Вопрос 1. Альдегиды. Их строение, свойства, получение и применение.
Ответ. Альдегиды – органические вещества, молекулы которых
Общая формула альдегидов ˸
Номенклатура
Наименование альдегидов производят от исторических названий карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода. Так, CH 3 CHO – уксусный альдегид. По систематической номенклатуре название альдегидов производят от названий углеводородов с прибавлением окончания –аль , CH 3 CHO – этаналь. Нумерацию углеродной цепи начинают с карбонильной группы. Для разветвленных изомеров перед названием альдегида записывают названия заместителей с указанием цифрой и номера углеродного атома, с которым они связаны˸
CH 3 – CH (CH 3) – CH 2 – CHO.
3-метилбутаналь
Изомерия
Углеродного скелета ˸
CH 3 – CH 2 – CH 2 – CHO – бутаналь,
CH 3 – CH(CH 3) – CHO – 2-метилпропаналь.
Классов соединений ˸
CH 3 – CH 2 – CHO – пропаналь,
CH 3 – CO – CH 3 – пропанон (ацетон).
Физические свойства
Метаналь – газ, альдегид от C 2 до С 13 – жидкости, высшее альдегиды – твердые вещества (тетрадеканаль или миристиновый альдегид CH 3 (CH 2) 12 CHO имеет температуру плавления 23,5 ). Низшие альдегиды хорошо растворимы в воде; чем больше атомов углерода в молекуле, тем меньше растворимость; у альдегидов нет водородной связей.
Химические свойства
1. Реакции присоединения ˸
а) гидрирование ˸
CH 2 O + H 2 = CH 3 OH;
б) образование ацеталий со спиртами ˸
CH 3 - CH 2 – CHO + 2C 2 H 5 OH = CH 3 – CH 2 – CH(OC 2 H 5) 2 + H 2 O.
2. Реакция окисления˸
а) реакция ʼʼсеребряного зеркалаʼʼ ˸
CH 3 CHO + Ag 2 O 2 Ag + CH 3 COOH;
б) взаимодействие с гидрооксидом меди (II) ˸
CH 3 CHO + 2Cu(OH) 2 CH 3 COOH + Cu 2 O↓ + 2H 2 O
3. Реакции замещения˸
CH 3 CH 2 CHO + Br 2 = CH 3 – CH (Br) – CHO+ HBr
4.Полимеризация˸
CH3=O (CH 2 O) 3 .
триоксиметилен
5.Поликонденсация˸
n C 6 H 5 OH + n CH 2 O + n C 6 H 5 OH + …=
=[ C 6 H 4 (OH) – CH 2 – C 6 H 4 (OH)] n + n H 2 O
Фенолформальдегидная смола
Получение
а) Окисление алканов˸
CH 4 + O 2 CH 2 O + H 2 O.
метаналь
б) Окисление спиртов˸
2CH 3 OH + O 2 2CH 2 O + 2H 2 O.
в) Реакция Кучерова˸
C 2 H 2 + H 2 O CH 3 CHO.
г) Окисление алкенов˸
C 2 H 4 + [O] CH 3 CHO.
Применение˸
1. Получение фенолформальдегидных смол, пластмасс.
2. Производство лекарств, формалина (из CH 2 =O).
3. Производство красителей.
4. Производство уксусной кислоты.
5. Дезинфекция и протравливание семян.
Вопрос 2. Проблема защита окружающей среды .
Ответ ˸ На сегодняшний день самым крупномасштабным является загрязнение окружающей среды химическими веществами.
Охрана атмосферы
Источники загрязнения˸ предприятия чёрной и цветной металлургии, теплоэлектростанции, автотранспорт.
Промышленность˸ выбросы оксидов серы и азота. В результате обжига сульфидных руд цветных металлов выделяется оксид серы (IV).
Теплоэлектростанции выделяют SO 2 и SO 3 ,которые соединяются с влагой воздуха (SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4)и выпадают с виде кислотных дождей.
Вопрос 1. Альдегиды. Их строение, свойства, получение и применение. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Вопрос 1. Альдегиды. Их строение, свойства, получение и применение." 2015, 2017-2018.
Название альдегид применяется к соединениям, содержащим карбонильную группу, связанную с атомом водорода (-COH)
Альдегиды чаще всего имеют тривиальные названия, обычно такие же, как кислоты, в которые они переходят при окислении.
Название неразветвленного ациклического альдегида образовывают путем добавления окончания "–АЛ " ("–АЛЬ " в русской терминологии) к названию углеводорода, содержащего тоже число атомов углерода, например:
Наличие кратных связей или боковых цепей в молекуле альдегида обозначается аналогично алканам:
3-метилпентаналь
По рациональной номенклатуре альдегиды жирного ряда иногда рассматривают как производные уксусного альдегида, например: триметилуксусный альдегид, метилэтилуксусный альдегид и т.д.
Для альдегидов широко применяются не систематические – тривиальные названия. Они образуются из соответствующих тривиальных названий карбоновых кислот. Эти названия приведены в таблице 7.
Таблица 7
Названия альдегидов
|
НАЗВАНИЕ |
Название в русской терминологии |
|
|
формальдегид |
муравьиный альдегид |
|
|
ацетальдегид |
уксусный альдегид |
|
|
С 2 Н 5 СОН |
пропиональдегид |
пропионовый альдегид |
|
С 3 Н 7 СОН |
бутилальдегид |
масляный альдегид |
|
С 4 Н 9 СОН |
валеральдегид |
валериановый альдегид |
|
CH 2 =CH 2 –COH |
акрилальдегид |
акриловый альдегид |
|
HOC–CH 2 –COH |
малональдегид |
малоновый альдегид |
Исключение: этандиальдегид обычно называют глиоксалем.
Название кетон применяется к соединениям, содержащим карбонильную группу, связанную с двумя углеводородными радикалами.
Названия кетонов образуются путем добавления окончания "–ОН " или "–ДИОН " и т.д. к названию углеводорода соответствующего главной цепи.
2-бутанон 2,4-гескандион
По радикально-функциональной номенклатуре названия кетонов производят от названий углеводородных радикалов, связанных с карбонильной группой, добавляя окончание "–КЕТОН "
Таблица 8
Названия кетона
диэтилкетон диметилкетон
3-пентанон пропанон
У некоторых кетонов, также как и у альдегидов, сохраняются тривиальные названия
ацетон диацетил
4.3. "Карбоновые кислоты"
К
арбоновыми
кислотами являются соединения, содержащие
в своем строении карбоксильную группу
(-COOH)
Названия одноосновных карбоновых кислот строится по трем видам номенклатур.
Тривиальные названия не выражают строения соединения и обычно отражают историю, происхождение веществ, выделение их из природных продуктов, путь синтеза т.д.
По рациональной номенклатуре карбоновые кислоты рассматриваются как замещенные уксусной кислоты (метилэтилуксусная, триметилуксусная и т.д.).
Номенклатура ИЮПАК. Имеются два варианта образования названия.
1-й вариант: углеродный атом карбоксильной группы считается составной частью углеродного скелета, и название кислоты образуется из названия соответствующего углеводорода путем добавления к нему окончания "–ОВАЯ КИСЛОТА ". Этот вариант наиболее предпочтителен для простых алифатических кислот.
гексановая кислота
2-й вариант: карбоксильная группа рассматривается в качестве заместителя в углеводородной цепи. К названию соответсвующего углеводорода добавляется окончание "–КАРБОНОВАЯ КИСЛОТА "
1-пентанкарбоновая кислота
предельных одноосновных карбоновых кислот образуют из названий алканов с таким же числом атомов углерода с добавлением суффикса.
Лекция № 11
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Реакции нуклеофильного
присоединения.
2.2. Реакции по a -углеродному атому.
2.3.
Лекция № 11
АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ
План
1. Методы получения.
2. Химические свойства.
2.1. Реакции нуклеофильного
присоединения.
2.2. Реакции по a -углеродному атому.
2.3. Реакции окисления и восстановления.
Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу
С=О. Общая формула:
1. Методы получения.
2. Химические
свойства.
Альдегиды и кетоны – один из наиболее реакционноспособных классов
органических соединений. Их химические свойства определяются присутствием
карбонильной группы. Вследствие большого различия в электроотрицательностях
углерода и кислорода и высокой поляризуемости p
-связи связь С=О обладает значительной полярностью
( m
С=О
=2,5-2,8 D). Атом углерода карбонильной
группы несет эффективный положительный заряд и является объектом для атаки
нуклеофилов. Основной тип реакций альдегидов и кетонов – реакции
нуклеофильного присоединения Ad
N . Кроме того, карбонильная группа оказывает влияние на
реакционную способность связи С-Н в
a
-положении, повышая ее кислотность.
Таким образом, молекулы альдегидов и кетонов
содержат два основных реакционных центра – связь С=О и связь С-Н в
a
-положении:
2.1. Реакции нуклеофильного
присоединения.
Альдегиды и кетоны легко присоединяют нуклеофильные реагенты по С=О связи.
Процесс начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода. Затем
образующийся на первой стадии тетраэдрический интермедиат присоединяет протон и
дает продукт присоединения:
Активность карбонильных соединений в
Ad
N –реакциях зависит от величины
эффективного положительного заряда на карбонильном атоме углерода и объема
заместителей у карбонильной группы. Электронодонорные и объемистые заместители
затрудняют реакцию, электроноакцепторные заместители повышают реакционную
способность карбонильного соединения. Поэтому альдегиды в
Ad
N –реакциях активнее, чем
кетоны.
Активность карбонильных соединений повышается в
присутствии кислотных катализаторов, которые увеличивают положительный заряд на
карбонильном атоме углерода:
Альдегиды и кетоны присоединяют воду, спирты,
тиолы, синильную кислоту, гидросульфит натрия, соединения типа
NH
2 X. Все реакции присоединения
идут быстро, в мягких условиях, однако образующиеся продукты, как правило,
термодинамически не устойчивы. Поэтому реакции протекают обратимо, и содержание
продуктов присоединения в равновесной смеси может быть низким.
Присоединение воды.
Альдегиды и кетоны присоединяют воду с
образованием гидратов. Реакция протекает обратимо. Образующиеся гидраты
термодинамически не стабильны. Равновесие смещено в сторону продуктов
присоединения только в случае активных карбонильных соединений.
Продукт гидратации трихлоруксусного альдегида
хлоральгидрат – устойчивое кристаллическое соединение, которое используется в
медицине как успокаивающее и снотворное средство.
Присоединение спиртов и
тиолов.
Альдегиды присоединяют спирты с образованием полуацеталей
. При избытке спирта и в присутствии кислотного катализатора
реакция идет дальше – до образования ацеталей
Реакция образования полуацеталя протекает как
нуклеофильное присоединение и ускоряется в присутствии кислот или
оснований.
Процесс образования ацеталя идет как
нуклеофильное замещение ОН группы в полуацетале и возможен только в условиях
кислотного катализа, когда группа ОН превращается в хорошую уходящую группу
(H
2 O).
Образование ацеталей – обратимый процесс. В
кислой среде полуацетали и ацетали легко гидролизуются. В щелочной среде
гидролиз не идет. Реакции образования и гидролиза ацеталей играют важную роль в
химии углеводов.
Кетоны в аналогичных условиях кеталей не
дают.
Тиолы как более сильные нуклеофилы, чем спирты,
образуют продукты присоединения и с альдегидами, и с кетонами.
Присоединение синильной
кислоты
Синильная кислота присоединяется к карбонильным соединением в условиях
основного катализа с образованием циангидринов.
Реакция имеет препаративное значение и
используется в синтезе
a
-гидрокси- и
a
-аминокислот (см. лек. № 14). Плоды некоторых растений
(например, горький миндаль) содержат циангидрины. Выделяющаяся при их
расщеплении синильная кислота оказывает отравляющее действие
.
Присоединение бисульфита
натрия.
Альдегиды и метилкетоны присоединяют бисульфит натрия NaHSO 3 c образованием бисульфитных производных.
Бисульфитные производные карбонильных соединений
– кристаллические вещества, не растворимые в избытке раствора бисульфита натрия.
Реакция используется выделения карбонильных соединений из смесей. Карбонильное
соединение может быть легко регенерировано обработкой бисульфитного производного
кислотой
или щелочью.
Взаимодействие с соединениями общей
формулы NH
2 X.
Реакции протекают по общей схеме как процесс
присоединения-отщепления. Образующийся на первой стадии продукт присоединения не
устойчив и легко отщепляет воду.
По приведенной схеме с карбонильными
соединениями реагируют аммиак, первичные амины, гидразин, замещенные гидразины,
гидроксиламин.
Образующиеся производные представляют собой
кристаллические вещества, которые используют для выделения и идентификации
карбонильных соединений.
Имины (основания Шиффа) являются промежуточными
продуктами во многих ферментативных процессах (трансаминирование под действием
кофермента пиридоксальфосфата; восстановительное аминирование кетокислот при
участии кофермента НАД
Н). При каталитическом гидрировании иминов образуются
амины. Процесс используется для синтеза аминов из альдегидов и кетонов и
называется восстановительным аминированием.
Восстановительное аминирование протекает in vivo
в ходе синтеза аминокислот (см. лек. № 16)
2.2. Реакции по a -углеродному атому.
Кето-енольная таутомерия.
Водород в
a
-положении к карбонильной группе обладает кислотными
свойствами, так как образующийся при его отщеплении анион стабилизируется за
счет резонанса.
Результатом протонной подвижности атома водорода
в
a
-положении
является способность карбонильных соединений к образованию енольных форм за счет
миграции протона из
a
-положения к атому кислорода карбонильной группы.
Кетон и енол являются таутомерами
.
Таутомеры – это изомеры, способные быстро и обратимо превращаться друг в друга
за счет миграции какой-либо группы (в данном случае – протона). Равновесие между
кетоном и енолом называют кето-енольной таутомерией.
Процесс енолизации катализируется кислотами и
основаниями. Енолизация под действием основания может быть представлена
следующей схемой:
Большинство карбонильных соединений существуют
преимущественно в кетонной форме. Содержание енольной формы возрастает с
увеличением кислотности карбонильного соединения, а также в случае
дополнительной стабилизации енольной формы за счет водородной связи или за счет
сопряжения.
Таблица 8. Содержание енольных форм и
кислотность карбонильных соединений
Например, в 1,3-дикарбонильных соединениях
подвижность протонов метиленовой группы резко увеличивается за счет
электроноакцепторного влияния двух карбонильных групп. Кроме того, енольная
форма стабилизируется за счет наличия в ней системы сопряженных
p
-связей и внутримолекулярной
водородной связи.
Если соединение в енольной форме представляет
собой сопряженную систему с высокой энергией стабилизации, то енольная форма
преобладает. Например, фенол существует только в енольной форме.
Енолизация и образование енолят-анионов являются
первыми стадиями реакций карбонильных соединений, протекающих по
a
-углеродному атому. Важнейшими
из них являются галогенирование
и альдольно-кротоновая
конденсация
.
Галогенирование.
Альдегиды и кетоны легко вступают в реакцию с галогенами (Cl 2 ,
Br 2 , I 2 ) с образованием
исключительно
a
-галогенпроизводных.
Реакция катализируется кислотами или
основаниями. Скорость реакции не зависит от концентрации и природы галогена.
Процесс протекает через образование енольной формы (медленная стадия), которая
затем реагирует с галогеном (быстрая стадия). Таким образом, галоген не
участвует в скорость
—определяющей стадии
процесса.
Если карбонильное соединение содержит несколько
a
-водородных
атомов, то замещение каждого последующего происходит быстрее, чем предыдущего,
вследствие увеличения их кислотности под действием электроноакцепторного влияния
галогена. В щелочной среде ацетальдегид и метилкетоны дают
тригалогенпроизводные, которые затем расщеплятся под действием избытка щелочи с
образованием тригалогенметанов (галоформная реакция)
.
Расщепление трииодацетона протекает как реакция
нуклеофильного замещения. группы CI
3 — гидроксид-анионом, подобно S
N -реакциям в карбоксильной группе (см. лек. №12).
Иодоформ выпадает из реакционной смеси в виде
бледно-желтого кристаллического осадка с характерным запахом. Иодоформную
реакцию используют в аналитических целях для обнаружения соединений типа
СH
3 -CO-R, в том числе в
клинических лабораториях для диагностики сахарного диабета.
Реакции конденсации.
В присутствии каталитических количеств кислот
или щелочей карбонильные соединения, содержащие
a
-водородные атомы,
претерпевают конденсацию с образованием
b
-гидроксикарбонильных соединений.
В образовании связи С-С участвуют карбонильный
атом углерода одной молекулы (карбонильной компоненты
) и
a
-углеродный атом другой
молекулы (метиленовой компоненты
). Эта реакция носит название альдольной конденсации
(по названию продукта конденсации ацетальдегида –
альдоля).
При нагревании реакционной смеси продукт легко
дегидратируется с образованием
a
,b
-непредельного карбонильного
соединения.
Такой тип конденсации носит название кротоновой
(по названию продукта конденсации ацетальдегида – кротонового
альдегида).
Рассмотрим механизм альдольной конденсации в
щелочной среде. На первой стадии гидроксид-анион отрывает протон из
a
-положения карбонильного
соединения с образованием енолят-аниона. Затем енолят анион как нуклеофил
атакует карбонильный атом углерода другой молекулы карбонильного соединения.
Образующийся тетраэдрический интермедиат (алкоксид-анион) является сильным
основанием и отрывает далее протон от молекулы воды.
При альдольной конденсации двух различных
карбонильных соединений (перекрестная альдольная конденсация) возможно
образование 4-х разных продуктов. Однако этого можно избежать, если одно из
карбонильных соединений не содержит
a
-водородных атомов (например, ароматические альдегиды
или формальдегид) и не может выступать в качестве метиленовой компоненты.
В качестве метиленовой компоненты в реакциях
конденсации могут выступать не только карбонильные соединения, но и другие
С-Н-кислоты. Реакции конденсации имеют препаративное значение, так как позволяют
наращивать цепь углеродных атомов. По типу альдольной конденсации и
ретроальдольного распада (обратный процесс) протекают многие биохимические
процессы: гликолиз, синтез лимонной кислоты в цикле Кребса, синтез нейраминовой
кислоты.
2.3. Реакции окисления и
восстановления
Восстановление
Карбонильные соединения восстанавливаются до
спиртов в результате каталитического гидрирования или под действием
восстановителей, которые являются донорами гидрид-анионов.
[H]: H 2 /кат., кат. – Ni, Pt,
Pd;
LiAlH 4 ; NaBH 4 .
Восстановление карбонильных соединений
комплексными гидридами металлов включает нуклеофильную атаку карбонильной группы
гидрид-анионом. При последующем гидролизе образуется спирт.
Аналогично происходит восстановление
карбонильной группы in vivo под действием кофермента НАД
Н, который является
донором гидрид-иона (см. лек. №19).
Окисление
Альдегиды окисляются очень легко практически
любыми окислителями, даже такими слабыми, как кислород воздуха и соединения
серебра (I) и меди
(II).
Две последние реакции используются как
качественные на альдегидную группу.
В присутствии щелочей альдегиды, не содержащие
a
-водородных атомов
диспропорционируют с образованием спирта и кислоты (реакция Канницаро).
2HCHO + NaOH ® HCOONa + CH 3 OH
Это является причиной того, что водный раствор
формальдегида (формалин) при длительном хранении приобретает кислую
реакцию.
Кетоны устойчивы к действию окислителей в
нейтральной среде. В кислой и щелочной средах под действием сильных
окислителей
(KMnO 4 ) они
окисляются с разрывом связи С-С. Расщепление углеродного скелета происходит по
двойной углерод-углеродной связи енольных форм карбонильного соединения, подобно
окислению двойных связей в алкенах. При этом образуется смесь продуктов,
содержащая карбоновые кислоты или карбоновые кислоты и кетоны.
Что вообще такое альдегиды? Ответ на этот вопрос не так прост, как может показаться на первый взгляд. Спросите об этом любителя парфюмерии со стажем - скорее всего он вам расскажет про синтетические материалы с трудноописуемым запахом, которые сделали аромат таким необычным, абстрактным и новаторским.
Химик или даже обычный одиннадцатиклассник, регулярно посещавший уроки химии, тоже не будет особо раздумывать и скажет, что альдегиды - это класс органических соединений, содержащие группу -СНО , которую называют альдегидной группой. У всех альдегидов есть общие химические свойства, например, они легко окисляются с образованием соответствующих кислот. На этом основана реакция серебряного зеркала - помните, когда пробирку нагревают и на поверхности стекла появляется блестящий металлический слой. Само слово «альдегид», придуманное немецким химиком Юстасом фон Либихом, является сокращенным alcohol dehydrogenatum, что означает «спирт без водорода ».
В тривиальных названиях альдегидов часто* (см.сноску) присутствует либо само слово «альдегид», либо суффикс -аль , например, «пельменный альдегид», «жабальдегид», «кочергаль». Такие вещества, как ванилин и гелиотропин - тоже альдегиды с химической точки зрения. Вообще в арсенале парфюмера огромное количество альдегидов с совершенно различными запахами: мелональ пахнет дыней, адоксаль пахнет морем и яичным белком, цитронеллаль - лемонграссом, лираль - ландышем, триплаль - зелёной травой. Есть цикламенальдегид, коричный альдегид, анисовый, куминовый, мандариновый.
Хорошо, спросите вы, причём тут Шанель? Если альдегидов так много и все они пахнут по-разному, то что же это за такая «альдегидная нота», чем она пахнет и какие конкретно альдегиды входят в состав Chanel №5? Помните хармсовские «Анекдоты из жизни Пушкина»: «Пушкин очень полюбил Жуковского и стал называть его по-приятельски Жуковым»? То, что парфюмеры часто называют по-приятельски просто альдегидами, на самом деле некий подвид и частный случай: насыщенные алифатические или так называемые жирные альдегиды. Их принято называть по числу атомов углерода в молекуле. У «альдегида С-7», или гептаналя , - семь атомов углерода, у «альдегида С-10», деканаля , как нетрудно догадаться, десять.
В состав Chanel №5 входит смесь из альдегидов "С-11 undecylic" или "С-110" (ундеканаля), "С-11 undecylenic" (10-ундеценаля) и С-12 (додеканаля). Стоит отметить, что альдегиды появились в составе духов задолго до возникновения этого легендарного аромата [Chanel №5 была выпущена в 1921 году ]. Многие историки парфюмерии сходятся на том, что впервые альдегиды использовались при создании , вернее, его переиздания 1905 года, созданное парфюмером Пьером Армижаном (Pierre Armigeant). Есть альдегиды и в (1912), и в Bouquet de Catherine (1913) московской фабрики Alphonse Rallet & Co, созданные, как и Сhanel №5, парфюмером Эрнестом Бо (кстати говоря, коренным москвичом). Но именно Шанель, несомненно, стала главным альдегидным ароматом всех времен и народов, породив огромное количество подражаний и копий.
Жирные альдегиды объединяет характерный восковой запах, похожий на запах задутой свечки (собственно, этот свечной запах и обусловлен жирными альдегидами, продуктами неполного сгорания парафина). Запах у жирных альдегидов очень интенсивный и резкий, приятным он становится при разбавлении до 1% или меньше. Запах деканаля (С-10) имеет оттенок цедры, запах альдегида С-12 имеет нюансы лилии и фиалки. У простейших альдегидов, формальдегида и ацетальдегида, запах крайне резкий и довольно неприятный (тем не менее даже ацетальдегид используется флейвористами и входит в состав некоторых вкусоароматичских добавок), у гексаналя (альдегида С-6) уже можно различить сравнительно приятные зеленые и яблочные аспекты. Жирные альдегиды, у которых в цепочке 15 атомов углерода и больше, уже практически лишены запаха.
У запаха жирных альдегидов есть ещё одно общее свойство - некая «мылкость». Альдегиды давно и активно используются для отдушки мыла по причине своей невысокой стоимости, интенсивности запаха и способности хорошо маскировать неприятные оттенки запаха мыльной основы. Часто альдегидный запах ассоциируется с абстрактной чистотой или с ощущением от свежевыглаженного белья.
Ещё один важный момент, на который стоит отдельно обратить внимание - альдегиды не являются чем-то искусственным, результатом труда человека. Многие из них широко встречаются в природе. Деканаль, например, содержится в эфирных маслах цитрусовых (в апельсиновом до 4%!), хвойных и многих цветочных растений, много его в эфирном масле кориандра. Ненасыщенные алифатические альдегиды тоже повсеместно встречаются в природе, они обладают ещё более интенсивным запахом, например, (E)-2-деценаль отвечает за характерный запах кинзы, он же действительно часто присутствует в «химическом оружии» клопов, а эпоксипроизводное, транс-4,5-эпокси-(Е)-2-деценаль, обуславливает характерный запах крови, который и придаёт ей выраженный металлический аспект. Именно по запаху этого вещества хищники выслеживают свою добычу.
На волне успеха первых цветочно-альдегидных ароматов химики неустанно работали над синтезом новых материалов с похожими ольфакторными свойствами. В 1905 году французы E.E.Blaise и L.Huillon (Bull.Soc.Chim.Fr. 1905, 33, 928) синтезировали гамма-ундекалактон, чуть позже, в 1908 году, аналогичную работу опубликовали и два русских химика А.А. Жуков и П.И. Шестаков (ЖРХО 40, 830, 1908). Это соединением обладало интересным ароматом, напоминающим запах разогретого на солнце спелого персика - фруктовым, восковым и несколько кокосово-сливочным.
Производители решили продавать это вещество под названием «альдегид С-14», чтобы с одной стороны удовлетворить жажду парфюмеров в новых «альдегидах с цифрами», а с другой стороны ввести в заблуждение конкурентов, ведь на самом деле с химической точки зрения это был не альдегид, а лактон (циклический сложный эфир), да и атомов в молекуле у этого соединения не 14, а 11. Как в анекдоте, «не в шахматы, а в преферанс, не выиграл, а проиграл».
Так называемый «альдегид С-14» с огромным успехом в 1919 году дебютировал в аромате Guerlain Mitsouko, а чуть позже появились новые похожие материалы: «альдегид C-16 (клубничный)», «альдегид C-18 (кокосовый)», «альдегид C-20 (малиновый)» и некоторые другие. Вот и получается, что с одной стороны чуть ли не каждое третье душистое вещество является альдегидом, а с другой стороны - некоторые самые главные альдегиды вовсе никакие и не альдегиды.
* Химики пользуются несколькими типами названий. Первый тип - систематические, или номенклатурные. Номенклатурное название - это своего рода шифр, алгоритм, благодаря которому можно воссоздать структуру вещества, то есть понять какие атомы и каким образом соединены внутри молекулы. Каждому названию соответствует единственная структура и наоборот - для каждого вещества есть только одно номенклатурное название. Альдегиды, согласно номенклатуре, должны иметь суффикс «аль». Единственный, но весьма существенный минус таких названий - громоздкость. Например, обсуждавшийся в прошлый раз изо е супер согласно номенклатурным правилам должен называться «1-(1,2,3,4,5,6,7,8-октагидро-2,3,8,8,-тетраметил-2-нафтил)этанон-1». Трудно себе представить, во что бы превратились будни лабораторий, если бы химики пользовались только номенклатурными названиями («Василий, передайте, пожалуйста, вон ту колбу с цис-3-диметилметокси…»).
По этой причине чаще пользуются названиями тривиальными. Тривиальное название это как бы прозвище, nickname вещества. Оно ничего не говорит нам о строении и структуре, но оно короткое и запоминающееся. Ванилин, дихлофос, промедол, парабен - это всё тривиальные названия. Разные компании могут выпускать одно и то же соединение под разными названиями, обычно такие названия принято называть торговыми марками. 2ацетилоксибензойная кислота - это номенклатурное название, ацетилсалициловая кислота - тривиальное, а аспирин - торговая марка. Производители синтетических душистых веществ любят давать своим материалам яркие звучные названия. Часто альдегиды (с химической точки зрения) получают название с суффиксом «аль» на конце. Но зная любовь парфюмеров к альдегидам иногда названия с «аль» даются веществам, представляющим собой что-то совершенно иное. Например Clonal, продукт компании IFF, на самом деле нитрил, а Mystikal, каптивный материал компании Givaudan - карбоновая кислота. По сути, тот же трюк, что и с «альдегидом С-14».
Нахождение в природе
Альдегидная группа содержится во многих природных веществах, таких, как углеводы (альдозы), некоторые витамины (ретиналь, пиридоксаль). Их следы содержатся в эфирных маслах и часто способствуют их приятному запаху, например, коричный альдегид (в кассиевом масле его может быть до 75 %, а в цейлонском коричном масле даже до 90 %) и ванилин.
Алифатический альдегид СН3(СН2)7С(Н)=О (тривиальное название - пеларгоновый альдегид) содержится в эфирных маслах цитрусовых растений, обладает запахом апельсина, его используют как пищевой ароматизаторотщепление.
Цитраль содержится в лемонграссовом и кориандровом маслах (до 80 %), цитронеллаль - в цитронелловом (приблизительно 30 %) и эвкалиптовом, бензальдегид - в масле горького миндаля. Куминовый альдегид содержится в масле тмина, гелиотропин - в масле гелитропа и сирени, анисовый альдегид и жасминальдегид в небольших количествах содержатся во многих эфирных маслах.отщеплениеотщепление.
Процесс получения ацетальдегида, основанный на гидратации ацетилена, в последнее время потерял былое значение. Последние фабрики в Западной Европе, синтезирующие ацетальдегид по данной схеме, были закрыты в 1980 году. Причиной этому послужила бо́льшая доступность этилена в качестве сырья, а также токсичность катализатора - сульфата ртути.
Ежегодное мировое производство формальдегида (по данным на 1996 год) составило 8,7·106 т, ацетальдегида (на 2003 год) - 1,3·106 т.
Основным методом получения бензальдегида является гидролиз бензальхлорида в кислой или щелочной средах. В качестве гидролизующих агентов могут применяться гидроксид кальция, карбонат кальция, гидрокарбонат натрия, карбонат натрия, а также различные кислоты с добавлением солей металлов. Исходное сырьё, в свою очередь, получают при хлорировании толуола в боковую цепь. Менее распространённый процесс основан на частичном окислении толуола.
Физические свойства альдегидов
Формальдегид представляет собой газообразное при комнатной температуре вещество. Альдегиды до С12 - жидкости, а альдегиды нормального строения с более длинным неразветвлённым углеродным скелетом, являются твёрдыми веществами.
Температуры кипения альдегидов с неразветвлённым строением углеродной цепи выше, чем у их изомеров. Например, валериановый альдегид кипит при 100,4 °C, а изовалериановый - при 92,5 °C. Они кипят при более низких температурах, чем спирты с тем же числом углеродных атомов, например, пропионовый альдегид кипит при 48,8 °C, а пропанол-1 при 97,8 °C. Это показывает, что альдегиды, в отличие от спиртов, не являются сильно ассоциированными жидкостямиотщепление. Данное свойство используется в синтезе альдегидов путём восстановления спиртов: поскольку температура кипения альдегидов в целом ниже, они могут быть легко отделены и очищены от спирта перегонкой. В то же время их температуры кипения намного выше, чем у углеводородов с той же молекулярной массой, что связано сих высокой полярностьюотщепление.
Вязкость, плотность и показатель преломления при 20 °C увеличиваются с увеличением молярной массы альдегидов. Низшие альдегиды являются подвижными жидкостями, а альдегиды от гептаналя до ундеканаля имеют маслообразную консистенцию.
Формальдегид и ацетальдегид практически неограниченно смешиваются с водой, однако, с ростом длины углеродного скелета, растворимость альдегидов в воде сильно уменьшается, например, растворимость гексаналя при 20 °С составляет лишь 0,6 % по массе. Алифатические альдегиды растворимы в спиртах, простых эфирах и других распространённых органических растворителях.
Низшие альдегиды имеют резкий запах, а высшие гомологи от С8 до С13 являются компонентами многих парфюмерных изделий.
Атом углерода в карбонильной группе находится в состоянии sp2-гибридизации. Углы R-C-H, R-C-O и H-C-O составляют приблизительно 120° (где R - алкил).
Двойная связь карбонильной группы сходна по физической природе с двойной связью между углеродными атомами, однако в то же время энергия связи С=О (749,4 кДж/моль) больше, чем энергия двух простых связей (2×358 кДж/моль) C-O. 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 составляет ~9·10−30 Кл·мотщепление. Длина связи С=О составляет 0,122 нм.
Поляризация двойной связи «углерод-кислород» по принципу мезомерного сопряжения позволяет записать следующие резонансные структуры:
Подобное разделение зарядов подтверждается физическими методами исследования и во многом определяет реакционную способность альдегидов как выраженных электрофилов и позволяет им вступать в многочисленные реакции нуклеофильного присоединения.
Подобным образом протекает и реакция присоединения спиртов по карбонильной группе, имеющая важное значение в органическом синтезе для защиты карбонильной группы. Первичный продукт присоединения называется полуацеталем, далее под действием кислоты он превращается в ацеталь. При стоянии альдегиды также образуют циклические или полимерные ацетали (например, триоксан или параформ для формальдегида и паральдегид для ацетальдегида). При нагревании этих соединений со следовыми количествами кислот происходит деполимеризация и регенерация исходных альдегидов.
Аналогичные превращения происходят также с участием серосодержащих аналогов спиртов - тиолов; они приводят, соответственно, к тиоацеталям, также играющим важную роль в тонком органическом синтезе.
Альдегиды могут присоединять циановодород HCN с образованием циангидринов, применяемых в органическом синтезе для получения α,β-ненасыщенных соединений, α-гидроксикислот, α-аминокислот. Данная реакция также является обратимой и катализируется основаниями. В лабораторных условиях циановодород (т. кип. 26 °C) обычно получают действием эквивалентного количества минеральной кислоты на цианид натрия или калия.
Относительно небольшие пространственные затруднения при присоединении нуклеофилов к альдегидам позволяют превращать их в бисульфитные производные под действием большого избытка гидросульфита натрия NaHSO3. Данные соединения представляют собой кристаллические вещества и часто используются для выделения, очистки или хранения соответствующих альдегидов, поскольку последние могут быть легко из них регенерированы под действием кислоты или основания.
Реакция альдегидов с магний- и литийорганическими соединениями приводит к образованию вторичных спиртов (в случае формальдегида - первичных). Процесс может осложняться побочными реакциями енолизации и восстановления карбонильного соединения, которые приводят к снижению выхода. При использовании литийорганических соединений эти помехи удаётся устранить.
При реакции альдегидов с первичными и вторичными аминами происходит образование иминов и енаминов соответственно. В основе обеих реакций лежит присоединение нуклеофильных реагентов по карбонильной группе с последующим отщеплением воды от полученного тетраэдрического интермедиата. Реакция образования иминов требует кислотного катализа и наиболее эффективно протекает в области pH от 3 до 5. Для получения енаминов с удовлетворительным выходом необходимо применять азеотропную отгонку воды, что позволяет сместить равновесие в сторону образования продукта. Обычно в качестве вторичных аминов используют циклические амины (пирролидин, пиперидин или морфолин).
Аналогичным образом альдегиды реагируют с гидроксиламином, гидразином, 2,4-динитрофенилгидразином, семикарбазидом и другими подобными соединениями. Большинство получаемых при этом соединений являются кристаллическими и могут быть использованы для идентификации альдегидов по температуре плавления и другим характеристикам. Также эти соединения находят применение в органическом синтезе, например, гидразоны могут быть восстановлены по реакции Кижнера - Вольфа.
Присоединение к α,β-ненасыщенным альдегидам может протекать с образованием 1,2- и 1,4-продуктов
Присоединение нуклеофильных реагентов к α,β-ненасыщенным альдегидам может протекать как по карбонильной группе, так и по «четвёртому» положению сопряжённой системы. Причина этого заключается в том, что двойная углерод-углеродная связь поляризуется под действием полярной карбонильной группы (мезомерный эффект), и дальний от карбонильной группы атом углерода двойной связи приобретает частичный положительный заряд. Реакция нуклеофила с данным атомом углерода называется сопряжённым присоединением, или 1,4-присоединением. Присоединение к карбонильной группе по аналогии называют 1,2-присоединением. Формальным результатом 1,4-присоединения является присоединение нуклеофила по углерод-углеродной двойной связи. Во многих случаях 1,2- и 1,4-присоединение являются конкурирующими реакциями, однако иногда удаётся проводить селективные реакции с получением продуктов 1,2- либо 1,4-присоединения.
Присоединение первичных и вторичных аминов к α,β-ненасыщенным альдегидам протекает в мягких условиях и приводит к образованию 1,4-продукта. Напротив, в случае циановодорода наблюдается конкурентное образование обоих продуктов с преобладанием продукта 1,2-присоединения. Чтобы в данной реакции исключить возможность 1,2-присоединения, используют специальный реагент - диэтилалюминийцианид (C2H5)2AlCN.
Литийорганические соединения присоединяются исключительно по карбонильной группе, давая аллиловые спирты. Сопряжённое присоединение проводят под действием медьорганических реагентов - диалкилкупратов, которые позволяют ввести в карбонильное соединение не только первичную, но также вторичную или третичную алкильную, алкенильную или арильную группу. Магнийорганические реагенты (реактивы Гриньяра), полученные из магния сверхвысокой чистоты, также присоединяются с образованием 1,2-продуктов, в то время как обыкновенные реактивы Гриньяра, предположительно из-за примесей других металлов (например, меди и железа) вступают и в 1,2-, и в 1,4-присоединение, что регулируется пространственными факторами. В настоящее время магнийорганические реагенты утратили своё значение в данной области.
Благодаря способности образовывать енолят-ионы альдегиды вступают в ряд химических реакций, где эти частицы выступают как нуклеофилы. В частности, для них характерны реакции конденсации. В слабоосновной среде (в присутствии ацетата, карбоната или сульфита калия) подвергаются альдольной конденсации, в ходе которой часть молекул альдегида выступает как карбонильная компонента (реагирует карбонильной группой), а часть молекул альдегида под действием основания превращается в енолят-ионы и выступает как метиленовая компонента (вступает в реакцию α-метиленовым звеном). Образующийся альдоль при нагревании отщепляет воду с образованием α,β-непредельного альдегида (переход от предельного альдегида к непредельному через альдоль называется кротоновой конденсацией или альдольно-кротоновой конденсацией).
При реакции между двумя разными альдегидами образуется смесь четырёх различных альдолей. Исключение составляют случаи, когда разделение реагентов на карбонильную и метиленовую компоненту очевидно (например, один из альдегидов не содержит α-метиленового звена и может выполнять роль только карбонильной компоненты). Разработаны также методы повышения селективности подобных реакций. Перекрёстная конденсация ароматических альдегидов с кетонами, получила название реакции Кляйзена - Шмидта. Известны также схожие реакции альдегидов: реакция Кнёвенагеля, реакция Тищенко, реакция Перкина, бензоиновая конденсация и другиеотщепление.
Ароматические альдегиды также окисляются до карбоновых кислот или сложных эфиров фенолов (реакция Байера - Виллигера) под действием надкислот, причём соотношение продуктов зависит как от заместителей в ароматическом ядре, так и от кислотности среды.
Альдегиды можно восстанавливать до первичных спиртов. Наиболее распространённые методы восстановления включают реакции с комплексными гидридами: боргидридом натрия NaBH4, боргидридом лития LiBH4 и алюмогидридом лития LiAlH4. Боргидрид натрия является более избирательным реагентом и позволяет восстанавливать карбонильную группу альдегидов и кетонов, не затрагивая сложноэфирные, нитрильные, амидные, лактонные и оксирановые группы. Он также не восстанавливает изолированную двойную углерод-углеродную связь. Алюмогидрид лития менее селективен и восстанавливает перечисленные выше функциональные группы, поэтому восстановление альдегидов с его применением возможно только в отсутствие этих групп.
Историческую роль играет реакция Меервейна - Пондорфа - Верлея, в которой в качестве восстановителя используется изопропилат алюминия. В настоящее время этот метод вытеснен более эффективной реакцией восстановления альдегидов и кетонов изопропиловым спиртом в присутствии окиси алюминия.
Алифатические альдегиды обычно не гидрируют на палладиевых катализаторах, но для этих целей можно использовать рутений на угле, никель Ренея или платину.
В аналитической практике используется окисление альдегидов и кетонов йодом в щелочной среде. Йод добавляют в избытке, а затем избыток его оттитровывают тиосульфатом натрия.
Спектральные методы анализа альдегидовов.
ИК-спектроскопические методы анализа альдегидовотщепление
Альдегиды легко идентифицировать по ИК-спектру - он содержит специфические полосы поглощения, относящиеся к валентным колебаниям связи C-H в альдегидной группе: два острых пика, расположенные далеко за пределами области поглощения, характерной для связей C-H обычного типа. Кроме того, в ИК-спектрах альдегидов обычно присутствуют полосы поглощения, обусловленные валентными колебаниями связей С=O и C-H: νС=O=1725-1685 см−1, νС-H=2850; 2750 см−1.
Масс-спектрометрические методы анализа альдегидовотщепление
Масс-спектры альдегидов имеют довольно выраженный молекулярный ион, хотя его содержание может быть довольно низким. Потеря алкильных радикалов приводит к образованию ацил-катионов. Для них особенно характерны α- и β-расщепление и перегруппировка Мак-Лафферти. Для альдегидов с подвижным γ-атомом H и не содержащих заместителя у α-углерода характерен пик m/z=44, а для содержащих заместитель появляется интенсивный пик замещённого иона с m/z=44+12nотщепление.
ЯМР-спектроскопические методы анализа альдегидовотщепление
В 1Н ЯМР-спектре альдегида наиболее характеристичным является сигнал формильного протона, обычно расположенный в наиболее слабом поле в области δ 9,4-10,1 м д. (9,4-9,7 -алифатические, 9,6-10,1 -ароматические)отщепление. Сигнал альдегидной группы в 13C ЯМР-спектре расположен в области 182-215 м д.
УФ-спектроскопические методы анализа альдегидовотщепление
Два максимума поглощения от р до р* (<200 нм) и от n до р* (> 200 нм).
Электронно-спектроскопические методы анализа альдегидовотщепление
Электронные спектры содержат полосы с λмакс 290 нм для RCHO (R=CH3, C2H5, C3H7), 345 нм для акролеина и 327 для кротонового альдегидаотщепление.
Биологическое действие
Токсичны. Способны накапливаться в организме. Кроме общетоксического, обладают раздражающим и нейротоксическим действием. Эффект зависит от молекулярной массы: чем она больше, тем слабее раздражающее, но сильнее наркотическое действие, причём ненасыщенные альдегиды токсичнее насыщенных. Некоторые обладают канцерогенными свойствами.
Альдегиды раздражают слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей, вредно влияют на нервную систему. С увеличением числа атомов углерода в молекуле раздражающее действие ослабевает. Ненасыщенные альдегиды обладают более сильным раздражающим действием, чем насыщенные.
Ацетальдегид СН3СНО вызывает возбуждение, сменяющееся наркозом. Он является промежуточным продуктом метаболизма этилового спирта в организме. Действие тримера этого альдегида - паральдегида (С2Н40)3 - сильнее и продолжительнее, в то время как тетрамер - метальдегид (С2Н40)4 - является более токсичным. Удлинение алкильного радикала в молекуле альдегида приводит к усилению физиологической активности, но вместе с этим возрастает и токсичность.
Введение галогена в молекулу альдегида повышает его наркотическое (снотворное) действие. Так, наркотические свойства хлораля более выражены, чем у ацетальдегида. Альдегидная группа усиливает токсичность вещества, но она может быть значительно снижена путем образования гидратной формы альдегида. Гидратные формы мало токсичны, в такой форме хлораль применяется в медицине под названием хлоралгидрата, проявляющего снотнорное действие. Введение гидроксильных групп в молекулу альдегида или конденсация их с образованием альдолей существенно снижает реакционную способность, а также физиологическую активность соединений. Так, сахара представляют собой фармакологически инертные вещества. Большинство ароматических альдегидов имеет низкую токсичность, так как они легко окисляются до соответствующих кислот, которые обычно довольно инертныотщепление
Из всех альдегидов больше всего производится формальдегида (около 6 млн тонн/год). Он, в основном, используется в производстве смол - бакеллита, галалита (в сочетании с мочевиной, меламином и фенолом), для дубления кож, протравливания зерна. Также из него синтезируют лекарственные средства (уротропин) используют как консервант биологических препаратов (благодаря способности свертывать белок). Он является предшественником метилендифенилдиизоцианата, использующегося в производстве полиуретанов и гексогена (довольно сильной взрывчатки).
Второй по масштабам производства альдегид - масляный альдегид (получают около 2,5 млн тонн/год методом гидроформилирования). Некоторые альдегиды синтезируют только в небольших масштабах (менее 1000 тонн / год) и используют в качестве ингредиентов в парфюмерии и ароматов (в основном альдегиды с числом атомов карбона от 8 до 12)отщепление. Например, это коричный альдегид и его производные - цитраль и лилиаль.
Ацетальдегид используется для синтеза уксусной кислоты, этилового спирта, бутадиена для получения производных пиридина, пентаэритрита и кротонового альдегида, а также при синтезе поливинилацетата и пластмасс.
Альдегиды применяют для синтеза спиртов (бутиловых, 2-этилгексанола, пентаэритрита), карбоновых кислот, полимеров, антиоксидантов, пиридиновых основанийотщепление.
Список литературы:
1. http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/distance/lectures_stud/русский/1%20курс/Медицинская%20химия/06.%20Карбонильные%20соединения.%20Альдегиды%20и%20кетоны%20Карбоновые%20кислоты.Липиды..htm