Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

Любой представитель класса органических соединений, в котором углерод имеет двойную связь с кислородом, одинарную с водородом или другим атомом, обозначающимся R в структурных схемах, называется альдегидом. Многие из этих веществ имеют приятные запахи, и, в принципе, их получают довольно просто — из спиртов путём дегидрирования для того, чтобы использовать в различных промышленных целях.

Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

Полезно знать

Почти все альдегидные группы одного или разного гомологического ряда подвергаются широкому многообразию химических реакций, включая полимеризацию. Их сочетание с другими типами молекул приводят к образованию так называемых конденсационных полимеров, которые используются в пластмассах, например, бакелит, в материалах, которыми ламинируют столешницы. Они применяются как растворители и парфюмерные ингредиенты, а также являются промежуточными продуктами при производстве красителей и фармацевтических препаратов. Некоторые даже участвуют в физиологических процессах, являясь частью:

  • витамина А — важный для человеческого зрения;
  • пиридоксальфосфат — одна из форм витамина В6;
  • глюкозы и других редуцированных сахаров;
  • некоторых природных и синтетических гормонов.

Когда кислород образует двойную связь с углеродом, получается карбонильная функциональная группа (КГ) — СНО. Такое сочетание даёт широкий спектр функциональных возможностей.

Структура и номенклатура

Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

В формальдегиде, простейшем альдегиде, молекула связана с двумя атомами водорода, а во всех других с одной. Его формула — HCHO, а, например, ацетальдегид выглядит как CH3CHO. Углерод, связанный с КГ, может быть частью алкильных или неалкильных групп, или они могут быть ациклическими, ароматическими или гетероциклическими кольцами. Органические соединения с двумя альдегидными группами — диальдегиды. Существует два основных способа именования альдегидов. Первый — основан на системе, используемой Международным союзом теоретической и прикладной химии, и его часто называют систематической номенклатурой. Этот метод предполагает самую длинную цепь атомов углерода, которая содержит карбонильную группу в качестве исходного алкана. При этом не принято использовать числовое определение КГ, поскольку она всегда находится в конце родительской цепи. Например, название может быть 2-метилбутаналь, или изомасляный альдегид будет указан как 2-метилпропаналь.

Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

Другой метод — общая номенклатура. Он состоит в том, чтобы называть соединения по общему наименованию соответствующей карбоновой кислоты. То есть структура та же, что и у альдегида, только вместо CHO появляется COOH, как у уксусной кислоты — CH3COOH или C2H4O2. Пример использования методов на общем имени CH2=CHCHO:

  • по нормам Международного союза соединение будет называться — 2-пропеналь;
  • по общей номенклатуре — акролеин (название происходит от акриловой кислоты, родительской карбоновой группы).

К альдегидам относят, например, формальдегид — СН2О (метаналь, муравьиный альдегид), ацетальдегид — C2H4O (этаналь, уксусный альдегид), пропионовый альдегид (пропаналь), бутиральдегид (бутаналь), пентаналь или валериановый альдегид и другие.

Отличительные свойства

Единственное структурное различие между углеводородами и альдегидами заключается в наличии у последней КГ, которая и несёт ответственность за различие в свойствах, как физических, так и химических. Карбонильная группа изначально полярна, то есть электроны, составляющие связь C=O, притягиваются ближе к кислороду, чем к углероду. Это даёт первому частичный отрицательный заряд, а второму — положительный. Важные физические свойства:

Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

  • Температуры плавления и кипения карбонилсодержащих соединений значительно выше, чем у тех, что состоят только из углерода и водорода. Например, бутан (CH3CH2CH2CH3), пропаналь (CH3CH2CHO) и ацетон (CH3COCH3) имеют одинаковую молекулярную массу, но углеводородный бутан закипает уже при 0 градусов Цельсия, тогда как ацетон только при +56. Ацетальдегид кипит при комнатной температуре, валериановый — при +100,4 градусах Цельсия, а изовалериановый — при +92,5. Другие альдегиды, за исключением высокомолекулярных, в обычных условиях представляют собой жидкости.
  • Углеводороды нерастворимы в воде, потому что водные молекулы полярны. Однако альдегиды с менее чем примерно пятью атомами углерода могут растворяться, но углеводородная часть их молекул выше этого числа делает их нерастворимыми.
  • Альдегиды имеют высокий дипольный момент относительно других углеводородных соединений. Следует отметить, что есть ещё соединения с похожим составом — CnH2nO. Они также содержат карбонильную группу, связанную с двумя радикалами углеводорода, и имеют характерную изомерию — кетоны. Химические свойства кетонов несколько отличаются от альдегидных, это можно наглядно увидеть, если составить сравнительную таблицу.

    Промышленное производство

    Поскольку эти вещества являются важными строительными блоками в органической химии, они используются для синтеза многих других соединений, поэтому есть много способов их получения.

    Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

  • Окисление. Один из основных методов. Первичные спирты могут быть окислены до альдегидов (RCH2OH до RCHO, где R — алкильная или арильная группа). Это обычно нелегко сделать, потому что большинство реагентов будут дополнительно окислять альдегид до карбоновой кислоты. Поэтому для производства в промышленных масштабах первичный спирт пропускают через горячий катализатор — гидроксид меди, а иногда через аммиачный раствор оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»). Однако этот способ не подходит для небольших лабораторий, для таких объёмов выгоднее использовать другой реактив — хлорхромат пиридиния. Например, путём окисления метанола получают муравьиную кислоту — CH2O2.
  • Метод восстановления карбоновых кислот до альдегидов в один этап был бы полезен, но не было разработано никакого общего способа достижения этой цели. Однако ацилхлориды восстанавливаются несколькими реагентами.
  • Формильную группу (-CHO) можно поместить в ароматическое кольцо несколькими способами (ArH до ArCHO). Самый распространённый называется реакция Реймера-Тимана: фенолы превращаются в фенольные альдегиды путём обработки хлороформом в основном растворе.
  • Ацетилен, который представляет собой алкин, реагирует с водой в присутствии солей ртути с образованием ацетальдегида.
  • В процессе, называемом гидроформилированием, алкены могут быть обработаны монооксидом углерода (CO), водородом (H2) и катализатором на основе переходного металла. Катализация проводится чаще всего кобальтом (Co), родием (Rh) или рутением (Ru), с получением альдегидов. Например, использование такого метода даёт смесь бутаналя и 2-метилпропаналя.
  • Гидроформилирование является более важным методом для коммерческого применения, где он известен как оксопроцесс, чем для лабораторных синтезов. Оксоальдегиды сами по себе не имеют большого значения в качестве конечных продуктов. Обычно они восстанавливаются до спиртов или окисляются до карбоновых кислот. Оксоспирты используются как сырьё для синтеза моющих средств и текстильных волокон. Оксокарбоновые кислоты превращаются в сложные эфиры и применяются как промышленные или лабораторные растворители.

    Где и как используются альдегиды

    Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

    Сотни отдельных альдегидных соединений ежедневно используются химиками для синтеза других веществ, но они менее важны в промышленном производстве, то есть в масштабе тонн. Только формальдегид широко используется во всём мире, что определяется общим объёмом используемого химического вещества в год. Получают его путём окисления метанола. В итоге соединение представляет собой газ, но обычно его применяют в виде 37% водного раствора, называемого формалином. Используют его для дубления, консервации и бальзамирования, а также как бактерицидное, фунгицидное и инсектицидного средства для обработки растений. Но наибольшее его применение относится к производству некоторых полимерных материалов. Например, синтетическая смола бакелит образуется во время реакции между формальдегидом и фенолом. Это не просто линейная цепочка, а целая трёхмерная структура. Такие полимеры используются не только как пластмассы, но и чаще всего из них делают клей и различные покрытия. Например, фанера состоит из тонких слоёв дерева, склеенных одним из таких соединений.

    Другие альдегиды промышленного значения в основном используют в качестве растворителей, отдушек, ароматизаторов. Они также являются промежуточными продуктами при изготовлении пластмасс, красителей и фармацевтических препаратов. Это паральдегид, гексаналь, гексилкоричный и ортофталевый альдегиды.

    Некоторые альдегидные соединения встречаются в природе. Среди них:

    • бензальдегид — обеспечивает запах и вкус миндального ореха;
    • коричный альдегид, или масло корицы;
    • ванилин — основной ароматизатор ванильных бобов.

    Кроме того, некоторые альдегиды вовлечены в биологическую жизнь людей и других живых организмов. Примерами таких соединений являются:

    Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

  • Углеводы, включая сахара, крахмал и целлюлозу, которые основаны на соединениях, обладающих альдегидной или кетонной группой наряду с гидроксильной.
  • Стероидные гормоны, многие из которых, в том числе прогестерон, тестостерон, кортизон и альдостерон, являются кетонами.
  • Ретиналь альдегид, который после объединения с белком в сетчатке глаза, образующего родопсин, является основным соединением, участвующим в процессе зрения.
  • Альдегиды с высокой молекулярной массой, например, бензальдегид, фенилацетальдегид (фенилуксусный альдегид) имеют приятный запах и содержатся в эфирных маслах некоторых растений. Поэтому такие соединения часто используются для производства парфюмерии. Духи с их использованием могут быть цветочными, фруктовыми или цитрусовыми.

    Воздействие на человека

    Очевидно, что не все альдегидные соединения являются безопасными. Например, ацетальдегид — его молекулы всегда в низких концентрациях циркулируют в человеческой крови. Это вещество — канцероген и может нанести вред организму, а его продолжительное воздействие способно привести к раку и другим тяжёлым системным заболеваниям. Нужно сказать, что ацетальдегид вырабатывается в теле человека в ходе физиологических процессов, но здоровая печень в силах расщепить это вещество до безопасных соединений. Недостаток ацетальдегиддегидрогеназы (специального фермента) приводит к накоплению альдегидов и увеличивает риск развития онкопатологий пищеварительной системы. Внешние источники ацетальдегида:

    Альдегиды — получение и применение, физические и химические свойства

  • Алкоголь. Употребление даже качественных алкогольных напитков резко повышает концентрацию токсичного соединения в крови до очень высоких уровней в течение короткого периода времени (2−4 часа). Этанол быстро превращается в ацетальдегид.
  • Сигаретный дым. В процессе горения табака образуется альдегид, вдыхаемый человеком, при этом риску подвержены не только сами курильщики, но также люди, которые находятся рядом.
  • Загрязнённый воздух. В помещениях источником альдегидов могут стать строительные материалы, напольные покрытия, краски и обработанная древесина. Выхлопные газы от транспортных средств, работа электростанций и заводов, сжигание мусора — основные причины появления токсичных соединений на открытых пространствах.
  • Еда. Ферментированные продукты питания и напитки, молочные продукты, чай, кофе, хлеб, спелые фрукты содержат различные уровни ацетальдегида. Употребление большого количества рафинированного сахара приводит к увеличению содержания альдегидов в крови.
  • Длительное воздействие ацетальдегида на организм человека увеличивает риск развития таких патологий, как цирроз печени, рак желудка и пищевода, остеопороз и болезнь Альцгеймера.

    Беликова Ирина

    Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

    Оцените автора
    Добавить комментарий