного ряда. Например, фенилуксусный альдегид имеет запах гиацинтов, поэтому его называют гиацинтовым.

Низшие альдегиды хорошо растворяются в воде. Например, растворимость этаналя в воде неограниченная, метаналя (формальдегида) — хорошая (раствор с массовой долей альдегида 40% называют формалином). С увеличением молярной массы альдегидов их растворимость в воде уменьшается.

Температуры кипения и плавления альдегидов по мере увеличения молярной массы закономерно возрастают (см. табл. 25), но при этом они ниже, чем у соответствующих спиртов. Это явление связано с тем, что в молекулах альдегидов карбонильная группа не настолько полярна, чтобы образовывать водородные связи с другими молекулами этого же соединения, как это происходит у спиртов.

Альдегиды — производные углеводородов, у которых атом водорода замещен на группу —СНО.

Общая формула альдегидов — производных алканов —

Структурная изомерия альдегидов обусловлена изомерией углеродного скелета.

Химические свойства альдегидов

Химические свойства альдегидов обусловлены наличием в составе молекул карбонильной группы с полярной -связью. Альдегиды — химически активные соединения, для которых характерны реакции присоединения по связи и окисления по связи в альдегидной группе. Метаналь является самым химически активным альдегидом.

Реакции присоединения: Альдегиды способны присоединять водород по связи на никелевом или платиновом катализаторе с образованием первичных спиртов.

Например, при пропускании паров этаналя вместе с водородом над нагретым никелевым катализатором происходит присоединение водорода и образуется спирт этанол:

Гидрирование альдегидов относят к реакции восстановления.

В промышленности реакцию гидрирования альдегидов используют для получения насыщенных первичных спиртов.

В качестве эффективных восстановителей альдегидов используется также алюмогидрид лития. В этих реакциях он является источником гидридных анионов:

Реакция окисления: Альдегиды способны не только восстанавливаться, но и окисляться значительно легче, чем спирты, при этом образуются соответствующие карбоновые кислоты. Альдегиды можно окислить даже такими мягкими окислителями, как оксид серебра(I) и гидроксид меди(II). Реакции окисления альдегидов протекают при расщеплении связи в альдегидной группе.

Так, если к аммиачному раствору оксида серебра(I) прилить раствор уксусного альдегида и смесь нагреть, то происходит окисление альдегида с образованием уксусной кислоты. Внутренняя поверхность пробирки, в которой нагревается смесь, покрывается при этом тонким слоем серебра (рис. 60):

Это так называемая реакция серебряного зеркала, которая может служить качественной реакцией на альдегиды.

Если к свежеосажденному гидроксиду меди(II) прилить раствор уксусного альдегида и смесь нагреть, то также происходит окисление альдегида до уксусной кислоты. При этом гидроксид меди(II) светло-голубого цвета восстанавливается в гидроксид меди(I) желтого цвета, который при нагревании превращается в оксид меди(I) красного цвета:

Эта реакция так же, как реакция серебряного зеркала, используется для качественного обнаружения альдегидов.

Окислить альдегиды в соответствующие кислоты можно также такими окислителями, как или кислородом воздуха в присутствии катализатора:

Высокая реакционная способность альдегидов обусловлена строением карбонильной группы.

Для альдегидов характерны реакции присоединения по двойной связи и окисления по связи  в альдегидной группе.
 

Получение и применение альдегидов

Получение: Альдегиды получают окислением первичных насыщенных одноатомных спиртов. В лаборатории в качестве окислителей используют оксид меди(II) или пероксид водорода, в общем виде этот процесс можно записать так:

В промышленных условиях метаналь получают окислением метанола кислородом воздуха в присутствии медного или серебряного катализатора:

Этаналь получают аналогичным методом:

Уксусный альдегид был выделен в лаборатории немецким химиком Ю.Либихом в 1835 г., а первый представитель класса альдегидов — муравьиный альдегид — был получен в лаборатории также немецким химиком А. Гофманом в 1868 г.

Одним из современных промышленных методов получения низших альдегидов является окисление алкенов кислородом воздуха в присутствии хлоридов палладия и меди. Этаналь в промышленности получают преимущественно этим методом:

В современной промышленности широко используется такой способ получения альдегидов, как каталитическое дегидрирование первичных насыщенных спиртов. Так, например, при пропускании паров этанола при высокой температуре над поверхностью медного катализатора происходит дегидрирование этанола и образование этаналя:

Этот способ получения альдегидов объясняет само название класса — спирт дегидрированный (от лат. alcohol dehydrogenates).

Этаналь можно получить гидратацией ацетилена в условиях реакции Кучерова в присутствии солей двухвалентной ртути:

В реакции сначала к ацетилену идет присоединение воды по одной связи, и образуется ненасыщенный виниловый спирт, у которого гидроксильная группа связана с атомом углерода при двойной связи. Ненасыщенные спирты неустойчивы и легко изомеризуются. Поэтому виниловый спирт превращается в уксусный альдегид. Эта реакция впервые была открыта русским химиком М. Г. Кучеровым. Используемые в реакции в качестве катализатора соли ртути опасны для здоровья человека, поэтому эту реакцию для промышленного получения карбонильных соединений не используют.

Применение: Рассмотрим области применения важных в промышленном отношении альдегидов — метаналя и этаналя. Основное количество получаемого в промышленности метаналя (формальдегида) расходуется на производство фенолфор-мальдегидных смол, из которых получают фенолформальдегидные пластмассы (см. § 28). Полиформальдегид  используется для изготовления пленок и волокон. Метаналь применяют для производства некоторых лекарственных веществ, в частности широко известного лекарства уротропин. Впервые уротропин из метаналя и аммиака в 1860 г. синтезировал А. М. Бутлеров.

Метаналь используется обычно в виде водного раствора — формалина. Формалин обладает сильными дезинфицирующими свойствами. Его применяют для дезинфекции и дубления кож, хранения анатомических препаратов, в сельском хозяйстве — для протравливания семян.

На рисунке 61 показаны области применения метаналя.

Этаналь (уксусный альдегид) используют в промышленных масштабах для получения уксусной кислоты и ее производных.

В некоторых отраслях производства находят применение альдегиды, производные ненасыщенных и ароматических углеводородов. Например, ненасыщенный альдегид пропеналь применяют для получения акриловой кислоты, глицерина, некоторых полимеров, лекарственных веществ.

Ароматический альдегид бензальдегид используется для получения душистых и лекарственных веществ, некоторых красителей. В природе бензальдегид встречается в связанном виде в листьях лавровишен, косточках персиков, абрикосов, слив, в горьком миндале.

К основным промышленным способам получения альдегидов относят окисление алкенов и спиртов, дегидрирование спиртов.

Метаналь и этаналь используются во многих отраслях производства.