О чём этот урок

Мы уже видели, что одна и та же функциональная группа $-OH$ ведёт себя по-разному на предельном атоме углерода и на ароматическом кольце (уроки 13–14). Сейчас нас ждёт новая функциональная группа — карбонильная, $C=O$, — и сразу два родственных класса на её основе: альдегиды и кетоны. Формальдегид, знакомый по школьным консервированным препаратам, и ацетон, которым снимают лак с ногтей, — оба содержат одну и ту же группу. Разберёмся, что их объединяет, а что — принципиально различает.

Прежде чем начать

• sp²-гибридизация атома углерода и плоское строение вокруг него (урок 3) — применим эту идею к карбонильному атому углерода;
• водородные связи и их влияние на температуру кипения спиртов (урок 13);
• окисление спиртов в зависимости от типа: первичный спирт даёт альдегид, вторичный — кетон (урок 13);
• полярность ковалентной связи и разница электроотрицательностей из общей химии.

Разбираемся с нуля

Карбонильная группа

Карбонильная группа $C=O$ — двойная связь между атомом углерода и атомом кислорода. Атом углерода в ней находится в sp²-гибридизации (урок 3): вокруг него — плоская конфигурация с углами связей около 120°.

Связь $C=O$ сильно полярна: кислород значительно более электроотрицателен, чем углерод, поэтому на атоме углерода — частичный положительный заряд, а на кислороде — частичный отрицательный.

Альдегиды: карбонил на конце цепи

Альдегид — соединение, в котором карбонильная группа находится на конце углеродной цепи, то есть у карбонильного атома углерода обязательно есть атом водорода. Общая запись: $R-CHO$, где группу $-CHO$ называют альдегидной.

Кетоны: карбонил внутри цепи

Кетон — соединение, в котором карбонильная группа находится внутри цепи: карбонильный атом углерода связан сразу с двумя углеродными заместителями (а не с атомом водорода). Общая запись: $R-CO-R'$.

Важно: ключевое структурное различие — у альдегида на карбонильном атоме углерода обязательно есть атом водорода, у кетона его нет (вместо него — второй углеродный заместитель). Именно это различие определяет их разное химическое поведение, о котором пойдёт речь дальше.

Номенклатура

• Альдегиды получают суффикс -аль; карбонильный атом углерода всегда получает номер 1, поскольку он стоит на конце цепи: метаналь (тривиальное название — формальдегид), этаналь (тривиальное — ацетальдегид), пропаналь.
• Кетоны получают суффикс -он с указанием локанта положения карбонильной группы при необходимости: пропанон (тривиальное — ацетон, простейший кетон, локант не нужен — положение единственно возможное), бутанон-2.

Физические свойства

Карбонильная группа полярна, но альдегиды и кетоны не образуют водородных связей между своими молекулами — в отличие от спиртов (урок 13). Причина в том, что у карбонильного кислорода нет собственного атома водорода, который он мог бы «отдать» в водородную связь с такой же молекулой: у него есть только неподелённые пары, способные принимать водородную связь, но нечем её образовать в роли донора.

Следствие: температуры кипения альдегидов и кетонов заметно ниже, чем у спиртов сравнимой молекулярной массы (нет межмолекулярных водородных связей типа альдегид–альдегид), но выше, чем у алканов — полярность группы всё же создаёт дополнительное диполь-дипольное притяжение.

Растворимость в воде у низших представителей (формальдегид, ацетальдегид, ацетон) хорошая: полярный карбонильный кислород способен принимать водородную связь от молекулы воды (у которой есть свой атом водорода), даже если сам не может выступать донором между своими молекулами.

Химические свойства: окисление — ключевое отличие

Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот (подробно — урок 16), потому что у карбонильного атома углерода есть атом водорода, который можно «отнять» при окислении:

$$R-CHO \xrightarrow{[O]} R-COOH$$

Кетоны, напротив, такого водорода у карбонильного атома не имеют и в обычных условиях слабыми окислителями не окисляются. Это и есть ключевое химическое различие между двумя классами.

Качественная реакция «серебряное зеркало»

Важно: классический способ отличить альдегид от кетона — реакция с аммиачным раствором оксида серебра $Ag_2O$ в $NH_3$ (реактив Толленса). Альдегид восстанавливает ион серебра до металлического серебра, которое осаждается на стенках пробирки тонким блестящим слоем — «серебряное зеркало». Сам альдегид при этом окисляется до карбоновой кислоты.

$$R-CHO + Ag_2O \xrightarrow{NH_3} R-COOH + 2Ag\downarrow$$

Кетоны этой реакции не дают — у них нет способного к окислению атома водорода при карбонильном углероде, поэтому раствор остаётся прозрачным, зеркало не образуется. Именно эта проба — надёжный лабораторный способ различить два класса карбонильных соединений.

Восстановление карбонильной группы

Обратная окислению реакция — восстановление, то есть присоединение водорода по двойной связи $C=O$ (катализатор — никель или платина, нагревание):

• альдегид + $H_2$ → первичный спирт (обратная реакция к окислению первичного спирта в альдегид, урок 13);
• кетон + $H_2$ → вторичный спирт (обратная реакция к окислению вторичного спирта в кетон, урок 13).

Так замыкается круг превращений между спиртами и карбонильными соединениями, начатый в уроке 13.

Важнейшие представители

• Формальдегид ($HCHO$, метаналь) — газ с резким запахом; его водный раствор (формалин) применяют для консервации биологических препаратов и в производстве фенолформальдегидных смол (связь с уроком 14 и анонс урока 22); токсичен, канцероген.
• Ацетон ($CH_3-CO-CH_3$, пропанон) — простейший кетон, летучая жидкость, отличный растворитель (смывка лака, растворитель для красок и клеёв); один из «кетоновых тел», образующихся в организме при нарушениях обмена веществ.

Примеры и разбор

Пример 1. Альдегид или кетон?

Задача: Определите класс каждого вещества: (а) $CH_3-CHO$; (б) $CH_3-CO-CH_3$; (в) $CH_3-CH_2-CHO$.

Разбор: (а) карбонильный атом углерода связан с $CH_3$ и с $H$ → альдегид (ацетальдегид). (б) карбонильный атом углерода связан с двумя группами $CH_3$, атома водорода нет → кетон (ацетон). (в) карбонильная группа на конце цепи, есть $H$ → альдегид (пропаналь).

Вывод: критерий — наличие атома водорода при карбонильном атоме углерода: есть $H$ → альдегид, нет $H$ (два углеродных заместителя) → кетон.

Пример 2. Даст ли вещество серебряное зеркало?

Задача: К растворам пропаналя ($CH_3CH_2CHO$) и ацетона ($CH_3COCH_3$) добавили аммиачный раствор оксида серебра и слегка нагрели. В какой пробирке образуется серебряное зеркало?

Разбор: пропаналь — альдегид, имеет атом водорода при карбонильном углероде, легко окисляется, восстанавливая серебро — даёт зеркало. Ацетон — кетон, такого водорода нет, окисление не происходит, зеркало не образуется.

Вывод: реакция серебряного зеркала происходит только с пропаналем (альдегидом), но не с ацетоном (кетоном) — это и есть диагностический признак.

Пример 3. Восстановление карбонильного соединения

Задача: Какой спирт получится при восстановлении (присоединении $H_2$) бутанона-2 ($CH_3-CO-CH_2-CH_3$)?

Разбор: бутанон-2 — кетон, при восстановлении даёт вторичный спирт: карбонильный углерод получает атом водорода и группу $-OH$, оставаясь связанным с двумя углеродными заместителями.

Вывод: $CH_3-CO-CH_2-CH_3 \to CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$ (бутанол-2) — восстановление кетона даёт вторичный спирт, обратный процесс окислению вторичного спирта в кетон (урок 13).

Проверьте себя

1. В чём структурное различие между альдегидом и кетоном?
2. Почему альдегиды и кетоны не образуют водородных связей между своими молекулами, хотя карбонильная группа полярна?
3. Как это отражается на температурах кипения по сравнению со спиртами и алканами сравнимой массы?
4. Почему альдегиды легко окисляются, а кетоны — нет?
5. Опишите суть качественной реакции «серебряное зеркало». Какой из двух классов её даёт?
6. Что получится при восстановлении альдегида и при восстановлении кетона?
7. Приведите по одному практическому применению формальдегида и ацетона.

Коротко о главном

• Карбонильная группа $C=O$ содержит sp²-гибридизованный атом углерода и сильно полярна.
• У альдегидов карбонильная группа находится на конце цепи и несёт атом водорода ($R-CHO$); у кетонов — внутри цепи, между двумя углеродными заместителями ($R-CO-R'$).
• Номенклатура: альдегиды получают суффикс -аль, кетоны — суффикс -он (с указанием положения при необходимости).
• Альдегиды и кетоны не образуют водородных связей между своими молекулами, поэтому кипят при более низких температурах, чем спирты сравнимой массы, но выше, чем алканы.
• Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот благодаря атому водорода при карбонильном углероде; кетоны в тех же условиях не окисляются.
• Качественная реакция «серебряное зеркало» (с $Ag_2O$ в $NH_3$) надёжно отличает альдегид от кетона: альдегиды дают реакцию, кетоны — нет.
• Восстановление карбонильной группы водородом даёт спирт: из альдегида — первичный, из кетона — вторичный (обратная реакция к окислению спиртов из урока 13).
• Формальдегид и ацетон — важнейшие практические представители своих классов.

Куда дальше

Мы увидели, что альдегиды легко окисляются до нового класса веществ. В следующем уроке подробно разберём карбоновые кислоты — конечную точку окисления и первичных спиртов, и альдегидов.

➡ Урок 16: Карбоновые кислоты