Примерное время на чтение статьи: 15 минуты

КАРБОНИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Карбонильные соединения (оксосоединения) — органические вещества, в молекулах которых имеется карбонильная группа (карбонил) 

Общая формула карбонильных соединений:

В зависимости от типа заместителя Х эти соединения подразделяют на:

• альдегиды (Х=Н);
• кетоны (Х=R, R’);
• карбоновые кислоты (Х=ОН) и их производные (Х=OR, NH₂, NHR, Hal и т.д.)

Альдегиды и кетоны относятся к классу органических кислородсодержащих, а именно — карбонильных соединений, содержащих карбонильную группу

Альдегиды и кетоны также называют оксосоединениями, а карбонильную группу — оксо-группой.

В молекулах альдегидов карбонильная группа связана с одним углеводородным радикалом и атомом водорода, в молекулах кетонов – с двумя углеводородными радикалами:

Так как кислород является более электроотрицательным элементом, чем углерод, то атом кислорода смещает к себе электронную плотность от атома углерода. Вследствие этого на атоме кислорода возникает частично отрицательный заряд, а на карбонильном атоме углерода — частично положительный, который обусловливает химическую активность карбонильных соединений:

АЛЬДЕГИДЫ.

Название «альдегид» было введено Юстусом фон Либихом как сокращение от латинского alcohol dehydrogenatus — дегидрированный спирт, или спирт, лишённый водорода. В молекулах альдегидов карбонильная группа связана с атомом водорода и углеводородным радикалом и называется альдегидной группой:

Эта группа является функциональной группой этого класса соединений и называется альдегидной группой, сокращенно она записывается – СНО.

Общая формула предельных альдегидов: С_nH_2nO.

Общая формула альдегидов: R–CН=O  или

Альдегиды — это органические соединения, молекулы которых содержат альдегидную группу, связанную с углеводородным радикалом.

Гомологический ряд.

Пер­вый член ряда аль­де­ги­дов – фор­маль­де­гид, в его мо­ле­ку­ле кар­бо­ниль­ная груп­па свя­за­на толь­ко с ато­ма­ми во­до­ро­да — H₂C=O.

R = H, алкил, арил

Классификация.

Альдегиды классифицируются  по нескольким признакам.

1. В зависимости от насыщенности углеводородного заместителя выделяют:

• предельные (насыщенные) альдегиды (ацетальдегид );
• непредельные (ненасыщенные) альдегиды (акролеин );
• ароматические альдегиды (бензальдегид ).

2. В зависимости от числа карбонильных групп выделяют:

• альдегиды с одной карбонильной группой (ацетальдегид );
• диальдегиды (глиоксаль );
• многоатомные альдегиды.

Номенклатура альдегидов.

В соответствии с систематической номенклатурой названия предельных альдегидов образуются из названия алкана с тем же числом атомов углерода в молекуле с помощью суффикса – аль.   Алгоритм составления названий альдегидов.

1. Найдите главную углеродную цепь — это самая длинная цепь атомов углерода, включающая атом углерода альдегидной группы.

2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с атома углерода альдегидной группы.

3. Назовите соединение по алгоритму для углеводородов. 4. В конце названия допишите суффикс —аль.

Кроме систематического названия у альдегидов есть тривиальные названия: HCHO — метаналь (формальдегид, муравьиный альдегид); CH₃CHO — этаналь (ацетальдегид, уксусный альдегид); CH₃CH₂CHO — пропаналь (пропионовый альдегид); CH₃CH₂CH₂CHO — бутаналь (масляный альдегид);

Изомерия альдегидов.

В пределах класса альдегидов возможен только один вид изомерии – изомерия  углеродного скелета (углеродной цепи). Межклассовыми изомерами альдегидов являются кетоны (пропаналь и пропанон).

КЕТОНЫ.

Кетоны — органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу, соединенную с двумя углеводородными радикалами.

Общие формулы: R₂C=O,  R–CO–R’  или

R, R’ = алкил, арил

Функциональную карбонильную группу кетонов называют кетогруппой. Простейший представитель кетонов – ацетон CH₃—C (O)—CH₃.

Общая формула для альдегидов и кетонов – С_nH_2nO

Гомологический ряд кетонов.

Классификация.

1. Кетоны классифицируют в зависимости от насыщенности углеводородного радикала.

2. Кетоны классифицируют в зависимости от положения карбонильной группы.

Номенклатура кетонов.

По номенклатуре ИЮПАК, названия кетонов образуют путем присоединения к названию соответствующих углеводородов суффикса «он» или к названию радикалов, связанных с кетогруппой С=О, слова «кетон»; при наличии старшей группы кетогруппу обозначают префиксом «оксо«. Например, соединения СН₃-СН₂-СО-СН₂-СН₂-СН₃ называется 3-гексанон или этилпропилкетон, соединения СН₃-СО-СН₂-СН₂-СООН — 4-оксопентановая кислота. Для некоторых кетонов приняты тривиальные названия.

Алгоритм составления названий кетонов.

1. Пронумеровать самую длинную углеродную цепь, начиная с того конца, где ближе карбонильная группа.

2. Указать положение радикала и его название.

3. Назвать углеводород.

4. Принадлежность к классу кетоны указать суффиксом —он.

5. Указать положение функциональной группы  

Кроме систематического названия у кетонов есть и тривиальные названия: CH₃—CO—CH₃ — пропанон (ацетон); CH₃—CO—CH₂CH₃ — бутанон (метилэтилкетон).

Изомерия кетонов.

Для кетонов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения карбонильной группы и межклассовая изомерия.

1. Изомерия углеродного скелета характерна для кетонов, которые содержат не менее пяти атомов углерода.Например. Формуле С₅Н₁₀О соответствуют кетоны-изомеры углеродного скелета:

Пентанон-2

и 3-Метилбутанон-2

2. Изомерия положения карбонильной группы характерна для кетонов, которые содержат не менее пяти атомов углерода. Например. Формуле С₅Н₁₀О соответствуют два кетона-изомера положения карбонильной группы:  Пентанон-2

и Пентанон-3

3. Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Кетоны являются межклассовыми изомерами с альдегидами, непредельными спиртами и непредельными простыми эфирами, содержащими одну двойную связь в молекуле. Общая формула этих классов органических соединений — C_nH_2nО.

Межклассовая изомерия характерна для кетонов, которые содержат не менее трех атомов углерода. Например. Межклассовые изомеры с общей формулой  С₅Н₁₀О:

Физические свойства карбонильных соединений.

В молекуле альдегида или кетона вследствие большей электроотрицательности атома кислорода по сравнению с углеродным атомом связь С=0 сильно поляризована за счет смещения электронной плотности п-связи к кислороду. Альдегиды и кетоны — полярные вещества с избыточной электронной плотностью на атоме кислорода. Низшие члены ряда альдегидов и кето-нов (формальдегид, уксусный альдегид, ацетон) растворимы в воде неограниченно. Их температуры кипения ниже, чем у соответствующих спиртов. Это связано с тем, что в молекулах аль-дегидов 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. Метаналь (мура-вьиный альдегид) – бесцветный газ с резким запахом. Раствор метаналя в воде (35-40%) называется формалином. C₂ – C₁₁  — жидкости; С₁₂ — … — твердые вещества. Низшие альдегиды — формальдегид (метаналь) и уксусный альдегид (этаналь) обладают токсичными свойствами. Так, уксусный альдегид образуется в организме человека при неполном окислении этилового спирта. Именно он является причиной «похмельного синдрома». Формальдегид может выделяться в окружающую среду при разложении фенолформальдегидных смол, входящих в состав ДСП — древесностружечных плит, из которых производят мебель и некоторые строительные материалы, и может вызывать сильные отравления, онкологические заболевания, поражение центральной нервной системы. Альдегидная группа содержится во многих природных веществах, таких как углеводы, некоторые витамины (ретиналь, пиридоксаль). В небольших количествах альдегиды содержатся в эфирных маслах и часто обусловливают их приятный запах. К ним относятся, например, коричный альдегид, бензальдегид, цитраль и ванилин. Запах жасмина и розы также обусловлены присутствием в эфирных маслах соответствующих альдегидов и кетонов.

Низшие кетоны — легкокипящие жидкости с резким запахом, хорошо растворимы в воде. Кетоны обладают приятным запахом. Высшие кетоны — твердые, легкоплавкие вещества. Газообразных кетонов не бывает, так как уже простейший из них (ацетон) — жидкость. Многие химические свойства, характерные для альдегидов, проявляются и у кетонов. Кетоны, как и альдегиды, не образуют водородных связей, так как в их молекулах нет атомов водорода с положительным зарядом. Поэтому температуры кипения и плавления кетонов значительно ниже, чем соответствующих спиртов.

Для лучшего усвоения изучаемого материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке:https://youtu.be/LhQBhAiy4JY

Способы получения карбонильных соединений.

1. Окисление спиртов. При окислении первичных спиртов получают альдегиды, которые потом окисляются до карбоновых кислот:

Чтобы предотвратить превращение альдегида в кислоту, его отгоняют в ходе реакции (т. кипения альдегида, не образующего межмолекулярные водородные связи, ниже т.кип.  спирта и кислоты). При окислении вторичных спиртов образуются кетоны:

2.  В промышленности альдегиды и кетоны получают дегидрированием спиртов, пропуская пары спирта над нагретым катализатором (Cu, соединения Ag, Cr или Zn).

3. Гидратация алкинов (реакция Кучерова) присоединения воды к ацетилену в присутствии солей ртути приводит к образованию ацетальдегида:

Этот способ позволяет получать карбонильные соединения, в особенности альдегиды, без побочных продуктов окисления.

Кетоны получают при гидратации других гомологов ряда алкинов:

4. Окисление алкенов (катализаторы — хлориды Pd, Cu)

этот способ более перспективен, чем гидротация алкинов, при которой токсичные ртутные катализаторы.

5. Кумольный способ получения ацетона (наряду с фенолом)

Для лучшего усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/XNhy-wk6L0U

Химические свойства альдегидов и кетонов.

Для лучшего усвоения изучаемого материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/bOQdL1PvWjU

Применение альдегидов и кетонов.

В промышленности кетоны используют как растворители, фармацевтические препараты и для изготовления различных полимеров. Важнейшими кетонами являются ацетон, метилэтиловый кетон и циклогексанон.

Альдегиды нашли широкое применение в качестве сырья для синтеза различных продуктов. Так, из формальдегида (крупнотоннаж-ное производство) получают различные смолы (фенол-формальдегидные и т.д.), лекарственные препараты (уротропин); ацетальдегид — сырье для синтеза уксусной кислоты, этанола, различных производных пиридина и т.д. Многие альдегиды (масляный, коричный и др.) используют в качестве ингредиентов в парфюмерии.

Формальдегид является соединением органической природы, относящимся к классу алифатических альдегидов. При обычных условиях он имеет форму газа без цвета. Неприятно, резко пахнет. В составе могут быть некоторые примеси, например, метанол, отдельные полимеры, муравьиная кислота. Вещество хорошо растворяется в воде, а также в спиртах. Оно смешивается с растворителями, такими как диэтиловый эфир, хлороформ, толуол, этилацетат. При показателях до 80℃ для формальдегида характерно подвергаться полимеризации – формированию высокомолекулярных соединений. Такая реакция иногда запускается спонтанно и произвольно, например, при наличии в составе полярных примесей – щелочных, кислотных. Происходит полимеризация и в водной среде. Метаналь активно вступает в реакции с другими соединениями. Например, конденсация формальдегида с фенолами в промышленных масштабах применяется для производства разных полимеров. В международной нумерации добавок, используемых в пищевой промышленности, формальдегиду присвоен код E240. Но добавление в продукты питания в РФ и иных развитых странах официально под запретом. Хотя недобросовестные изготовители добавляют E240 в свою продукцию. Формальдегид – эффективный консервант, подавляющий деятельность патогенных микроорганизмов. Он незаконно может добавляться в копчёности, колбасные изделия, сыры, мясные деликатесы. Формальдегид применяется в медицине, фармакологии. Это не только консервант, но и мощный антисептик. Он добавляется в дезинфицирующие средства, используемые для обработки поверхностей. Также вещество есть в составе некоторых антисептических растворов, присыпок, мазей. Для продления сроков хранения оно вводится в вакцины и прочие препараты. Также метаналь используют для консервирования, длительного хранения биоматериалов.

Метаналь входит в состав связующих компонентов, которые используют для склеивания древесной стружки при производстве МДФ, OSB, ДСП, фанеры и иных подобных материалов в виде плит. Также вещество добавляют в пластмассы (аминопласты, фенопласты), клеи, грунтовки, праймеры и лакокрасочные покрытия – краски и лаки. Формальдегид содержится в мебели, изготавливаемой из плиточных древесных материалов.

В качестве консерванта и антисептика метаналь добавляют в косметику. Есть формальдегид в лаке для ногтей, в некоторых шампунях или иных средствах для ухода за волосами, кремах, ополаскивателях и освежителях для рта, дезодорантах. Максимальная концентрация – не более 0,2%.

Гексаметилентетрамин (уротропин)— одно из немногих используемых в настоящее время синтетических лекарственных средств с более чем 100-летней историей: он начал применяться на рубеже XIX—XX веков. Препарат оказывает антисептический эффект в мочевых путях. Применяется в чистом виде и в составе комбинированных лекарственных средств (например, кальцекс). В чистом виде гексаметилентетрамин применяется перорально или внутривенно в виде солей: гиппурата, индигокармината или камфората. Механизм действия основан на высвобождении свободного формальдегида, который денатурирует белки бактерий и обладает дубящим воздействием на кожу. Этим обусловлена тканевая специфичность действия гексаметилентетрамина и относительная безопасность препарата, так как он расщепляется с выделением активного формальдегида только в кислой среде мочи, тем самым действуя непосредственно на бактерии, вызывающие заболевания мочевыводящих путей, а также в воспалительных очагах, богатых кислыми продуктами распада тканей. Эффект препарата дозозависим. Зарегистрирован в пищевой промышленности как добавка-консервант (код E239). Часто применяется в сыроделии, а также для консервации икры. Одобрен для использования на территории Европейского союза. В России до 1 августа 2008 года числился среди «пищевых добавок, не оказывающих вредного воздействия на здоровье человека при использовании для изготовления пищевых продуктов», с 1 июля 2010 года был запрещён. На территории Украины не находится под запретом. Обладает сладковатым вкусом.

Вместе с 1,3,5-триоксаном гексаметилентетрамин входит в состав топливных таблеток гексамина, используемых отдыхающими и военными для разогрева походной еды или военных пайков. Он имеет высокую плотность энергии (30,0 МДж/кг), горит бездымно, не плавится при горении и не оставляет пепла, хотя его пары токсичны. Используется также в аналитической химии, как компонент буферных растворов, в производстве взрывчатых веществ (сырьё для производства гексогена, ГМТД, октогена), в качестве ингибитора коррозии, и частично предотвращает насыщение деталей водородом, применяется при травлении для предохранения от перетравливания, как ингибитор.

Уротропин может абсорбироваться кожей из растворов, при этом у некоторых людей он вызывает раздражение кожи, напоминающее аллергию.

Физиологическое действие альдегидов и кетонов.

Токсичны. Обладают раздражающим и местным действием, проникают через кожу, особенно хорошо ненасыщенные алифатические. Отдельные вещества обладают канцерогенным и мутагенным эффектом. Галогенпроизводные кетонов вызывают сильное раздражение слизистых оболочек и ожоги при контакте с кожей. Алициклические кетоны обладают наркотическим действием.

Кетоны играют важную роль в метаболизме веществ в живых организмах. Так, убихинон участвует в окислительно-восстановитель-ных реакциях тканевого дыхания. К соединениям, содержащим кетонную группу, относятся некоторые важные моносахариды (фруктоза и др.), терпены (ментон, карвон), компоненты эфирных масел (камфора, жасмон), природные красители (индиго, ализарин, флавоны), стероидные гормоны (кортизон, прогестерон), мускус (мускон), антибиотик тетрациклин.

Наличие в моче и крови человека кетонов говорит о гипогликемии, различных расстройствах метаболизма или кетоацидозе.

Жидкие альдегиды и пары жидкости признаются как яды: на коже вызывают дерматиты, на глазах вызывают конъюнктивиты, на лёгких вызывают риниты, на дыхательном тракте вызывают синуситы, могут являться причиной астмы.

Альдегиды губительны для любого живого существа в природе. Жизнь в атмосфере, содержащей следы альдегидов невозможна, даже для высших животных и растений. Формальдегид — потенциально опасное вещество присутствует в природе, в атмосфере. Это неотъемлемая часть метаболических процессов, протекающих в организмах живых существ – животных, включая рыб, людей, насекомых. Есть данное соединение и в растениях, их плодах. Источниками вещества в воздухе являются: электронные сигареты, горящие торфяные болота, фотохимические реакции, протекающие в атмосферных слоях с участием метана, лесные и городские пожары, свалки: как промышленные, так и бытовые, автомобильные выхлопы, выделение из строитель-ных, отделочных материалов – плиточной древесины типа ДСП, выбросы заводов, использующих формальдегид на производствах. В окружающей среде метаналь не накапливается, так как под воздействием солнечных лучей быстро разрушается. Не откладывается он и в тканях организма, так как окисляется, после чего распадается и естественным путём выводится через мочевыделительную систему. Подобное разложение характерно и для растений, животных: в них формальдегид подвергается разложению. Естественным путём концентрацию соединения в природе регулируют климатические условия, микроорганизмы. Содержание в атмосфере уменьшается в зимний период, после обильных осадков, в солнечную погоду. Также метаналь поглощается обитающими в воде и земле метанотрофными бактериями. В квартире формальдегид может появляться в результате выделения из мебели, строительных, утеплительных и отделочных материалов (оконных рам, настенных и напольных покрытий, плинтусов, потолочных панелей), посуды, бытовой техники, текстиля, косметики, предметов повседневного быта. Срок, за который метаналь полностью выветривается, зависит от концентраций, условий. Так, при высоких температурах формальдегид выделяется быстрее, а под ультрафиолетом стре-мительно распадается. И всё же срок выветривания иногда составляет несколько лет. Опасен ли формальдегид для человека? Да, он вреден. Пары и раствор вызывают такие последствия: повреждения ногтевых пластин, развитие онкологии (доказано, что метаналь – канцероген, провоцирующий озлокачествление клеток), воспалительные процессы в почках, гормональные сбои, нарушения работы эндокринной системы, проблемы с мочевыделительной системой: задержка мочи (вплоть до комы), сбои в работе верхних или нижних дыхательных путей: отёк гортани или лёгких, затруднённое дыхание, бронхит, обструкция, нарушения функционирования ЖКТ – сильное раздражение и повреждение (вплоть до полного отмирания) слизистых оболочек пищевода, кишечника, желудка, бесплодие у женщин, тяжёлые аллергические реакции, негативное влияние на печень, органы зрения, центральную нервную систему, мутации, аномалии развития плода при вынашивании ребёнка, дерматиты, экзема, кровоизлияния. Вдыхание паров альдегидов вызывает раздражение конъюнктивы, а также слизистой оболочки верхних дыхательных путей; в наиболее тяжелых случаях развивается отек голосовых связок и даже легких. Характерны цианоз, пневмония. Появляется раздражение, а через короткий промежуток времени возможны утрата сознания и летальный исход. При вдыхании паров метальдегида наблюдаются сомноленция (сонливость), расстройства координации, головокружение, тошнота, судороги. При определенных обстоятельствах больной впадает в кому. После попадания внутрь формалина и других, местно раздражающих альдегидов появляются, ожоги на слизистых оболочках рта, пищевода, верхнего отдела желудочно-кишечного тракта; возникают интенсивные боли в области пораженных слизистых оболочек, дисфагия, рвота (возможно кровавая), понос и тенезмы; в тяжелых случаях — оглушение, помрачение и утрата сознания (длительно удерживающаяся). При работе с альдегидами и альдегидсодержащими препаратами потребители должны защищать глаза, пользоваться защитой органов дыхания (противогазы) и защитой кожных покровов. При работе с этими веществами обязательно наличие приточно-вытяжной вентиляции.

Для закрепления изученного материала перейдите по ссылке: https://learningapps.org/watch?v=pc516yn8c23 и выполните задания.