Алдехиди и кетони са двете групи карбонилни съединения — вещества с двойна връзка между въглероден и кислороден атом. Разликата между тях е само в това къде стои тази група: при алдехидите тя е в края на веригата и носи водороден атом (R–CHO), а при кетоните е между два въглеродни атома (R–CO–R'). Това на пръв поглед дребно разместване обяснява почти всичко останало — различните окончания в имената, различното поведение при окисление и двете проби, с които двата класа се различават в епруветка.
На изпита темата рядко се пита наизуст. Пита се приложено: дадена е формула и се иска име; дадени са две вещества и се иска начин да бъдат различени; дадена е маса и се иска количество отделено сребро. Затова и материалът по-долу е подреден така — първо строеж, после имена и свойства, после реакциите, и накрая три задачи с пълни решения.
Карбонилната група: защо C=O определя всичко
Карбонилната група се състои от въглероден и кислороден атом, свързани с двойна връзка. Въглеродният атом е в sp2 хибридно състояние: трите му сигма-връзки лежат в една равнина, а ъглите между тях са около 120 градуса. Групата е плоска — това е полезно да се помни при задачите за пространствен строеж.
Кислородът е чувствително по-електроотрицателен от въглерода и изтегля електронната плътност на двойната връзка към себе си. Групата е силно полярна: върху кислорода се появява частичен отрицателен заряд, а върху въглерода — частичен положителен. Оттук следва цялата химия на темата. Положително поляризираният въглерод е мястото, към което се присъединяват реагенти, а наличието или липсата на водороден атом при него решава дали съединението се окислява лесно. Ако мястото на карбонилната група спрямо останалите още не е подредено, помага да се погледне наведнъж таблицата с функционалните групи в органичната химия — карбонилната стои между хидроксилната и карбоксилната и по строеж, и по логика.
Номенклатура на алдехидите и кетоните
Систематичните имена се строят от името на съответния въглеводород с еднакъв брой въглеродни атоми плюс окончание.
- Алдехиди — окончание „-ал“. Карбонилният въглерод винаги е номер 1, защото групата стои в края на веригата, затова номер не се пише: метанал, етанал, пропанал, бутанал.
- Кетони — окончание „-он“. Тук групата може да бъде на различни места, затова номерът на карбонилния въглерод се посочва, когато има избор: пропанон, бутанон, пентан-2-он, пентан-3-он.
- Разклоненията се именуват както обикновено, а веригата се номерира така, че карбонилният въглерод да получи възможно най-малкия номер: 2-метилпропанал, 3-метилбутан-2-он.
Успоредно със систематичните се ползват и тривиални имена, които се срещат в условията на задачите: формалдехид (метанал), ацеталдехид (етанал), ацетон (пропанон). Добре е да се разпознават и двете форми — в един и същ вариант може да се появи както „ацетон“, така и „пропанон“.
Физични свойства
Полярната карбонилна група означава дипол-диполни взаимодействия между молекулите — по-силни от дисперсионните сили при въглеводородите. Но в самата молекула няма водород, свързан с кислород, затова молекулите не образуват водородни връзки помежду си. Резултатът е междинно положение, което се вижда добре при близки относителни молекулни маси:
- бутан (58) кипи около минус 1 градус — само дисперсионни сили;
- пропанон, тоест ацетон (58), кипи при 56 градуса — дипол-диполни взаимодействия;
- пропан-2-ол (60) кипи при около 83 градуса — водородни връзки.
Кислородният атом обаче може да приема водородни връзки от водата. Затова нисшите представители — метанал, етанал, ацетон — се смесват с вода много добре, а с удължаване на въглеводородния остатък разтворимостта бързо спада. Метаналът е газ при обикновена температура; познатият от кабинета формалин е неговият воден разтвор с концентрация около 37 на сто.
Характерни реакции на алдехидите и кетоните
Присъединяване по двойната връзка
Двойната връзка C=O се разкъсва и реагентът се присъединява — отрицателната част отива при въглерода, положителната при кислорода.
Присъединяване на водород (редукция) в присъствие на никелов катализатор. Тук се вижда важно следствие от строежа: алдехидите дават първични алкохоли, кетоните — вторични.
- CH3–CHO + H2 → CH3–CH2–OH (етанал до етанол, първичен алкохол)
- CH3–CO–CH3 + H2 → CH3–CH(OH)–CH3 (пропанон до пропан-2-ол, вторичен алкохол)
Присъединяване на циановодород дава хидроксинитрил — реакция, която удължава въглеродната верига с един атом:
- CH3–CHO + HCN → CH3–CH(OH)–CN
Окисление: тук двата класа се разделят
Алдехидният въглерод носи водороден атом и затова се окислява лесно — до карбоксилна киселина. Кетонният въглерод няма такъв водород и при меки условия не се окислява. Точно върху тази разлика стъпват двете класически проби.
Реакция на „сребърното огледало“ с Толенсов реактив (амонячен разтвор на сребърен оксид). Среброто се редуцира до метално и се отлага по стените на чистата епруветка:
- CH3–CHO + 2[Ag(NH3)2]OH → CH3–COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O
Реакция с Фелингов реактив (алкален разтвор на меден(II) комплекс). Синият разтвор дава тухленочервена утайка от меден(I) оксид:
- CH3–CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH → CH3–COONa + Cu2O + 3H2O
Една подробност, която отличава подготвения кандидат: ароматните алдехиди, например бензалдехидът, дават сребърно огледало с Толенсов реактив, но не реагират с Фелингов реактив. Ако в условието веществото е ароматно, пробата на Фелинг не е верният отговор.
Обратната посока също влиза в задачите: алдехидите и кетоните се получават чрез окисление на алкохоли — от първичен алкохол се получава алдехид, от вторичен — кетон.
Таблица: алдехид или кетон
| Признак | Алдехиди | Кетони |
|---|---|---|
| Строеж | R–CHO, групата е в края на веригата | R–CO–R', групата е между два въглерода |
| Окончание в името | -ал | -он |
| Номер на карбонилния въглерод | винаги 1, не се изписва | посочва се при нужда |
| Толенсов реактив | сребърно огледало | няма реакция |
| Фелингов реактив | тухленочервена утайка Cu2O (при алифатните) | няма реакция |
| Редукция с водород | първичен алкохол | вторичен алкохол |
| Получаване от алкохол | окисление на първичен алкохол | окисление на вторичен алкохол |
| Най-прости представители | метанал, етанал | пропанон (ацетон) |
Три решени задачи
Задача 1. Напишете карбонилните изомери с формула C4H8O и ги наименувайте.
Решение. Формулата отговаря на едно кислородно съединение с една двойна връзка. Търсим къде може да застане карбонилната група в четиривъглеродна верига:
- CH3–CH2–CH2–CHO — бутанал (права верига, групата в края);
- (CH3)2CH–CHO — 2-метилпропанал (разклонена верига, групата в края);
- CH3–CO–CH2–CH3 — бутанон (групата при втория въглерод).
Отговор: три карбонилни изомера. Чест пропуск е да се търси и „бутан-1-он“ — такова съединение няма, защото група при първия въглерод винаги носи водород и значи е алдехид.
Задача 2. Как ще различите пропанал от пропанон? Напишете уравнение.
Решение. Двете вещества имат една и съща молекулна формула C3H6O, затова не могат да се различат по нея. Пропаналът е алдехид и се окислява лесно; пропанонът е кетон и при тези условия не реагира. Загряваме проби от двете вещества с Фелингов реактив: в епруветката с пропанал синият разтвор дава тухленочервена утайка, в другата нищо не се променя.
- CH3–CH2–CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH → CH3–CH2–COONa + Cu2O + 3H2O
Толенсовият реактив върши същата работа — пропаналът дава сребърно огледало, пропанонът не.
Задача 3. Колко грама сребро се отделят при реакция на 4,4 g етанал с достатъчно количество Толенсов реактив?
Решение. Относителната молекулна маса на етанала CH3CHO е 44, а на среброто — 108.
- n(CH3CHO) = 4,4 : 44 = 0,1 mol;
- по уравнението на 1 mol алдехид отговарят 2 mol сребро, значи n(Ag) = 0,2 mol;
- m(Ag) = 0,2 . 108 = 21,6 g.
Отговор: 21,6 g сребро. Ключът към този тип задачи е съотношението 1:2 от уравнението — то се бърка най-често.
Какво да проверите сами
Карбонилните съединения присъстват като самостоятелен раздел в програмите по химия за кандидатстудентски изпит на медицинските университети и на Софийския университет — обикновено под заглавие „Карбонилни съединения“ или „Карбонилни производни на въглеводородите — алдехиди и кетони“, заедно с номенклатурата, присъединителните реакции, окислението и редукцията и различаването на алдехиди от кетони. Обхватът и форматът на изпита обаче се определят всяка година поотделно от всеки университет, затова точният списък от подтеми, продължителността и броят задачи се четат в програмата за съответната кандидатстудентска кампания на сайта на избрания университет, а за матурата — в учебната програма по химия и опазване на околната среда на министерството.
Самата тема е от тези, които се затварят бързо, ако се учат в правилния ред: първо строежът на групата, после имената, после реакциите като следствие от строежа — а не като списък за запомняне. Точно така са подредени и уроците по химия в центъра, където след всяка тема върви блок от задачи от изпитни сборници, за да се види кои от типовете по-горе още се бъркат.
