Характерные  химические свойства: альдегидов, кетонов и предельных карбоновых кислот

Оглавление

1. Строение альдегидов и кетонов
2. Номенклатура и изомерия альдегидов и кетонов
3. Физические свойства альдегидов и кетонов
4. Химические свойства альдегидов и кетонов
5. Отдельные представители альдегидов и их значение
6. Строение карбоновых кислот
7. Номенклатура и изомерия карбоновых кислот
8. Физические свойства карбоновых кислот
9. Химические свойства карбоновых кислот
10. Отдельные представители карбоновых кислот и их значение
11. Шпаргалка
12. Задания для самопроверки

Строение альдегидов и кетонов

Альдегиды — органические вещества, молеку­лы которых содержат карбонильную группу:

соединенную с атомом водорода и углеводородным радикалом. Общая формула альдегидов имеет вид:

В простейшем альдегиде — формальдегиде роль углеводородного радикала играет другой атом водорода:

Карбонильную группу, связанную с атомом во­дорода, часто называют альдегидной:

Кетоны — органические вещества, в молеку­лах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами. Очевидно, общая формула кетонов имеет вид:

Карбонильную группу кетонов называют кето-группой.

В простейшем кетоне — ацетоне — карбониль­ная группа связана с двумя метильными радика­лами:

Номенклатура и изомерия альдегидов и кетонов

В зависимости от строения углеводородного ра­дикала, связанного с альдегидной группой, различают предельные, непредельные, ароматические, гетероциклические и другие альдегиды:

В соответствии с номенклатурой ИЮПАК на­звания предельных альдегидов образуются от на­звания алкана с тем же числом атомов углерода с молекуле с помощью суффикса -аль. Например:

Нумерацию атомов углерода главной цепи на­чинают с атома углерода альдегидной группы. По­этому альдегидная группа всегда располагается при первом атоме углерода, и указывать ее поло­жение нет необходимости.

Наряду с систематической номенклатурой ис­пользуют и тривиальные названия широко приме­няемых альдегидов. Эти названия, как правило, образованы от названий карбоновых кислот, соот­ветствующих альдегидам.

Для названия кетонов по систематической но­менклатуре кетогруппу обозначают суффиксом -он и цифрой, которая указывает номер атома углеро­да карбонильной группы (нумерацию следует на­чинать от ближайшего к кетогруппе конца цепи).

Например:

Для альдегидов характерен только один вид структурной изомерии — изомерия углеродно­го скелета, которая возможна с бутаналя, а для кетонов — также и изомерия положения карбо­нильной группы. Кроме этого, для них характер­на и межклассовая изомерия (пропаналь и пропанон).

Физические свойства альдегидов и кетонов

В молекуле альдегида или кетона вследствие большей электроотрицательности атома кислоро­да по сравнению с углеродным атомом связь С=O сильно поляризована за счет смещения электрон­ной плотности π-связи к кислороду:

Альдегиды и кетоны — полярные вещества с избыточной электронной плотностью на атоме кислорода. Низшие члены ряда альдегидов и ке­тонов (формальдегид, уксусный альдегид, ацетон) растворимы в воде неограниченно. Их температу­ры кипения ниже, чем у соответствующих спир­тов. Это связано с тем, что в молекулах альдегидов и кетонов в отличие от спиртов нет подвижных атомов водорода и они не образуют ассоциатов за счет водородных связей.

Низшие альдегиды име­ют резкий запах; у альдегидов, содержащих от четырех до шести атомов углерода в цепи, непри­ятный запах; высшие альдегиды и кетоны обла­дают цветочными запахами и применяются в пар­фюмерии.

Химические свойства альдегидов и кетонов

Наличие альдегидной группы в молекуле опре­деляет характерные свойства альдегидов.

Реакции восстановления.

1. Присоединение водорода к молекулам альде­гидов происходит по двойной связи в карбониль­ной группе:

Продуктом гидрирования альдегидов являются первичные спирты, кетонов — вторичные спирты.

Так, при гидрировании уксусного альдегида на никелевом катализаторе образуется этиловый спирт, при гидрировании ацетона — пропанол-2.

2. Гидрирование альдегидов — реакция восста­новления, при которой понижается степень окис­ления атома углерода, входящего в карбонильную группу.

Реакции окисления.

Альдегиды способны не только восстанавливаться, но и окисляться. При окислении альдегиды образуют карбоновые кисло­ты. Схематично этот процесс можно представить так:

1. Окисление кислородом воздуха. Например, из пропионового альдегида (пропаналя) образуется пропионовая кислота:

2. Окисление слабыми окислителями (аммиач­ный раствор оксида серебра). В упрощенном виде этот процесс можно выразить уравнением реак­ции:

Например:

Более точно этот процесс отражают уравнения:

Если поверхность сосуда, в котором проводит­ся реакция, была предварительно обезжирена, то образующееся в ходе реакции серебро покрывает ее ровной тонкой пленкой. Поэтому эту реакцию называют реакцией «серебряного зеркала». Ее ши­роко используют для изготовления зеркал, сереб­рения украшений и елочных игрушек.

3. Окисление свежеосажденным гидроксидом меди (II). Окисляя альдегид, Cu²⁺ восстанавливает­ся до Cu⁺. Образующийся в ходе реакции гидрок­сид меди (I) CuOH сразу разлагается на оксид ме­ди (I) красного цвета и воду.

Эта реакция, так же как и реакция «серебряно­го зеркала», используется для обнаружения альде­гидов.

Кетоны не окисляются ни кислородом воздуха, ни таким слабым окислителем, как аммиачный раствор оксида серебра.

Отдельные представители альдегидов и их значение

Формальдегид (метаналь, муравьиный альдегид HCHO) — бесцветный газ с резким запахом и тем­пературой кипения -21 °С, хорошо растворим в во­де. Формальдегид ядовит! Раствор формальдегида в воде (40 %) называют фор­малином и применяют для формальдегид и уксусной дезинфекции. В сельском хозяйстве формалин использу­ют для протравливания семян, в кожевенной промышленности — для обра­ботки кож. Формальдегид используют для получе­ния уротропина — лекарственного вещества. Иногда спрессованный в виде брикетов уротропин применя­ют в качестве горючего (сухой спирт). Большое ко­личество формальдегида расходуется при получении фенолформальдегидных смол и некоторых других веществ.

Уксусный альдегид (этаналь, ацетальдегид CH₃CHO) — жидкость с резким, неприятным за­пахом и температурой кипения 21 °С, хорошо рас­творим в воде. Из уксусного альдегида в промыш­ленных масштабах получают уксусную кислоту и ряд других веществ, он используется для произ­водства различных пластмасс и ацетатного волок­на. Уксусный альдегид ядовит!

Строение карбоновых кислот

Вещества, содержащие в молекуле одну или не­сколько карбоксильных групп, называются карбо­новыми кислотами.

Группа атомов —

— называется карбоксиль­ной группой, или карбоксилом.

Органические кислоты, содержащие в молеку­ле одну карбоксильную группу, являются одноос­новными.

Общая формула этих кислот RCOOH, например:

Карбоновые кислоты, содержащие две кар­боксильные группы, называются двухосновными. К ним относятся, например, щавелевая и янтар­ная кислоты:

Существуют и многоосновные карбоновые кис­лоты, содержащие более двух карбоксильных групп. К ним относится, например, трехосновная лимонная кислота:

В зависимости от природы углеводородного ра­дикала карбоновые кислоты делятся на предель­ные, непредельные, ароматические.

Предельными, или насыщенными, карбоновы­ми кислотами являются, например, пропановая (пропионовая) кислота:

или уже знакомая нам янтарная кислота.

Очевидно, что предельные карбоновые кислоты не содержат π-связей в углеводородном радикале.

В молекулах непредельных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с ненасыщенным, не­предельным углеводородным радикалом, например, в молекулах акриловой (пропеновой)

СН₂=СН—СООН

или олеиновой

СН₃—(СН₂)₇—СН=СН—(СН₂)₇—СООН

и других кислот.

Как видно из формулы бензойной кислоты, она является ароматической, так как содержит в моле­куле ароматическое (бензольное) кольцо:

Номенклатура и изомерия карбоновых кислот

Название карбоновой кислоты образуется от на­звания соответствующего алкана (алкана с тем же числом атомов углерода в молекуле) с добавлени­ем суффикса -ов—, окончания -ая и слова кислота. Нумерация атомов углерода начинается с карбок­сильной группы. Например:

Количество карбоксильных групп указывается в названии префиксами ди-, три-, тетра-:

Многие кислоты имеют и исторически сложив­шиеся, или тривиальные, названия.

Состав предельных одноосновных карбоновых кислот будет выражаться общей формулой С_nН_2nO₂, или С_nН_2n+1СOOН, или RСООН.

Физические свойства карбоновых кислот

Низшие кислоты, т. е. кислоты с относитель­но небольшой молекулярной массой, содержащие в молекуле до четырех атомов углерода, — жидко­сти с характерным резким запахом (например, за­пах уксусной кислоты). Кислоты, содержащие от 4 до 9 атомов углерода, — вязкие маслянистые жид­кости с неприятным запахом; содержащие более 9 атомов углерода в молекуле — твердые вещества, которые не растворяются в воде. Температуры ки­пения предельных одноосновных карбоновых кис­лот увеличиваются с ростом числа атомов углерода в молекуле и, следовательно, с ростом относитель­ной молекулярной массы. Так, температура кипе­ния муравьиной кислоты равна 100,8 °С, уксус­ной — 118 °С, пропионовой — 141 °С.

Простейшая карбоновая кислота — муравьиная НСООН, имея небольшую относительную молеку­лярную массу (М_r(НСООН) = 46), при обычных уcловиях является жидкостью с температурой кипе­ния 100,8 °С. В то же время бутан (M_r(C₄H₁₀) = 58) в тех же условиях газообразен и имеет температу­ру кипения -0,5 °С. Это несоответствие темпера­тур кипения и относительных молекулярных масс объясняется образованием димеров карбоновых кислот, в которых две молекулы кислоты связаны двумя водородными связями:

Возникновение водородных связей становится понятным при рассмотрении строения молекул карбоновых кислот.

Молекулы предельных одноосновных карбоно­вых кислот содержат полярную группу атомов — карбоксил

— и практически неполярный углеводородный радикал. Карбоксильная группа притягивается молекулами воды, образуя с ними водородные связи:

Муравьиная и уксусная кислоты растворимы в воде неограниченно. Очевидно, что с увеличени­ем числа атомов в углеводородном радикале рас­творимость карбоновых кислот снижается.

Химические свойства карбоновых кислот

Общие свойства, характерные для класса кислот (как органических, так и неорганических), обусловлены наличием в молекулах гидроксильной группы, содержащей сильную полярную связь между атома­ми водорода и кислорода. Рассмотрим эти свойства на примере растворимых в воде органических кислот.

1. Диссоциация с образованием катионов водо­рода и анионов кислотного остатка:

Более точно этот процесс описывает уравнение, учитывающее участие в нем молекул воды:

Равновесие диссоциации карбоновых кислот смещено влево; подавляющее большинство их — слабые электролиты. Тем не менее, кислый вкус, например, уксусной и муравьиной кислот объяс­няется диссоциацией на катионы водорода и анио­ны кислотных остатков.

Очевидно, что присутствием в молекулах кар­боновых кислот «кислого» водорода, т. е. водорода карбоксильной группы, обусловлены и другие ха­рактерные свойства.

2. Взаимодействие с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водо­рода:

Так, железо восстанавливает водород из уксус­ной кислоты:

3. Взаимодействие с основными оксидами с об­разованием соли и воды:

4. Взаимодействие с гидроксидами металлов с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):

5. Взаимодействие с солями более слабых кис­лот с образованием последних. Так, уксусная кис­лота вытесняет стеариновую из стеарата натрия и угольную из карбоната калия:

6. Взаимодействие карбоновых кислот со спир­тами с образованием сложных эфиров — реакция этерификации (одна из наиболее важных реакций, характерных для карбоновых кислот):

Взаимодействие карбоновых кислот со спирта­ми катализируется катионами водорода.

Реакция этерификации обратима. Равновесие смещается в сторону образования сложного эфира в присутствии водоотнимающих средств и при уда­лении эфира из реакционной смеси.

В реакции, обратной этерификации, которая называется гидролизом сложного эфира (взаимо­действие сложного эфира с водой), образуются кислота и спирт:

Очевидно, что реагировать с карбоновыми кис­лотами, т. е. вступать в реакцию этерификации, могут и многоатомные спирты, например, глице­рин:

Все карбоновые кислоты (кроме муравьиной) наряду с карбоксильной группой содержат в моле­кулах углеводородный остаток. Безусловно, это не может не сказаться на свойствах кислот, которые определяются характером углеводородного остат­ка.

7. Реакции присоединения по кратной связи — в них вступают непредельные карбоновые кислоты. Например, реакция присоединения водорода — ги­дрирование. Для кислоты, содержащей в радикале одну л-связь, можно записать уравнение в общем виде:

Так, при гидрировании олеиновой кислоты об­разуется предельная стеариновая кислота:

Непредельные карбоновые кислоты, как и дру­гие ненасыщенные соединения, присоединяют галогены по двойной связи. Так, например, акрило­вая кислота обесцвечивает бромную воду:

8. Реакции замещения (с галогенами) — в них способны вступать предельные карбоновые кисло­ты. Например, при взаимодействии уксусной кис­лоты с хлором могут быть получены различные хлорпроизводные кислоты:

Отдельные представители карбоновых кислот и их значение

Муравьиная (метановая) кислота HCOOH — жидкость с резким запахом и темпе­ратурой кипения 100,8 °C, хорошо растворима в воде.

Муравьиная кислота ядови­та, при попадании на кожу вызывает ожоги! Жалящая жидкость, выделяемая мура­вьями, содержит эту кислоту.

Муравьиная кислота обладает дезинфицирующим свойством и поэтому находит свое применение в пищевой, кожевенной и фармацевтической промышленностях, медицине. Она ис­пользуется при крашении тканей и бумаги.

Уксусная (этановая) кислота CH₃COOH — бес­цветная жидкость с характерным резким запа­хом, смешивается с водой в любых отношениях. Водные растворы уксусной кислоты поступают в продажу под названием уксуса (3-5 % -й раствор) и уксусной эссенции (70-80 %-й раствор) и широ­ко используются в пищевой промышленности. Ук­сусная кислота — хороший растворитель многих органических веществ и поэтому используется при крашении, в кожевенном производстве, в лакокра­сочной промышленности. Кроме этого, уксусная кислота является сырьем для получения многих важных в техническом отношении органических соединений: например, на ее основе получают ве­щества, используемые для борьбы с сорняками, — гербициды. Уксусная кислота является основным компонентом винного уксуса, характерный запах которого обусловлен именно ею. Она продукт окис­ления этанола и образуется из него при хранении вина на воздухе.

Важнейшими представителями высших пре­дельных одноосновных кислот являются пальми­тиновая C₁₅H₃₁COOH и стеариновая C₁₇H₃₅COOH кислоты. В отличие от низших кислот эти веще­ства твердые, плохо растворимы в воде.

Однако их соли — стеараты и пальмитаты — хо­рошо растворимы и обладают моющим действием, поэтому их еще называют мылами. Понятно, что эти вещества производят в больших масштабах.

Из непредельных высших карбоновых кислот наибольшее значение имеет олеиновая кислота C₁₇H₃₃COOH, или CH₃ — (CH₂)₇ — CH = CH —(CH₂)₇COOH. Это маслоподобная жидкость без вкуса и запаха. Широкое применение в технике находят ее соли.

Простейшим представителем двухосновных карбоновых кислот является щавелевая (этандиовая) кислота HOOC—COOH, соли которой встре­чаются во многих растениях, например в щавеле и кислице. Щавелевая кислота — это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворяет­ся в воде. Она применяется при полировке ме­таллов, в деревообрабатывающей и кожевенной промышленностях.

Шпаргалка

Справочный материал для прохождения тестирования: