Альдегиды и кетоны: номенклатура и строение

Зачем изучать альдегиды и кетоны

Карбонильная группа C=O уже не раз встречалась в курсе: альдегиды и кетоны получались при окислении спиртов (тема 17) и при озонолизе алкенов (тема 11), а гидриды и реактивы Гриньяра превращали их в спирты. Теперь мы изучим эти вещества систематически. Альдегиды и кетоны — центральный класс органической химии: из карбонильного соединения можно получить почти любое другое вещество, и почти любое вещество можно превратить в карбонильное.

Причина — в полярности связи C=O. Атом углерода карбонильной группы несёт частичный положительный заряд, и к нему присоединяются самые разные нуклеофилы: гидрид-ион, углеродные нуклеофилы, вода, спирты, амины, цианид-ион, илиды. От нуклеофила зависит, что получится: спирт, ацеталь, имин, циангидрин или алкен. Альдегиды и кетоны важны и практически: формальдегид — сырьё для смол, ацетон — растворитель, а многие душистые вещества — ванилин, коричный альдегид, камфора — содержат карбонильную группу. В этой теме мы научимся предсказывать реакции карбонильной группы с разными реагентами.

Как построена эта тема

В уроке 232 мы научимся называть альдегиды и кетоны и объясним их свойства, в уроке 233 сведём вместе способы их получения. Урок 234 посвящён общему механизму нуклеофильного присоединения и активности карбонильных соединений. Уроки 235–239 — реакции с кислородными, серными и азотными нуклеофилами: гидраты и полуацетали, ацетали и защита карбонильной группы, тиоацетали и умполунг, имины, енамины и кристаллические производные. В уроках 240–244 мы разберём восстановительное аминирование, присоединение цианида, реакции Виттига, Хорнера — Уодсворта — Эммонса и Кори — Чайковского. Уроки 245–248 посвящены восстановлению карбонильной группы до \(\ce{CH2}\), окислению альдегидов, реакциям Байера — Виллигера и Канниццаро. В уроках 249–253 мы разберём присоединение металлоорганических соединений, перегруппировки Мейера — Шустера, Бекмана и Шапиро и сопряжённое присоединение к α,β-непредельным карбонильным соединениям. Урок 254 — практикум по всей теме.

Как назвать

Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу C=O. В альдегиде она стоит на конце цепи и связана хотя бы с одним атомом водорода (группа CHO), а в кетоне — внутри цепи, между двумя атомами углерода. Называют эти вещества по общим правилам номенклатуры (урок 35): альдегидная группа старше кетонной, а нумерацию начинают так, чтобы карбонильный атом получил наименьший номер. Многие простые альдегиды и кетоны чаще называют тривиально, и эти названия нужно знать.

Как назвать альдегид или кетон

1. Альдегид получает суффикс «-аль». Атом группы CHO всегда первый, поэтому его номер не пишут: бутаналь.
2. Кетон получает суффикс «-он» с номером атома: пентан-2-он; циклический кетон называют циклоалканоном.
3. Старшинство групп: кислота > альдегид > кетон > спирт; младшая карбонильная группа обозначается префиксом «оксо-».
4. Тривиальные названия: формальдегид (метаналь), ацетальдегид (этаналь), ацетон (пропанон), бензальдегид, ацетофенон, бензофенон.

Примеры

1. 3-Метилбутаналь. В альдегиде \(\ce{CH3CH(CH3)CH2CHO}\) нумерация начинается с атома группы CHO, и метильная группа получает номер 3 (формула выше).

3-метилбутаналь

2. Пентан-2-он. В кетоне \(\ce{CH3COCH2CH2CH3}\) нумерацию начинают с того конца, к которому ближе карбонильная группа.

пентан-2-он

3. 4-Оксопентаналь. В соединении \(\ce{OHC-CH2-CH2-COCH3}\) есть альдегидная и кетонная группы. Альдегидная старше: она даёт суффикс «-аль», а кетонная обозначается префиксом «оксо-».

4-оксопентаналь

Строение и свойства

Всё поведение карбонильной группы следует из полярности связи C=O. Кислород электроотрицательнее углерода, поэтому на атоме углерода находится частичный положительный заряд, а на атоме кислорода — частичный отрицательный. Отсюда и химические свойства — атака нуклеофилов по атому углерода, — и физические: заметный дипольный момент при отсутствии водородных связей между молекулами.

Как объяснить свойства карбонильных соединений

1. Связь C=O полярна: атом углерода несёт частичный положительный заряд и служит электрофилом, атом кислорода — частичный отрицательный и служит основанием Льюиса.
2. Карбонильный атом углерода находится в состоянии \(sp^2\): фрагмент плоский, углы около 120°, и нуклеофил атакует его сверху или снизу плоскости.
3. Молекулы притягиваются диполь-дипольными силами, но водородных связей между ними нет, поэтому альдегиды и кетоны кипят выше алканов и ниже спиртов близкой молярной массы.
4. Атом кислорода принимает водородные связи от воды, поэтому альдегиды и кетоны с одним, двумя и тремя атомами углерода смешиваются с водой.

Примеры

1. Бутаналь между бутаном и бутанолом. Бутаналь \(\ce{C3H7CHO}\) кипит при 75 °C — выше бутана (−0,5 °C) и ниже бутан-1-ола (118 °C): у него есть диполь, но нет водородных связей между молекулами.

бутан: −0,5 °C

бутаналь: 75 °C

бутан-1-ол: 118 °C

2. Растворимость. Ацетальдегид \(\ce{CH3CHO}\) смешивается с водой, а гексаналь \(\ce{C5H11CHO}\) растворяется плохо: с ростом цепи увеличивается неполярная часть молекулы.