какие виды изомерии возможны для альдегидов

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:

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:

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:

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

Применение карбонильных соединений

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

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.

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.

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.

Источник

Химия. 10 класс

§ 29. Альдегиды. Номенклатура. Изомерия. Физические свойства

Строение альдегидной группы

Вы уже знаете, что атомы кислорода в молекулах органических соединений могут выступать в качестве «мостиков» между алкильным радикалом и атомом водорода (спирты):

либо между двумя алкильными группами (простые эфиры):Кроме этого, атом кислорода может быть связан с атомом углерода двойной связью:Данная формула отражает строение новой функциональной группы, которая входит в состав множества органических соединений. Эта группа называется карбонильной группой.

Как видно, атом углерода карбонильной группы образует две связи с атомом кислорода. Две оставшиеся связи атом углерода может образовывать с углеводородными радикалами:

Такие органические соединения относятся к классу кетонов. Углеводородные радикалы в молекулах кетонов могут быть как одинаковыми, так и различными. В молекуле простейшего кетона оба радикала — метильные группы. Этот кетон называется ацетон:Ацетон представляет собой легкокипящую жидкость (t_кип = 56 °С) с характерным запахом, неограниченно смешивающуюся с водой. Используется в качестве растворителя и в органическом синтезе.

Интересно знать

Еще один известный кетон — кетон малины — также имеет в составе молекулы карбонильную группу, это соединение более сложного строения:

Кетон малины содержится, естественно, в малине, обусловливает её характерный запах. Синтетический кетон малины применяется в качестве добавки к пищевым продуктам и косметическим средствам.

Если соединить карбонильную группу с атомом водорода, то получится альдегидная группа:Соединения, содержащие альдегидную группу, относятся к классу альдегидов. В молекуле простейшего представителя этого класса соединений альдегидная группа связана с атомом водорода:Это соединение называется муравьиный альдегид, или формальдегид, и представляет собой бесцветный ядовитый газ с резким запахом, который хорошо растворяется в воде. 40%-й водный раствор формальдегида называется формалин и используется для консервации биологических тканей.

Название этого соединения — уксусный альдегид, или ацетальдегид. Уксусный альдегид при н. у. представляет собой бесцветную жидкость с запахом яблок. Температура кипения уксусного альдегида 21 °С.

Наличие группы (или —CHO) в молекулах альдегидов обусловливает их характерные химические свойства. Поэтому альдегидную группу называют функциональной группой. Таким образом, альдегиды — органические соединения, в молекулах которых содержится группа —CHO, соединённая с атомом водорода или углеводородным радикалом.

Составим общую формулу гомологов уксусного альдегида. В молекулах таких альдегидов группа —CHO соединена с алкильным радикалом или водородом. Как вы уже знаете, алкильный радикал образуется в результате отрыва от молекулы алкана одного атома водорода. Общая формула алкильных радикалов C_nH_2n+1. Тогда общая формула гомологов уксусного альдегида:

Обратите внимание, что для муравьиного альдегида n = 0.

Источник

Какие виды изомерии возможны для альдегидов

Для альдегидов и кетонов характерна структурная изомерия.

Изомерия альдегидов

1. Изомерия углеродного скелета, начиная с С ₄

2. Межклассовая изомерия

с кетонами, начиная с С₃

с циклическими оксидами (с С₂)

с непредельными спиртами и простыми эфирами (с С₃)

Изомерия кетонов

1. Изомерия углеродного скелета (c C₅)

2. Изомерия положения карбонильной группы (c C₅)

3. Межклассовая изомерия (аналогично альдегидам).

Пример – изомеры масляного альдегида

Источник

Альдегиды

Альдегиды содержат в молекуле альдегидную группу –СН=О. Кетоны содержат карбонильную группу, связанную с двумя углеводородными радикалами. Общая формула предельных альдегидов и кетонов C_nH_2nO.

В названии альдегидов присутствует суффикс –аль, кетонов – он. Если карбонильная группа находится не в главной цепи, то её наличие указывают префиксом – формил.

Простейшие представители альдегидов – формальдегид (муравьиный альдегид) –СН₂=О, ацетальдегид (уксусный альдегид) – СН₃-СН=О; кетонов – ацетон (диметилкетон, пропанон-2) – СН₃-СО-СН₃.

Существуют циклические альдегиды, например, циклогексан-карбальдегид; ароматические альдегиды имеют тривиальные названия – бензальдегид, ванилин.

Изомерия альдегидов

Для альдегидов характерна изомерия углеродного скелета, а также межклассовая изомерия с кетонами:

Строение

Физические свойства альдегидов

Карбонильные соединения не образуют водородных связей, поэтому их температуры кипения значительно ниже, чем у соответствующих спиртов. Низшие альдегиды – легкокипящие жидкости (формальдегид – газ) с резким запахом, хорошо растворимы в воде.

Получение

Основные способы получения альдегидов:

— гидроформилирование алкенов. Эта реакция заключается в присоединении СО и водорода к алкену в присутствии карбонилов некоторых металлов VIII группы, например, октакарбонилдикобальта (Cо₂(СО)₈) Реакция проводится при нагревании до 130С и давлении 300 атм

— гидратация алкинов. Взаимодействие алкинов с водой происходит в присутствии солей ртути (II) и в кислой среде:

— окисление первичных спиртов (реакция протекает при нагревании)

Химические свойства альдегидов

В молекулах карбонильных соединений имеется несколько реакционных центров: электрофильный центр (карбонильный атом углерода), участвующий в реакциях нуклеофильного присоединения; основный центр – атом кислорода с неподеленными электронными парами; α-СН кислотный центр, отвечающий за реакции конденсации; связь С-Н, разрывающаяся в реакциях окисления.

1. Реакции присоединения:

— воды с образованием гем-диолов

— спиртов с образованием полуацеталей

— тиолов с образованием дитиоацеталей (в кислой среде)

— гидросульфита натрия с образованием α-гидроксисульфонатов натрия

— аминов с образованием N-замещенных иминов (основания Шиффа)

— гидразинов с образованием гидразонов

— циановодородной кислоты с образованием нитрилов

— восстановление. При взаимодействии альдегидов с водородом получаются первичные спирты:

— реакция «серебряного зеркала» — окисление альдегидов аммиачным раствором оксида серебра

R-CH=O + Ag₂O → R-CO-OH + 2Ag↓

— окисление альдегидов гидроксидом меди (II), в результате которого выпадает осадок оксида меди (I) красного цвета

Эти реакции являются качественными реакциями на альдегиды

Примеры решения задач

R-CH=O + Ag₂O → R-CO-OH + 2Ag↓

Осадок выделившийся в последней реакции – это серебро, следовательно, можно найти количество вещества выделившегося серебра:

v(Ag) = m/M=43,2/108 = 0,4 моль

Количество вещества бромметана:

v(CH₃Br) = m/M = 9,5/95 = 0,1 моль

Тогда, количество вещества метана, необходимое для 50% выхода бромметана – 0,2 моль. М(CH₄) = 16 г/моль. Следовательно масса и объем метана:

При взаимодействии с водным раствором щелочи 1-бромбутан подвергается гидролизу с образованием бутанола-1 (А):

Бутанол-1 при дегидрировании образует альдегид – бутаналь (В):

Аммиачный раствор оксида серебра окисляет бутаналь до аммонийной соли – бутирата аммония (С):

Бутират аммония при взаимодействии с соляной кислотой образует масляную (бутановую) кислоту (D):

Источник

Какие виды изомерии возможны для альдегидов

Систематические названия кетонов производят от названий радикалов (в порядке увеличения) с добавлением слова кетон.

В более общем случае название кетона строится по названию соответствующего углеводорода и суффикса -он; нумерацию цепи начинают от конца цепи, ближайшего к карбонильной группе.

Физические свойства альдегидов

Метаналь (формальдегид) – газ, альдегиды С₂-C₅ и кетоны С₃-С₄ – 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.

Альдегиды обладают удушливым запахом, который при многократном разведении становится приятным, напоминая запах плодов. Альдегиды кипят при более низкой температуре, чем спирты с тем же числом углеродных атомов. Это cвязано с отсутствием в альдегидах водородных связей. В то же время температура кипения альдегидов выше, чем у соответствующих по молекулярной массе углеводородов, что связано с высокой полярностью альдегидов.

Физические свойства некоторых альдегидов:

Формальдегид – газ, с резким запахом, раздражает слизистые ткани и оказывает действие на центральную нервную систему. ОПАСЕН ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ! Водный раствор формальдегида – формалин.

Акролеин СН₂ = CH CH = O акриловый альдегид, пропеналь (в производстве полимеров) – образуется при пригорании жиров, жидкость с неприятным запахом, раздражает слизистые ткани.

Бензальдегид C ₆ H ₅ CH = O (производство красителей) – жидкость с запахом горького миндаля, содержится в миндале, листьях черёмухи, косточках персиков, абрикосов.

Строение карбонильной группы

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

Альдегиды характеризуются высокой реакционной способностью. Большая часть их реакций обусловлена наличием карбонильной группы.

Связь С=О сильно полярна. Электроны кратной связи С=О, в особенности более подвижные π-электроны, смещены к электроотрицательному атому кислорода, что приводит к появлению на нем частичного отрицательного заряда. Карбонильный углерод приобретает частичный положительный заряд

Источник