Теоретическая поддержка темы: Альдегиды, кетоны

Органические соединения, в молекуле которых имеется карбонильная группа >С=O, называются карбонильными соединениями, или оксосоединениями. Карбонильные соединения делятся на две большие группы - альдегиды и кетоны.

Альдегиды содержат в молекуле карбонильную группу, связанную с атомом водорода, т.е. альдегидную группу - СН=O. Кетоны содержат карбонильную группу, связанную с двумя углеводородными радикалами, т.е. кетонную группу.

В зависимости от строения углеводородных радикалов альдегиды и кетоны бывают алифатическими, алициклическими и ароматическими.

Изомерия альдегидов связана только со строением радикалов.

Для альдегидов часто используют тривиальные названия, соответствующие названиям кислот (с тем же числом углеродных атомов), в которые альдегиды переходят при окислении. По систематической номенклатуре названия альдегидов образуют, прибавляя окончание - аль к названию родоначального углеводорода с самой длинной углеродной цепью, включающей карбонильную группу, от которой и начинают нумерацию цепи. Названия ароматических альдегидов производят от родоначальной структуры ряда - бензальдегида С₆Н₅ - СН=О.

Изомерия кетонов связана со строением радикалов и с положением карбонильной группы в углеродной цепи.

Кетоны часто называют по наименованию радикалов, связанных с карбонильной группой, или по систематической номенклатуре: к названию предельного углеводорода добавляют суффикс - он и указывают номер атома углерода, связанного с карбонильным кислородом. Нумерацию начинают с ближайшего к кетонной группе конца цепи.

В молекуле кетона радикалы могут быть одинаковыми или разными. Поэтому кетоны, как и простые эфиры, делятся на симметричные и смешанные.

Способы получения. Исходными соединениями для получения альдегидов и кетонов могут быть углеводороды, галогенопроизводные, спирты или кислоты.

1. Гидратация алкинов. Взаимодействие алкинов с водой происходит в присутствии солей Нg²⁺ и дает ацетальдегид СН₃СНО в случае ацетилена и различные кетоны в случае гомологов ацетилена.

2. Окисление спиртов. При окислении первичных спиртов образуются альдегиды, вторичных - кетоны.

3. Важным промышленным способом получения формальдегида (метаналя) является каталитическое окисление метана кислородом воздуха.

Физические свойства. Оксосоединения не способны образовывать водородные связи, поэтому их температуры кипения значительно ниже, чем соответствующих спиртов. Температуры кипения кетонов обычно бывают несколько выше, чем изомерных им альдегидов.

В обычных условиях только формальдегид является газом. Остальные оксосоединения - жидкости или твердые вещества. Формальдегид Н₂СО имеет резкий неприятный запах. Средние гомологи ряда альдегидов обладают устойчивым характерным запахом (альдегидный запах). Высшие альдегиды (С₇-С₁₆) обладают приятным запахом и широко используются в парфюмерии.

Формальдегид хорошо растворим в воде, его 40%-ный водный раствор называют формалином. Ацеталъдегид (этаналь) СНзСНО также хорошо растворим в воде.

Ацетон (пропанон, или диметилкетон) - бесцветная жидкость, хорошо растворимая в воде, спирте и эфире. Это широко используемый органический растворитель, он хорошо растворяет жиры, смолы и многие другие органические вещества.

Химические свойства. Химические свойства альдегидов и кетонов обусловлены присутствием в их молекуле активной карбонильной группы, в которой двойная связь сильно поляризована в силу большой электроотрицательности кислорода (>С==О).

В результате на карбонильном атоме углерода (карбанион) возникает заметный положительный заряд. Поэтому для альдегидов и кетонов характерны реакции присоединения по двойной связи С=О. Большинство из них протекает как нуклеофильное присоединение.

Кроме реакции присоединения по карбонильной группе, для альдегидов характерны также реакции с участием ? атомов водорода, соседних с карбонильной группой. Их реакционная способность связана с электроноакцепторным влиянием карбонильной группы, которое проявляется в повышенной полярности связи С-Н. Это приводит к тому, что альдегиды, в отличие от кетонов, легко окисляются. Их взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра является качественной реакцией на альдегиды.

Реакции нуклеофильного присоединения. Альдегиды и кетоны, обладая электрофильным центром, способны вступать во взаимодействие с нуклеофильными реагентами. Для оксосоединений наиболее характерны реакции, протекающие по механизму нуклеофильного присоединения обозначаемому А_N (от англ. addition nucleophilic).

1. Реакция с циановодорооной (синильной) кислотой. Реакция имеет важное значение в органической химии. Во-первых, в результате реакции можно удлинить углеродную цепь; во-вторых, продукты реакции - гидроксинитрилы - служат исходными соединениями для синтеза гидроксикарбоновых кислот:

2. Взаимодействие со спиртами. Альдегиды могут взаимодействовать с одной или двумя молекулами спирта, образуя соответственно полуацетали и ацетали.

Полуацеталями называются соединения, содержащие при одном атоме углерода гидроксильную и алкоксильную группы. Ацетали - это соединения, содержащие при одном атоме углерода две алкоксильные группы:

Реакцию получения ацеталей широко используют в органических синтезах для «защиты» активной альдегидной группы от нежелательных реакций:

Особенно важное значение подобные реакции имеют в химии углеводов.

3. Присоединение гидросульфитов служит для выделения альдегидов из смесей с другими веществами и для получения их в чистом виде, поскольку полученное сульфопроизводное очень легко гидролизуется:

4. Присоединение реактива Гриньяра. В органическом синтезе чрезвычайно часто используется реактив Гриньяра - одно из простейших металлоорганических соединений.

При добавлении раствора галогеналкана в диэтиловом эфире к магниевой стружке легко происходит экзотермическая реакция, магний переходит в раствор и образуется реактив Гриньяра:

где R - алкильный или арильный радикал, Х - галоген.

а) Взаимодействием реактива Гриньяра с формальдегидом можно получить практически любой первичный спирт (кроме метанола). Для этого продукт присоединения реактива Гриньяра гидролизуют водой:

б) При использовании любых других алифатических альдегидов могут быть получены вторичные спирты:

в) Взаимодействием реактивов Гриньяра с кетонами получают третичные спирты:

5. Восстановление оксосоединений.

6. Реакции окисления. Альдегиды и кетоны по-разному относятся к действию окислителей. Альдегиды легко (значительно легче, чем спирты) окисляются в соответствующие карбоновые кислоты. Для их окисления можно использовать такие мягкие окислители, как оксид серебра и гидроксид меди (II).

Кетоны к действию окислителей инертны, в частности они не окисляются кислородом воздуха. Кетоны реагируют только с очень сильными окислителями, способными разорвать углерод-углеродные связи в их молекуле.

а) Одной из качественных реакций для обнаружения альдегидной группы является реакция «серебряного зеркала» - окисление альдегидов оксидом серебра.

Оксид серебра всегда готовят непосредственно перед опытом, добавляя к раствору нитрата серебра раствор гидроксида аммония:

В растворе аммиака оксид серебра образует комплексное соединение, при действии которого на альдегид происходит окислительно-восстановительная реакция. Альдегид окисляется в соответствующую кислоту (точнее, в ее аммонийную соль), а комплексный катион восстанавливается до металлического серебра, которое дает блестящий налет на стенках пробирки - «серебряное зеркало»:

б) Другая качественная реакция на альдегиды заключается в окислении их гидроксидом меди (II). При окислении альдегида светло-голубой гидроксид меди (II) превращается в желтый гидроксид меди (I) при комнатной температуре. Если подогреть раствор, то гидроксид меди (I) превращается в оксид меди (I) красного цвета, который плохо растворим в воде и выпадает в осадок:

7. Реакции поликонденсации.

Поликонденсация - это процесс образования высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных, сопровождающийся выделением побочного вещества (воды, аммиака, хлороводорода и др.).

При полимеризации в отличие от поликонденсации выделения побочных веществ не происходит. Продукты поликонденсации (исключая побочные вещества) так же, как и продукты полимеризации, называются полимерами.

В результате поликонденсации фенола с формальдегидом в присутствии катализаторов образуются фенолоформальдегидные смолы, из которых получают пластмассы - фенопласты (бакелиты). Фенопласты - важнейшие заменители цветных и черных металлов во многих отраслях промышленности. Из них изготовляются большое количество изделий широкого потребления, электроизоляционные материалы и строительные детали.

Ацетальдегид, уксусный альдегид, CH₃CHO, органическое соединение, бесцветная жидкость с резким запахом; температура кипения 20,8°C. Температура плавления - 124°С, плотность 783 кг/м³», смешивается во всех отношениях с водой, спиртом, эфиром. Ацетальдегид обладает всеми типичными свойствами альдегидов. В присутствии минеральных кислот он полимеризуется в жидкий тримерный паральдегид (CH₃CHO)₃ и кристаллический тетрамерный метальдегид (CH₃CHO)₄. При нагревании обоих полимеров в присутствии серной кислоты выделяется ацетальдегид.

Один из основных давно известных способов получения Ацетальдегид состоит в присоединении воды к ацетилену в присутствии солей ртути при температуре около 95°C (Кучерова реакция):

Ввиду дороговизны и токсичности ртути разработан другой способ прямой каталитической гидратации ацетилена. Возможен также вариант непрямой гидратации, заключающийся в присоединении к ацетилену спирта в присутствии твёрдого КОН с последующим омылением винилового эфира:

Ацетальдегид производится также из этилового спирта каталитическим отщеплением водорода при ~400 °С. При действии алкоголятов алюминия Ацетальдегид превращается в этилацетат (Тищенко реакция):

метод имеет промышленное значение. Окисление Ацетальдегид кислородом воздуха над катализатором является промышленным методом получения уксусного ангидрида. Ацетальдегид легко вступает в альдольную конденсацию: 2CH₃CHO ® CH₃- CH(OH) - CH₂-CHO.

Ацетальдегид применяют в огромных масштабах в производстве уксусной кислоты, уксусного ангидрида, различных фармацевтических препаратов и др.

Изучение промышленных способов получения альдегидов

Цель урока: закрепить полученные знания об альдегидах, ознакомить учащихся с некоторыми способами получения альдегидов (общими и специфическими), расширить понятие о химическом производстве, показать народнохозяйственное значение альдегидов.

Оборудование и реактивы

На демонстрационном столе: прибор для получения ацетальдегида каталитическим окислением этилена, газометры с этиленом и кислородом, раствор фуксин сернистой кислоты, модель аппарата колонного типа с барботажным устройством, таблица «Схема каталитического окисления этилена», транспарант, кодоскоп.

На столах учащихся: пробирки с этиловым спиртом и фуксинсернистой кислотой, спираль из медной проволоки, спиртовка.

Урок начинаем с самостоятельной: работы учащихся с материалом учебника, в результате которой они знакомятся с применением важнейших альдегидов в народном хозяйстве. Учащимся предлагается ответить на следующие вопросы: где применяется формальдегид (ацетальдегид) На каких свойствах основано его применение? Напишите уравнения соответствующих реакции. По окончании работы в ходе краткой беседы отмечаем области применения формальдегида и ацетальдегида, делаем выводы в их важном народнохозяйственном значении.

Затем учащиеся высказывают предположения о получении важнейших альдегидов в промышленности. Получение альдегидов окислением спиртов является общим способом их получения. Например, формальдегид получают из метанола преимущественно по этому способу.

Изучение современных способов получения альдегидов начинают с выполнения лабораторного опыта «Окисление спирта в альдегид». Образование альдегида определяем по появлению розово-фиолетового окрашивания при добавлении раствора фуксинсернистой кислоты. На примере этой реакции обсуждаем такие вопросы: 1. Почему класс альдегидов получил такое название? 2. Почему спирты окисляются легче предельных углеводородов?

Ацетальдегид получают в промышленности различными способами: гидратацией ацетилена, дегидрированием этанола и каталитическим окислением этилена. Используя транспарант, сравниваем экономические показатели производства ацетальдегида различными способами.

Способ получения ацетальдегида каталитическим окислением этилена наиболее экономичен и поэтому вытесняет другие методы. В ходе беседы выясняют преимущества способа получения ацетальдегида каталитическим окислением этилена и недостатки других способов.

Изучение этого способа получения ацетальдегида проводят на основе демонстрации опыта. Пока идет опыт, объясняют назначение частей прибора, записывают суммарное уравнение реакции

Дают физико-химическую характеристику этой реакции (каталитическая, гомогенная, необратимая, экзотермическая).

Далее ставят перед учащимися вопросы: 1. Как осуществить окисление этилена до ацетальдегида в производственных условиях? 2. Какой реактор можно использовать для проведения этого процесса? Выслушав предложения учащихся по проектированию реактора, кратко объясняем его работу, используя самодельную модель реактора колонного типа с барботажным устройством.



По самодельной таблице в беседе с учащимися, выясняем ход технологического процесса. реактор (7), заполненный нагретым водным раствором катализатора (хлориды палладия и меди), снизу поступает этилен, а немного / выше-кислород. Образовавшаяся смесь газа и жидкости поступает в холодильник (2), а затем разделяется. Раствор катализатора возвращают в реактор, а парогазовая смесь направляется в абсорбционную колонну (3). Обращаемся к учащимся с вопросом: какими свойствами образовавшихся веществ можно воспользоваться для их разделения?

В абсорбере ацетальдегид поглощается водой, а газовая смесь возвращается в реактор.

Методические разработки по теме «Получение альдегидов»

Цель: расширение и углубление знаний учащихся о составе, строении, свойствах и практическом использовании альдегидов.

Задачи:

· Обучающие:

· познакомить учащихся со свойствами, получением и практическим применением альдегидов;

· продолжить формирование умения записывать уравнения химических реакций;

· продолжить формирование практических умений проводить эксперимент;

· Развивающие:

· развивать ОУУН (составление конспекта, систематизация материала, моделирование процесса, выделение главного);

· реализовать элементы программ развития: мотивации, внимания, мышления (прогнозирование продуктов реакции);

· Воспитательные:

· формирование химической культуры;

· продолжить формирование взаимопомощи, доброжелательного отношения друг к другу, умения выслушать других.

Оборудование и реактивы: пробирки, спиртовка, держатель, спички, формальдегид, уксусный альдегид, аммиачный раствор Ag₂O, Cu(OH)₂, уротропин, кальцекс, коллекция фенолформальдегидных пластмасс, уксусный ангидрид, этиловый спирт, альдоль, бутиловый спирт.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент

Постановка цели и задач на данном уроке.
Учитель предлагает ученикам выбрать карточки «настроения», с каким пришли на урок - это улыбающиеся, серьезные или грустные рожицы. Можно использовать цветные геометрические фигуры. Кружок - отличное настроение, квадрат - хорошее, треугольник - плохое.

II. Проверка знаний

Дифференцированный опрос (выполняет весь класс).

1) Какие соединения относятся к альдегидам? Привести общую формулу альдегидов.

2) На основе представления об электронных облаках поясните, каково строение функциональной группы альдегидов и чем отличается от строения функциональных групп спиртов. Назовите виды связей в молекуле уксусного альдегида.

3) Изобразите структурные формулы всех альдегидов, молекулярная формула которых С₅Н₁₀О.

4) Какая характерна реакция, которая идет по -связи в альдегидной группе? Написать уравнение реакции.

5) Проделать реакцию окисления муравьиного альдегида оксидом серебра и записать уравнение реакции.

6) Проделать реакцию окисления уксусного альдегида гидроксидом меди (II) и записать уравнение реакции.

7) Каковы способы получения альдегидов в лаборатории?

8) Каковы промышленные способы получения альдегидов (реакция Кучерова, новый метод из смеси этилена и кислорода)?

9) С какими из перечисленных веществ: Н₂, Cu(OH)₂, H₂O, C₂H₅OH, Ag₂O, Na - будет взаимодействовать С₃Н₆О? Написать уравнения соответствующих реакций.

III. Изучение нового материала

Учащиеся прослушивают сообщения и заполняют таблицу.

Применение	На каком свойстве основано данное применение?

1. Сообщение: Применение муравьиного альдегида.

2. Сообщение: Применение уксусного альдегида.

Учащиеся прочитывают текст учебника и дополняют записи.

3. Проверка записанного материала.

IV. Закрепление

Выполнение теста, который проверяется и оценивается на уроке самими учащимися:

· 6 правильных ответов - оценка 5;

· 5 правильных ответов - оценка 4;

· 3 правильных ответа - оценка 3.

Тест

1) Как называется функциональная группа альдегидов?

а) гидроксильная

б) карбоксильная

в) карбонильная.

2) Сколько - и - связей в молекуле метаналя?

а) 2 - и 2 -

б) 3 - 1-

в) 1- и 3-

3) Для альдегидов характерна изомерия:

а) изомерия кратных связей;

б) изомерия углеводородного радикала;

в) изомерия кратных связей и углеводородного скелета.

4) Что образуется при окислении уксусного альдегида?

а) спирт;

б) уксусная кислота.

5) Какой реакцией получают формальдегидные пластмассы?

а) окисления;

б) полимеризацией.

6) Как действует ацетальдегид на организм:

а) это газ, действующий на сердечно-сосудистую систему, вызывает остановку сердца;

б) это жидкость, вызывающая раздражение слизистых оболочек, головную боль, удушье;

в) это жидкость, действующая на опорно-двигательную систему, вызывая боль в мышцах.

Предложите типы реакций, благодаря которым возможно осуществить данную схему: алканы -> алкены -> спирты -> альдегиды -> карбоновые кислоты.

Подведение итога урока

Определяем, с каким настроением уходим с урока. Поднять карточки настроения.

Тестовые задания по теме: «Альдегиды»

1. Укажите гибридизацию атомов углерода и кислорода в соединении:

sp³ sp³ sp²

CH₃ CH₃ O

| | ||

CH₃ - CH₂ - C ? C - C - CH = C - C - H

sp³ sp³ sp sp | sp² sp² sp²

CH₂ - CH₃

sp³ sp³

2. Известно, что карбонильная группа в альдегидах может быть восстановлена. Укажите реакции в которых - C = O группа восстанавливается при данных условиях:

|

R - C = O + H₂ >

| 250?C

H

+ R - C = O + LiAlH₄ >

| эфир

H

Cu

R - C = O + H₂ >

| 3 ат.

H

R - C = O + NaBH₄ >

| H₂O

H

CuO, Cr₂O₃

+ R - C = O + H₂ >

| 160?C, 100 ат.

H

3. Расположите в порядке возрастания температуры кипения следующие содержание:

1. CH₃ - CH₂ - CH₂ - C = O 3

|

H

2. CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH2 - CH₃ 1

3. CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH₂ - OH 4

4. CH₃ - CH - C = O 5

| |

CH₃ H

5. CH₃ - CH₂ - CH₂ - O - CH₃ 2

5. Известно, что альдегидная группа легко окисляется: - C = O + [O] > - C = O

| |

OH

отметьте правильно написанные реакции:

1) > CH₂(OH) - CH(OH) - CH₂ - C = O

|

OH

2) > CH₂ = CH - CH₂ - C = O

|

OH

6. В промышленности формальдегид получают различными способами. Укажите верные из предложенных:

350?C

+ CO + H₂ >

P, t, 25-40 МПа

Cu/Ag; FexOy

+ CH₃OH + O₂ >

300?C

700?C

C + H₂O >

400-600 ?C

+ CH₄ + O₂ >

NxOy

CO₂ + H₂ >

350 ?C

Литература

1. Зуева М.В. «Обучение учащихся применению знаний по химии: Кн.для учителя» - М: Просвещение, 1987. - 144 с.

2. Зуева М.В. «Развитие учащихся при обучении химии. Пособие для учителей» - М: Просвещение, 1987. - 190 с.

3. Зуева М.В., Иванова Б.В. «Совершенствование организации учебной деятельности школьников на уроках химии». - М.: Просвещение, 1989. - 160 с.

4. Кузнецова Н.Е. «Формирование систем понятий в обучении химии» - М.: Просвещение, 1989.-144 с.

5. Исаев Д.С. «Об организации практикумов исследовательского характера» // Химия в школе. -2001. - №2. - С. 53-55.

6. Кузовая Т.В. «Обобщения знаний об углеводородах» // Химия в школе. - 2001. - №8. - С. 38-39.

7. Цобкало Ж.А., Мычко Д.И. «Развитие исследовательской деятельности учащихся при проведении обобщающего практикума» // Химия в школе. - 2005. - №8.-С. 65-67.

8. «Проблемы содержания и методов обучения химии в средней школе» Под ред. Л.А. Цветкова - М.: Педагогика, 1971.-176 с.

9. «Индивидуальная работа с учащимся по химии. Пособие для учителей вечерней ср. общ. шк»:сост. Т.В. Черемухина. - М.: Просвещение, 1984.-127 с.

10. Морозова Е.Г. Системный подход в развитии мировоззрения учащихся. // Химия в школе. - 2007. - №3. - С. 14-17.

11. Исаев Д.С. «Интеграция в исследовательской работе учащихся» // Химия в школе. - 2006. - №2.-С. 57-59.

12. «Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении химии: Пособие для учителя» - М.: Просвещение, 1984.-175 с.

13. «Внеклассная работа по химии. Пособие для учителя» М.: Просвещение, 1976.-191 с.