Альдегиды и их химические свойства

Альдегидами называют такие органические вещества, в молекулах которых есть карбонильная группа, связанная, минимум, с одним атомом водорода и углеводородным радикалом.

Химические свойства альдегидов предопределяются в их молекуле наличием карбонильной группы. В связи с этим в молекуле карбонильной группы можно наблюдать реакции присоединения.

Так, например, если взять и пропустить пары формальдегида разом с водородом над разогретым никелевым катализатором, то произойдет присоединение водорода и формальдегид восстановиться в метиловый спирт. Кроме этого полярный характер данной связи порождает и такую реакцию альдегидов, как присоединение воды.

А теперь давайте рассмотрим все особенности реакций от присоединения воды. Следовало бы отметить, что к углеродному атому карбонильной группы, который несет частичный положительный заряд, благодаря электронной паре кислородного атома, добавляется гидроксильная группа.

При таком присоединении характерны следующие реакции:

Во-первых, происходит гидрирование и образуются первичные спирты RСН2ОН.
Во-вторых, происходит добавление спиртов и образование полуацеталей R-СН (ОН) – ОR. А в присутствии хлороводорода НСl, выступающего катализатором и при излишке спирта мы наблюдаем образование ацетали RСН (ОR)2;
В-третьих, происходит добавление гидросульфита натрия NаНSO3 и образуются производные гидросульфитных альдегидов. При окислении альдегидов можно наблюдать такие особенные реакции, как взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра (I) и с гидроксидом меди (II) и образование карбоновых кислот.

При полимеризации альдегидов характерны такие особенные реакции, как линейная и циклическая полимеризация.

Если говорить о химических свойствах альдегидов, следует упомянуть и реакцию окисления. К таким реакциям можно отнести реакцию «серебряного зеркала» и реакцию светофор.

Пронаблюдать за необычной реакцией «серебряного зеркала» можно, проведя в классе интересный опыт. Для этого вам понадобиться чисто вымытая пробирка, в которую следует налить несколько миллилитров аммиачного раствора оксида серебра, а потом к нему добавить четыре или пять капель формалина. Следующим этапом при проведении этого опыта нужно пробирку поместить в стакан с горячей водой и тогда вы сможете увидеть, как на стенках пробирки появляется блестящий слой. Это образовавшееся покрытие является осадком металлического серебра.

А вот так называемая реакция «светофор»:

Физические свойства альдегидов

Теперь давайте приступим к рассмотрению физических свойств альдегидов. Какими же свойствами обладают эти вещества? Следует обратить внимание на то, что ряд простых альдегидов являют из себя бесцветный газ, более сложные представлены в виде жидкости, а вот высшие альдегиды – это твердые вещества. Чем больше молекулярная масса альдегидов, тем выше температура кипения. Так, например, пропионовый альдегид достигает точки кипения при 48,8 градусов, а вот пропиловый спиртзакипает при 97,8 0С.

Если говорить о плотности альдегидов, то она меньше единицы. Так, например, уксусный и муравьиный альдегид имеет свойство неплохо растворяться в воде, а более сложные альдегиды имеют более слабую способность к растворению.

Альдегиды, которые относятся к низшему разряду, имеют резкий и неприятный запах, а твердые и нерастворимые в воде, наоборот характеризуются приятным цветочным запахом.

Нахождение альдегидов в природе

В природе, повсеместно встречаются представители различных групп альдегидов. Они присутствуют в зеленых частях растений. Эта одна из простейших групп альдегидов, к которым относится муравьиный альдегид СН2О.

Также встречаются альдегиды с более сложным составом. К таким видам относятся ванилин или виноградный сахар.

Но так как альдегиды обладают способностью легко вступать во всякие взаимодействия, имеют склонность к окислению и восстановлению, то можно с уверенностью сказать, что альдегиды очень способны к различным реакциям и поэтому в чистом виде они встречаются крайне редко. А вот их производные можно встретить повсеместно, как в растительной среде, так и животной.

Применение альдегидов

Альдегидная группа присутствует в целом ряде природных веществ. Их отличительной чертой, по крайней мере, многих из них, является запах. Так, например представители высших альдегидов, владеют различными ароматами и входят в состав эфирных масел. Ну и, как вам уже известно, такие масла присутствуют в цветочных, пряных и душистых растениях, плодах и фруктах. Они отыскали масштабное использование в производстве промышленных товаров и при производстве парфюмерии.

Алифатический альдегид СН3(СН2)7С(Н)=О можно найти в эфирных маслах цитрусовых. Такие альдегиды имеют запах апельсина, и применяется в пищевой промышленности, как ароматизатор, а также в косметике, парфюмерии и бытовой химии, в качестве отдушки.

Муравьиный альдегид – это бесцветный газ, который имеет резкий специфический запах и легко растворяется в воде. Такой водный раствор формальдегида еще называют формалином. Формальдегид очень ядовит, но в медицине его применяют в разбавленном виде в качестве дезинфицирующего средства. Его используют для дезинфекции инструментов, а его слабый раствор используют для обмывания кожи при сильной потливости.

Кроме того, формальдегид используют при дублении кожи, так как он имеет способности соединяться белковыми веществами, которые имеются в составе кожи.

В сельском хозяйстве формальдегид прекрасно зарекомендовал себя при обработке зерна перед посевными работами. Его применяют для производства пластмасс, которые так необходимы для техники и бытовых нужд.

Уксусный альдегид являет из себя бесцветную жидкость, которая имеет запах прелых яблок и легко растворяется в воде. Применяется он для получения уксусной кислоты и других веществ. Но так как он является ядовитым веществом, то может вызвать отравление организма или воспаление слизистых оболочек глаз и дыхательных путей.

АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ

Альдегидами и кетонами называют производные углеводородов, содер­жащие карбонильную группу С=О. В молекуле альдегидов по крайней мере одна валентность карбонильной группы затрачивается на соедине­ние с атомом водорода, а другая - с радикалом (предельного ряда в пре­дельных альдегидах и непредельного - в непредельных альдегидах). Об­щая формула альдегидов:

причем R может быть равно Н.

В случае кетонов обе валентности карбонильной группы затрачиваются на соединение с радикалами. Общая формула кетонов:

Изомерия. Номенклатура.

Общая формула предельных альдегидов и кетонов С n Н 2 n O.

Изомерия альдегидов связана со строением радикалов. Так, например, известно четыре альдегида с формулой

(см. ниже).

Альдегиды называют или по кислотам, в которые они переходят при окислении (с тем же числом углеродных атомов), или по предельным угле­водородам с добавлением суффикса -аль (систематическая номенклатура).

	муравьиный альдегид (формальдегид), метаналь (рис. 1а )
	уксусный альдегид, этаналь (рис. 1б )
	пропионовый альдегид, пропаналь
СН 3 -СН 2 -СН 2 -СНО	масляный альдегид, бутаналь
	изомасляный альдегид, 2-метилпропаналь
СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СНО	валериановый альдегид, пентаналь
	изовалернановый альдегид, 3-метилбутаналь
	метилэтилуксусный альдегид, 2-метилбутаналь
	триметилуксусный альдегид, 2,2-диметлпропаналь

Изомерия кетонов связана со строением радикалов и с положением карбонильной группы в углеродной цепи. Кетоны называют по наимено­ванию радикалов, связанных с карбонильной группой. По систематичес­кой номенклатуре к названию предельного углеводорода добавляется суф­фикс -он и указывается номер атома углерода, связанного с карбониль­ным кислородом:

Способы получения

Альдегиды и кетоны получают рядом общих методов.

1. Окислением или каталитическим дегидрированием первичных спир­тов получают альдегиды, вторичных - кетоны. Эти реакции уже приво­дились при рассмотрении химических свойств спиртов.

2. Альдегиды и кетоны удобно также получать пиролизом кислот и их смесей в виде паров над оксидами некоторых металлов (ThО 2 , МnО 2 , CaO, ZnO) при 400-450 °С:

R - СООН + Н-СООН->R-СНО + СО 2 + Н 2 0

2R-СООН->R -СО -R + C0 2 + Н 2 0

R-СООН + R" - СООН -> R - СО-R’+С0 2 + Н 2 0

Во многих учебниках указывается, что альдегиды и кетоны могут быть получены пироли­зом Са- и Ва-солей карбоновых кислот. В действительности эта реакция дает очень низкие выходы. Однако некоторые метилкетоны все же могут быть получены пиролизом смесей ба­риевых или железных солей уксусной и какой-либо другой кислоты. Все эти реакции имеют радикальный механизм.

3. Гидролиз геминальных дигалогенопроизводных приводит к альдеги­дам, если оба галогена находятся у одного из крайних атомов углерода, и кетонам, если атомы галогена находятся у одного из средних атомов угле­рода. Эти реакции уже упоминались при изучении химических свойств дигалогенопроизводных углеводородов.

4. Гидратация ацетилена и его гомологов в условиях реакции Кучерова приводит соответственно к уксусному альдегиду или кетонам:

НС?СН + Н 2 O-> СН 3 -СНО

5. Карбонильные соединения с высокими выходами (порядка 80%) образуются при окислении соответствующих спиртов смесями дпметилсульфоксида с уксусным ангидридом или безводной фосфорной кислотой.

RCH 2 OH + (CH 3) 2 SO-> RCH = О + (CH 3) 2 S

6. Превращение галогеналкилов в альдегиды с удлинением цепи на один атом углерода достигается обработкой их натрийтетракарбонилферратом в присутствии трифенилфосфина, а затем уксусной кислотой:

R - Hlg + Na 2 Fe(CO) 4 RCOFe(CO 3)P(C 6 H 5) 3 R–CH = О

Имеется несколько модификаций этого метода.

7. Кетоны с хорошими выходами получаются при взаимодействии хлорангидридов кис­лот с литийдиалкилкупратамн и кадмийалкилами:

R 2 CuLi + R"COCI->R - СО - R"+LiCI + R - Сu

8. В технике альдегиды получают прямым присоединением СО и H 2 к олефинам (оксосинтез) при 100-200 °С под давлением 10-20 МПа (100-200 атм) в присутствии кобальтового или никелевого катализато­ров (например, Со + ThO 2 + MgO, нанесенные на кизельгур):

Реакцию с этиленом и пропиленом проводят в газовой фазе, а с более сложными олефинамн (С 4 -С 20) - в жидкой фазе. Как видно из приведенной схемы, при оксосинтезе полу­чаются альдегиды, содержащие на один атом углерода больше, чем исходные олефины. Этот синтез имеет важное значение для получения высших первичных спиртов (каталитическим восстановлением альдегидов). Механизм оксосинтеза можно представить следующим образом:

2Со + 8СО-> Со 2 (СО) 8

Cо 2 (CO)8 + H 2 -> 2НСо(СО) 4

R -СН=СН 2 + НСо(СО) 4 -> R - СН 2 -СН 2 - Со(СО) 4

R - СН 2 -СН 2 -Со(СО) 4 +СО-> R-СН 2 -СН 2 -СО - Со(СО) 4

R-СН 2 -СН 2 -СО-Со(СО) 4 + НСо(СО) 4 ->R-СН 2 -СН 2 -СНО + Со(СО) 8

Физические свойства

Муравьиный альдегид - газ с весьма резким запахом. Другие низшие альдегиды и кетоны - жидкости, легко растворимые в воде; низшие аль­дегиды обладают удушливым запахом, который при сильном разведении становится приятным (напоминает запах плодов). Кетоны пахнут доволь­но приятно.

При одном и том же составе, и строении углеродной цепи кетоны кипят при несколько более высоких температурах, чем альдегиды. Температуры кипения альдегидов и кетонов с нормальным строением цепи выше, чем у соединений изостроения. Например, валериановый альдегид кипит при 103,4 °С, а изовалериановый - при 92,5 °С. Альдегиды и кетоны кипят при температуре, значительно более низкой, чем спирты с тем же числом углеродных атомов, например у пропионового альдегида т. кип. 48,8 °С, у ацетона 65,1 °С, у н -пропилового спирта 97,8 °С. Это показывает, что альдегиды и кетоны в отличие от спиртов не являются сильно ассоцииро­ванными жидкостями. В то же время температуры кипения карбонильных соединений значительно выше температур кипения углеводородов с той же молекулярной массой, что связано с их высокой полярностью. Плот­ность альдегидов и кетонов ниже единицы.

В ИК-спектрах для СО-группы характерно интенсивное поглощение при 1720 см -1 . В спектре ЯМР сигнал водорода альдегидной группы на­ходится в очень слабом поле.

Химические свойства

Альдегиды и кетоны отличаются большой реакционной способностью. Большинство их реакций обусловлено присутствием активной карбониль­ной группы. Двойная связь карбонильной группы сходна по физической природе с двойной связью между двумя углеродными атомами (s-связь + p-связь). Однако в то время как Е с=с <2Е с-с, энергия связи С=О (749,4 кДж/моль) больше, чем энергия двух простых С-О-связей (2х358 кДж/моль). С другой стороны, кислород является более электро­отрицательным элементом, чем углерод, и потому электронная плотность вблизи атома кислорода больше, чем вблизи атома уг­лерода. Дипольный момент карбонильной груп­пы - около 9 10 -30 Кл/м (2,7 D). Благодаря такой поляризации углеродный атом карбонильной группы обладает электрофильными свойствами и способен реагировать с нуклеофильными реагентами. Соответ­ственно атом кислорода является нуклеофильным. В реакциях присоединения отрицательно поляризо­ванная часть присоединяющейся молекулы всегда на­правляется к углеродному атому карбонильной груп­пы, в то время как ее положительно поляризованная часть направляется к кислородному атому.

Реакция присоединения нуклеофильных реагентов по месту карбо­нильной связи - ступенчатый процесс. Схематически реакцию присо­единения, например гидросульфита натрия к уксусному альдегиду, можно изобразить следующим образом:

Радикалы, способные увеличивать положительный заряд на атоме уг­лерода карбонильной группы, сильно повышают реакционную способ­ность альдегидов и кетонов; радикалы или атомы, уменьшающие положи­тельный заряд на этом углеродном атоме, оказывают противоположное действие.

Помимо реакций присоединения по карбонильной группе для альдеги­дов и кетонов характерны также реакции с участием соседних с карбо­нильной группой углеродных радикалов, обусловленные электроноакцеп­торным влиянием на них карбонильной группы. К ним относятся реакции окисления, галогенирования, конденсации.

А. Гидрирование. Присоединение водорода к альдегидам и кетонам происходит в присутствии катализаторов гидрирования (Ni, Со, Си, Pt, Pd и др.). При этом альдегиды переходят в первичные, а кетоны - во вто­ричные спирты. На этом основан один из методов получения спиртов.

В последнее время в качестве восстанавливающего агента часто применяют лнтийалюминийгидрид LiА1Н 4 . Реакция идет с переносом гидридного иона:

Преимуществом восстановления с помощью LiAlН 4 является то, что этот реагент не вос­станавливает двойные углерод-углеродные связи.

При восстановлении альдегидов или кетонов водородом в момент выде­ления (с помощью щелочных металлов или амальгамированного магния) образуются наряду с соответствующими спиртами также гликоли:

пинакон

Соотношение между образующимися спиртом и гликолем зависит от природы карбонильного соединения и условий восстановления. При вос­становлении кетонов в продуктах реакции в апротонных растворителях преобладают пинаконы; в случае алифатических насыщенных альдегидов гликоли образуются в малых количествах.

Реакция протекает с промежу­точным образованием свободных радикалов:

Б. Реакции нуклеофильного присоединения.

1. Присоединение магнийгалогеналкилов подробно разобрано при описании методов получения спиртов.

2. Присоединение синильной кислоты приводит к образованию a-оксинитрилов, омылением которых получают a-гидроксикислоты:

нитрил a-гидроксипропионовой кислоты

Эта реакция начинается нуклеофильной атакой углеродного атома ионом CN - . Циани­стый водород присоединяется очень медленно. Добавление капли раствора цианистого калия значительно ускоряет реакцию, в то время как добавление минеральной кислоты уменьшает скорость реакции практически до нуля. Это показывает, что активным реагентом при обра­зовании циангидрина является ион CN - :

3. Присоединение гидросульфита натрия дает кристаллические веще­ства, обычно называемые гидросульфитными производными альдегидов или кетонов:

При нагревании с раствором соды или минеральных кислот гидросуль­фитные производные разлагаются с выделением свободного альдегида или кетона, например:

Реакция с гидросульфитом натрия используется для качественного определения альдегидов и кетонов, а также для их выделения и очистки. Следует, однако, заметить, что в реакцию с гидросульфитом натрия в жир­ном ряду вступают только метилкетоны, имеющие группировку СН 3 -СО- .

4. Взаимодействие с аммиаком позволяет различать альдегиды и кетоны. Альдегиды выделяют воду, образуя альдимины:

ацетальдимин, этаними н

которые легко полимеризуются (циклизуются в кристаллические тримеры - альдегидаммиаки:

альдегидаммиа к

При циклизации разрывается двойная связь C = N и три молекулы имина соединяются в шестичленный цикл с чередующимися атомами углерода и азота.

Кетоны с аммиаком подобных соединений не образуют. Они реагируют очень медленно и более сложно, например, так:

5. С гидроксиламином альдегиды и кетоны, выделяя воду, образуют оксимы (альдоксимы и кетоксимы):

ацетальдоксим

ацетоноксим

Эти реакции применяют для количественного определения карбониль­ных соединений.

Механизм реакции (R=H или Alk):

6. Особый интерес представляют реакции карбонильных соединений с гидразином и его замещенными. В зависимости от условий гидразин вступает в реакцию с альдегидами и кетонами в соотношении 1:1 или 1:2. В первом случае образуются гидразоны, а во втором - азины (альдазины и кетазины):

гидразон

альдазин

кетазин

Гидразоны кетонов и альдегидов при нагревании с твердым КОН выде­ляют азот и дают предельные углеводороды (реакция Кижнера):

В настоящее время эту реакцию проводят нагреванием карбонильного соединения с гид­разином в высококипящих полярных растворителях (ди- и триэтиленгликоли) в присутствии щелочи. Реакция может быть проведена и при комнатной температуре при действии трет-бутилкалия в диметлисульфоксиде.

Альдегиды и кетоны с замещенными гидразинами - с фенилгидразином C 6 H 5 -NH-NH 2 и семикарбазидом образуют соответственно фенилгидразоны и семикарбазоны. Это кристаллические вещества. Они служат для качественного и количественного определения карбонильных соединений, а также для их выделения и очистки.

Образование фенилгидразонов:

Семикарбазоны образуются по схеме:

Реакции альдегидов и кетонов с производными гидразина по механизму аналогичны их реакциям с аммиаком и гидроксиламином. Например, для ацетальдегида и фенилгидразина:

Для этих реакций характерен кислотный катализ.

7. Альдегиды и кетоны способны присоединять по карбонильной груп­пе воду с образованием гидратов - геминальных гликолей. Эти соедине­ния во многих случаях существуют только в растворах. Положение равно­весия зависит от строения карбонилсодержащего соединения:

Так, формальдегид при 20 °С существует в водном растворе на 99,99% в форме гидрата, ацетальдегид- на 58%; в случае ацетона содержание гидрата незначительно, а хлораль и трихлорацетон образуют стойкие кри­сталлические гидраты.

Альдегиды с более высокой молекулярной массой образуют с водой устойчи­вые при низких температурах твердые полугидраты:

8.

В присутствии следов минеральной кислоты образуются ацетали:

Ацетали - жидкости с приятным эфирным запахом. При нагревании с разбавленными минеральными кислотами (но не щелочами) они подвер­гаются гидролизу с образованием спиртов и выделением альдегидов:

Ацеталь, полученный из масляного альдегида и поливинилового спир­та, используется в качестве клея при изготовлении безосколочных стекол.

Ацетали кетонов получаются более сложно - действием на кетоны этиловых эфиров ортомуравьиной НС(ОС2Н 5)з или ортокремниевой кис­лоты:

9. При действии на альдегиды спиртов образуются полуацетали:

Альдегиды и кетоны при взаимодействии с PCI 5 обменивают атом кислорода на два атома хлора, что используется для получения геминаль- ных дихлоралканов:

Эта реакция в стадии, определяющей характер конечного продукта, также является реакцией нуклеофильного присоединения:

В. Реакции окисления. Окисление альдегидов идет значительно лег­че, чем кетонов. Кроме того, окисление альдегидов приводит к образова­нию кислот без изменения углеродного скелета, в то время как кетоны окисляются с образованием двух более простых кислот или кислоты и кетона.

Альдегиды окисляются кислородом воздуха до карбоновых кислот. Промежуточными продуктами являются гидропероксиды:

Аммиачный раствор гидроксида серебра OH при легком на­гревании с альдегидами (но не с кетонами) окисляет их в кислоты с обра­зованием свободного металлического серебра. Если пробирка, в которой идет реакция, была предварительно обезжирена изнутри, то серебро ло­жится тонким слоем на ее внутренней поверхности - образуется сереб­ряное зеркало:

Эта реакция, известная под названием реакции серебряного зеркала, служит для качественного определения альдегидов.

Для альдегидов характерна также реакция с так называемой фелинговой жидкостью. Последняя представляет собой водно-щелочной рас­твор комплексной соли, образовавшейся из гидроксида меди и натрийкалиевой соли винной кислоты. При нагревании альдегидов с фелинговой жидкостью медь (II) восстанавливается до меди (I), а альдегид окисляется до кислоты:

Красная окись меди Cu 2 О почти количественно выпадает в осадок. Ре­акция эта с кетонами не идет.

Альдегиды могут быть окислены в карбоновые кислоты с помощью многих обычных окислителей, таких, как дихромат калия, перманганат ка­лия, по ионному механизму, причем первой стадией процесса обычно яв­ляется присоединение окислителя по СО-группе.

Окисление кетонов протекает с разрывом углеродной цепочки в разных направлениях в зависимости от строения кетонов.

По продуктам окисления можно судить о строении кетонов, а так как кетоны образуются при окислении вторичных спиртов, то, следовательно, и о строении этих спиртов.

Г. Реакции полимеризации. Эти реакции характерны только для аль­дегидов. При действии на альдегиды кислот происходит их тримеризация (частично и тетрамеризация):

Механизм полимеризации может быть представлен в следующем виде:

Д. Галогенирование. Альдегиды и кетоны реагируют с бромом и иодом с одинаковой скоростью независимо от концентрации галогена. Ре­акции ускоряются как кислотами, так и основаниями.

Подробное изучение этих реакций привело к выводу, что они идут с предварительным превращением карбонильного соединения в енол:

Е. Реакции конденсации.

1. Альдегиды в слабоосновной среде (в при­сутствии ацетата, карбоната или сульфита калия) подвергаются альдольной конденсации (А.П. Бородин) с образованием альдегидосииртов (гидроксиальдегидов), сокращенно называемых альдолями. Альдоли об­разуются в результате присоединения альдегида к карбонильной группе другой молекулы альдегида с разрывом связи С-Н в a-положении к кар­бонилу, как это показано на примере уксусного альдегида:

альдоль

В случае альдолизацин других альдегидов, например пропионового, в реакцию вступает только группа, находящаяся в a-положении к карбо­нилу, так как только водородные атомы этой группы в достаточной степе­ни активируются карбонильной группой:

3-гидрокси-2-метилпентаналь

Если рядом с карбонилом находится четвертичный атом углерода, альдолизация невозможна. Например, триметилуксусный альдегид (СНз)зС-СНО не дает альдоля.

Механизм реакции альдольной конденсации, катализируемой основа­ниями, следующий. Альдегид проявляет свойства СН-кислоты. Гидроксильный ион (катализатор) обратимо отрывает протон от а-углеродного атома:

Альдоль при нагревании (без водоотнимающих веществ) отщепляет воду с образованием непредельного кротонового альдегида:

Поэтому переход от предельного альдегида к непредельному через аль­доль называется кротоновой конденсацией. Дегидратация происходит благодаря очень большой подвижности водородных атомов в a-положении по отношению к карбонильной группе (сверхсопряжение), причем разрывается, как и во многих других случаях, p-связь по отношению к карбонильной группе.

При действии на альдегиды, способные к альдольной конденсации, сильных оснований (щелочей) в результате глубокой альдольной (или кротоновой) поликонденсации происходит осмоление. Альдегиды, не спо­собные к альдольной конденсации, в этих условиях вступают в реакцию Канниццаро:

2(СН 3) 3 С-СНО +КОН->(СН 3) 3 С-COOK +(СН 3) 3 С-СН 2 ОН.

Альдольная конденсация кетонов происходит в более жестких услови­ях - в присутствии оснований, например Ва(ОН) 2 . При этом образуются Р-кетоноспирты, легко теряющие молекулу воды:

В еще более жестких условиях, например при нагревании с концентри­рованной серной кислотой, кетоны подвергаются межмолекулярной де­гидратации с образованием непредельных кетонов:

окись мезитила

Окись мезитила может реагировать с новой молекулой ацетона:

форон

Возможна и конденсация между альдегидами и кетонами, например:

3-пентен-2-он

Во всех этих реакциях вначале идет альдольная конденсация, а затем де­гидратация образовавшегося гидроксикетона.

2. Сложноэфирная конденсация альдегидов проходит при действии на них алкгоголятов алюминия в неводной среде (В.Е. Тищенко).

уксусноэтиловый эфир

Ж. Декарбонилирование. Альдегиды при нагревании с трис(трифенилфосфин)родийхлоридом претерпевают декарбонилирование с образованием углеводородов:

R-СНО + [(C 6 H 5) 3 P] 3 PhCl-> R-Н + [(C 6 H 5) 3 P] 3 RhCOCl.

При изучении химических превращений альдегидов и кетонов необхо­димо обратить внимание на существенные различия между ними. Альде­гиды легко окисляются без изменения углеродной цепи (реакция серебря­ного зеркала), кетоны окисляются трудно с разрывом цепи. Альдегиды полимеризуются под влиянием кислот, образуют альдегидоаммиаки, со спиртами в присутствии кислот дают ацетали, вступают в сложноэфирную конденсацию, дают окрашивание с фуксинсернистой кислотой. Кетоны не способны к подобным превращениям.

Отдельные представители. Применение

Муравьиный альдегид (формальдегид) - бесцветный газ с резким специфическим запахом, т. кип. -21 °С. Он ядовит, действует раздражаю­ще на слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Хорошо растворим в воде, 40% -ный водный раствор формальдегида называется формалином. В промышленности формальдегид получают двумя методами - непол­ным окислением метана и его некоторых гомологов и каталитическим окислением или дегидрированием метанола (при 650-700 °С над сереб­ряным катализатором):

СН 3 ОН-> Н 2 +Н 2 СО.

Благодаря отсутствию алкильного радикала формальдегиду присущи некоторые особые свойства.

1. В щелочной среде он претерпевает реакцию окисления - восста­новления (реакция Канниццаро):

2. При легком нагревании формальдегида (формалина) с аммиаком получается гексаметилентетрамин (уротропин), синтезированный впер­вые А. М. Бутлеровым:

6Н 2 С=О + 4NH 3 -> 6H 2 0 + (CH 2) 6 N 4

уротропин

Уротропин в больших количествах применяют в производстве фенолформальдегидных смол, взрывчатых веществ (гексогена, получаемого ни­трованием уротропина)

гексаген

в медицине (в качестве мочегонного средства, как составная часть антигриппозного препарата кальцекса, при лечении почечных заболеваний и др.).

3. В щелочной среде, например в присутствии известкового молока, как это впервые было показано А. М. Бутлеровым, формальдегид подвер­гается альдолизации с образованием оксиальдегидов вплоть до гексоз и еще более сложных сахаров, например:

гексоза

В присутствии щелочей формальдегид может конденсироваться и с дру­гими альдегидами, образуя многоатомные спирты. Так, конденсацией формальдегида с уксусным альдегидом получают четырехатомный спирт - пентаэритрит С(СН 2 ОН) 4

СН 3 СНО + 3Н 2 СО -> (НОСН 2) 3 ССНО

(НОСН 2) 3 ССНО + Н 2 СО -> (НОСН 2) 4 С + НСОО -

Пентаэритрит используется для получения смол и весьма сильного взрывчатого вещества - тетранитропентаэритрита (ТЭН) C(CH 2 ОNО 2) 4 .

4. Формальдегид способен к полимеризации с образованием циклических и линейных полимеров.

5. Формальдегид способен вступать в различные реакции конденсации с образованием синтетических смол, широко применяемых в промышленно­сти. Так, поликонденсацией формальдегида с фенолом получают фенолформальдегидные смолы, с мочевиной или меламином - карбамидные смолы.

6. Продуктом конденсации формальдегида с изобутиленом (в присут­ствии H 2 SO 4) является 4,4-диметил-1,3-диоксан, который при нагрева­нии до 200-240 °С в присутствии катализаторов (SiO 2 +Н 4 Р 2 О 7) разла­гается с образованием изопрена.

Формалин широко применяется в качестве дезинфицирующего веще­ства для дезинфекции зерно- и овощехранилищ, парников, теплиц, для протравливания семян и т. д.

Уксусный альдегид, ацетальдегид СН 3 СНО - жидкость с резким неприятным запахом. Т.кип. 21 °С. Пары ацетальдегида вызывают раздра­жение слизистых оболочек, удушье, головную боль. Ацетальдегид хорошо растворим в воде и во многих органических растворителях.

Промышленные методы получения ацетальдегида уже были рассмот­рены: гидратация ацетилена, дегидрирование этилового спирта, изомери­зация окиси этилена, каталитическое окисление воздухом предельных углеводородов.

В последнее время ацетальдегид получают окислением этилена кисло­родом воздуха в присутствии катализатора по схеме:

CH 2 =CH 2 +H 2 O +PdCl 2 ->CH 3 -СНО + 2HCl + Pd

Pd + 2CuC1 2 -> 2CuCl + PdCl 2

2CuCl + 2HCI + 1 / 2 O 2 -> 2CuCI 2 + H 2 O

2CH 2 = CH 2 + O 2 ->2CH 3 CHO

Другие 1-алкены образуют в этой реакции метилкетоны.

Из ацетальдегида в промышленных масштабах получают уксусную кис­лоту, уксусный ангидрид, этиловый спирт, альдоль, бутиловый спирт, ацетали, этилацетат, пентаэритрит и ряд других веществ.

Подобно формальдегиду, он конденсируется с фенолом, аминами и дру­гими веществами, образуя синтетические смолы, которые используются в производстве различных полимерных материалов.

Под действием небольшого количества серной кислоты ацетальдегид полимеризуется в паральдегид (С 2 Н 4 О 3) 3 и метальдегид (С 2 Н 4 О 3) 4 ; количе­ства последнего возрастают с понижением температуры (до -10 °С):

Паральдегид - жидкость с т. кип. 124,5 °С, метальдегид - кристал­лическое вещество. При нагревании со следами кислоты оба эти вещества деполимеризуются, образуя ацетальдегид. Из паральдегида и аммиака по­лучают 2-метил-5-винилпиридин, используемый при синтезе сополимеров - синтетических каучуков.

Трихлоруксусный альдегид, хлораль CCI 3 CHO, получают хлориро­ванием этилового спирта.

Хлораль - бесцветная жидкость с резким запахом; с водой образует кристаллический гидрат - хлоральгидрат. Устойчивость хлоральгидрата объясняется усилением электроноакцепторных свойств карбонильного углерода под влиянием сильного индукционного эффекта хлора:

Обладает снотворным действием. Конденсацией хлораля с хлорбензо­лом получают в промышленных масштабах инсектициды.

При действии на хлораль щелочей образуется хлороформ:

Ацетон СН 3 СОСН 3 - бесцветная жидкость с характерным запахом; Т.кип.=56,1 °С, Т.пл.=0,798. Хорошо растворим в воде и во многих органиче­ских растворителях.

Ацетон получают:

1) из изопропилового спирта - окислением или дегидрированием;

2) окислением изопропилбензола, получаемого алкилированием бен­зола, наряду с фенолом;

3) ацетон-бутанольным брожением углеводов.

Ацетон в качестве растворителя применяется в больших количе­ствах в лакокрасочной промышленности, в производствах ацетатного шелка, кинопленки, бездымного пороха (пироксилина), для растворения ацетилена (в баллонах) и т. д. Он служит исходным продуктом при произ­водстве небьющегося органического стекла, кетена и т. д.

Альдегиды и кетоны относятся к карбонильным органическим соединениям. Карбонильными соединениями называют органические вещества, в молекулах которых имеется группа >С=О (карбонил или оксогруппа).

Общая формула карбонильных соединений:

Функциональная группа –СН=О называется альдегидной. Кетоны - органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу, соединенную с двумя углеводородными радикалами. Общие формулы: R 2 C=O, R–CO–R" или

Модели простейших карбонильных соединений
Название
Формальдегид (метаналь)	H 2 C=O
Ацетальдегид (этаналь)	СH 3 -CH=O
Ацетон (пропанон)	(СH 3 ) 2 C=O

Номенклатура альдегидов и кетонов.

Систематические названия альдегидов строят по названию соответствующего углеводорода и добавлением суффикса -аль . Нумерацию цепи начинают с карбонильного атома углерода. Тривиальные названия производят от тривиальных названий тех кислот, в которые альдегиды превращаются при окислении.

Формула	Название
	систематическое	тривиальное
H 2 C=O	метаналь	муравьиный альдегид (формальдегид)
CH 3 CH=O	этаналь	уксусный альдегид (ацетальдегид)
(CH 3 ) 2 CHCH=O	2-метил-пропаналь	изомасляный альдегид
CH 3 CH=CHCH=O	бутен-2-аль	кротоновый альдегид

Систематические названия кетонов несложного строения производят от названий радикалов (в порядке увеличения) с добавлением слова кетон . Например: CH 3 –CO–CH 3 - диметилкетон (ацетон); CH 3 CH 2 CH 2 –CO–CH 3 - метилпропилкетон. В более общем случае название кетона строится по названию соответствующего углеводорода и суффикса -он ; нумерацию цепи начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе (заместительная номенклатура ИЮПАК). Примеры: CH 3 –CO–CH 3 - пропанон (ацетон); CH 3 CH 2 CH 2 –CO–CH 3 - пентанон- 2; CH 2 =CH–CH 2 –CO–CH 3 - пентен-4-он- 2.

Изомерия альдегидов и кетонов .

Для альдегидов и кетонов характерна структурная изомерия .

Изомерия альдегидов :

изомерия углеродного скелета, начиная с С 4
межклассовая изомерия с кетонами, начиная с С 3
циклическими оксидами (с С 2)
непредельными спиртами и простыми эфирами (с С 3)
Изомерия кетонов : углеродного скелета (c C 5)
положения карбонильной группы (c C 5)

межклассовая изомерия (аналогично альдегидам).

Строение карбонильной группы C=O.

? Свойства альдегидов и кетонов определяются строением карбонильной группы >C=O.

Связь С=О сильно полярна. Ее дипольный момент (2,6-2,8D) значительно выше, чем у связи С–О в спиртах (0,70D). Электроны кратной связи С=О, в особенности более подвижные ?-электроны, смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда. Карбонильный углерод приобретает частичный положительный заряд.

? Поэтому углерод подвергается атаке нуклеофильными реагентами, а кислород - электрофильными, в том числе Н + .

В молекулах альдегидов и кетонов отсутствуют атомы водорода, способные к образованию водородных связей. Поэтому их температуры кипения ниже, чем у соответствующих спиртов. Метаналь (формальдегид) - газ, альдегиды С 2 –C 5 и кетоны С 3 –С 4 - жидкости, высшие - твердые вещества. Низшие гомологи растворимы в воде, благодаря образованию водородных связей между атомами водорода молекул воды и карбонильными атомами кислорода. С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде падает.

Реакционные центры альдегидов и кетонов

sp 2 -Гибридизованный атом углерода карбонильной группы образует три s-связи, лежащие в одной плоскости, и p-связь с атомом кислорода за счет негибридизованной p-орбитали. Вследствие различия в электроотрицательности атомов углерода и кислорода p-связь между ними сильно поляризована (рис. 5.1). В результате на атоме углерода карбонильной группы возникает частичный положительный заряд d+, а на атоме кислорода - частичный отрицательный заряд d-. Поскольку атом углерода электронодефицитен, он представляет собой центр для нуклеофильной атаки.

Распределение электронной плотности в молекулах альдегидов и кетонов с учетом передачи электронного влияния электроно-

Рис. 5.1. Электронное строение карбонильной группы

дефицитного атома углерода карбонильной группы по s-связям представлено на схеме 5.1.

Схема 5.1. Реакционные центры в молекуле альдегидов и кетонов

В молекулах альдегидов и кетонов присутствует несколько реакционных центров:

Электрофильный центр - атом углерода карбонильной группы - предопределяет возможность нуклеофильной атаки;

Основный центр - атом кислорода - обусловливает возможность атаки протоном;

СН-кислотный центр, атом водорода которого обладает слабой протонной подвижностью и может, в частности, подвергаться атаке сильным основанием.

В целом альдегиды и кетоны обладают высокой реакционной способностью.

Класс органических соединений с общей формулой

где R - углеводородный радикал (остаток); в организме являются промежуточными продуктами обмена веществ.

Отдельные представители альдегидов обычно получают название от кислоты, образующейся при их окислении (например, уксусная кислота - уксусный альдегид). В зависимости от типа радикала различают насыщенные, ненасыщенные, ароматические, циклические альдегиды и другие. Если радикалом является остаток спирта, карбоновой кислоты и прочее, образуются альдегидоспирты, альдегидокислоты и другие соединения со смешанными функциями, обладающие химическими свойствами, присущими альдегидам и соответствующим R-группам. При замещении водорода альдегидной группы на углеводородный радикал получаются кетоны (см.), дающие многие сходные с альдегидами реакции. Один из простейших альдегидов - уксусный, или ацетальдегид СН 3 - СНО, иногда получают дегидрогенизацией этилового спирта над нагретой медью.

Распространен способ получения альдегида из углеводородов ацетиленового ряда путем присоединения к ним воды в присутствии катализатора, открытый М. Г. Кучеровым:

Эта реакция применяется при синтетическом производстве уксусной кислоты. Ароматические альдегиды обычно получают окислением ароматических, углеводородов, имеющих боковую метильную группу:

или действием на соответствующие углеводороды окиси углерода в присутствии НСl и катализатора.

Особенности и химические свойства альдегидов Связаны в основном со свойствами и превращениями альдегидной группы. Так, простейший из альдегидов - муравьиный, или формальдегид

альдегидная группировка которого связана с водородом, является газом; низшие альдегиды (например, ацетальдегид) - жидкости с резким запахом; высшие альдегиды - нерастворимые в воде твердые вещества.

Благодаря присутствию карбонильной группы и подвижного атома водорода альдегиды относятся к числу наиболее реакционноспособных органических соединений. Большинство из разносторонних реакций альдегидов характеризуется участием в них карбонильной группы. К ним относятся реакции окисления, присоединения и замещения кислорода на другие атомы и радикалы.

Альдегиды легко полимеризуются и конденсируются (см. Альдольная конденсация); при обработке альдегидов щелочами или кислотами получаются альдоли, например:

При отщеплении воды альдоль превращается в кротоновый альдегид

способный к дальнейшему присоединению молекул (путем полимеризации). Полученные в результате конденсации полимеры носят общее название альдольных смол.

При исследовании биологических субстратов (крови, мочи и так далее) положительный эффект реакций, основанных на окислении альдегидной группы, дает сумма редуцирующих веществ. Поэтому эти реакции, хотя и применяются для количественного определения сахара (глюкозы) по Хагедорну-Йенсену, а также пробы Ниландера, Гайнеса, Бенедикта и прочие, но не могут считаться специфическими.

Альдегиды играют большую роль в биологических процессах, в частности биогенные амины в присутствии ферментов аминоксидаз превращаются в альдегиды с последующим их окислением в жирные кислоты.

Радикалы альдегиды высших жирных кислот входят в состав молекул плазмалогенов (см.). Растительные организмы в процессах фотосинтеза для ассимиляции углерода используют муравьиный альдегид. Вырабатываемые растениями эфирные масла состоят в основном из циклических ненасыщенных альдегидов. (анисовый, коричный, ванилин и другие).

При спиртовом брожении под действием фермента карбоксилазы дрожжей происходит декарбоксилирование пировиноградной кислоты с образованием уксусного альдегида, превращающегося путем восстановления в этиловый спирт.

Альдегиды широко используются в синтезе многих органических соединений. В медицинской практике применяются как непосредственно альдегиды (см. Формалин , Паральдегид , Цитраль), так и синтетические производные, получаемые из альдегидов, например, уротропин (см. Гексаметилентетрамин), хлоралгидрат (см.) и другие.

Альдегиды как профессиональные вредности

Аьдегиды широко применяются в промышленном производстве синтетических смол и пластмасс, ванилинокрасочной и текстильной промышленности, в пищевой промышленности и парфюмерии. Формальдегид применяется главным образом в производстве пластмасс и искусственных смол, в кожевенно-меховой промышленности и так далее; акролеин - при всех производственных процессах, где жиры подвергаются нагреванию до t° 170° (литейные цеха - сушка стержней с масляным крепителем, электротехническая промышленность, маслобойные заводы и салотопенное производство и так далее). Более подробно - смотри статьи, посвященные отдельным альдегидам.

Все альдегиды, особенно низшие, обладают выраженным токсическим действием.

Альдегиды раздражают слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей. По характеру общетоксического действия альдегиды являются наркотиками, однако наркотический эффект их значительно уступает раздражающему. Степень выраженности интоксикации определяется наряду с величиной действующей концентрации также характером радикала и как следствие - изменением физико-химических свойств альдегидов: низшие альдегиды (хорошо растворимые и высоколетучие вещества) обладают резким раздражающим действием на верхние отделы органов дыхания и сравнительно менее выраженным наркотическим действием; при увеличении длины углеводородной цепочки радикала растворимость и летучесть альдегидов падают, в результате чего снижается раздражающее, не нарастает наркотическое действие; раздражающее действие непредельных альдегидов сильнее, чем у предельных.

Механизм токсического действия альдегидов связан с высокой реакционной способностью карбонильной группы альдегидов, которая, вступая в реакции взаимодействия с тканевыми белками, обусловливает первичный раздражающий эффект, рефлекторные реакции центральной нервной системы, дистрофические изменения внутренних органов и так далее. Кроме того, попадая в организм, альдегиды подвергаются различным биохимическим превращениям; в этом случае токсическое действие на организм оказывают уже не сами альдегиды, а продукты их превращений. Альдегиды медленно выводятся из организма, способны кумулировать, чем объясняется развитие хронических отравлений, основные проявления которых наблюдаются в первую очередь в виде патологических изменений органов дыхания.

Первая помощь при отравлении альдегидами. Вывести пострадавшего на свежий воздух. Промыть глаза 2% щелочным раствором. Щелочные и масляные ингаляции. При явлениях асфиксии - вдыхание кислорода. По показаниям средства, стимулирующие сердечную деятельность и дыхание, успокаивающие средства (бромиды, валериана). При болезненном кашле - горчичники, банки, препараты кодеина. При отравлении через рот - промывания желудка, внутрь 3% раствор бикарбоната натрия, сырые яйца, белковая вода, молоко, солевые слабительные. При попадании на кожу - обмывание водой или 5% нашатырным спиртом.

См. также статьи, посвященные отдельным альдегидам.

Профилактика

Герметизация и автоматизация производственных процессов. Вентиляция помещений (см. Вентиляция). Использование индивидуальных средств защиты, например фильтрующего противогаза марки «А» (см. Противогазы), спецодежды (см. Одежда) и так далее.

Предельно допустимые концентрации в атмосфере производственных помещений: для акролеина - 0,7 мг/м 3 , для ацетальдегида, масляного и проппонового альдегидов - 5 мг/м 3 , для формальдегида и кротонового А. - 0,5 мг/м 3 .

Определение альдегидов. Все альдегиды суммарно определяются бисульфитным методом по связыванию кислым сернокислым натрием или колориметрически - с фуксиносернистой кислотой. Разработан полярографический метод (Петрова-Яковцевская), спектрофотометрический (Векслер).

Библиография

Бауер К. Г. Анализ органических соединений, пер. с нем., М., 1953; Несмеянов А. Н. и Несмеянов Н. А. Начала органической химии, кн. 1-2, М., 1969-1970.

Профессиональные вредности - Амирханова Г. Ф. и Латыпова З. В. Экспериментальное обоснование предельно допустимой концентрации ацетальдегида в воде водоемов, в кн.: Пром. загрязн. водоемов, под ред. С. Н. Черкинского, в. 9, с. 137, М., 1969, библиогр.; Быховская М. С., Гинзбург С. Л. и Xализова О. Д. Методы определения вредных веществ в воздухе, с. 481, М., 1966; Ван Вэнь-янь, Материалы к токсикологии альдегидов жирного ряда, в кн.: Материалы по токсикол. веществ, применяемых в производ. пластич. масс и синтетич. каучуков, под ред. Н. В. Лазарева и И. Д. Гадаскиной, с. 42, Л., 1957, библиогр.; Вредные вещества в промышленности, под ред. Н. В. Лазарева, т. 1, с. 375, Л., 1971, библиогр.; Гурвиц С. С. и Сергеева Т. И. Определение малых количеств альдегидов в воздухе производственных помещений методом производной полярографии, Гиг. труда и проф. заболев., №9, с. 44, 1960; Трофимов Л. В. Сравнительное токсическое действие кротонового и масляного альдегидов, там же, №9, с. 34, 1962, библиогр.; Цай Л. М. К вопросу о превращениях ацетальдегида в организме, там же, № 12, с. 33, 1962, библиогр.; Нinе С. Н. а. о. Studies on the toxicity of glycid aldehyde, Arch, environm. Hlth, v. 2, p. 23, 1961, bibliogr.; Jung F. u. Onnen K. Bindung und Wirkungen des Formaldehyds an Erythrocyten, Naunyn-Schmiedeberg"s Arch. exp. Path. Pharmak., Bd 224, S. 179, 1955; Nova H. a. Touraine R. G. Asthme au formol, Arch. Mai. prof., t. 18, p. 293, 1957; Skоg E. A lexicological investigation of lower aliphatic aldehydes, Actapharmacol. (Kbh.), v. 6, p. 299, 1950, bibliogr.

Б. В. Кулибакин; Н. К. Кулагина (проф.).