Страница 114 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие соединения относят к альдегидам, а какие – к кетонам? Приведите примеры.

Альдегиды и кетоны — это классы органических соединений, содержащих в своей структуре карбонильную группу (карбонил) — атом углерода, соединенный двойной связью с атомом кислорода ($>C=O$). Различие между ними заключается в том, с какими атомами или группами атомов связан карбонильный углерод.

Альдегиды

К альдегидам относят органические соединения, в молекулах которых карбонильная группа связана с атомом водорода и углеводородным радикалом (или с двумя атомами водорода в случае простейшего альдегида — формальдегида).

Общая формула альдегидов: $R-CHO$ или в структурном виде: $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{R}-\text{C}-\text{H} \end{array} $$ где $R$ — это атом водорода ($H$) или углеводородный радикал (например, алкильная группа $CH_3-$, $C_2H_5-$ или арильная группа $C_6H_5-$).

Функциональная группа альдегидов называется альдегидной или формильной группой ($-CHO$). Наличие атома водорода при карбонильной группе определяет высокую реакционную способность альдегидов, в частности, их способность легко окисляться.

Примеры альдегидов:

• Метаналь (формальдегид, муравьиный альдегид): $HCHO$. Простейший альдегид, где радикал $R$ является атомом водорода. $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{H}-\text{C}-\text{H} \end{array} $$
• Этаналь (ацетальдегид, уксусный альдегид): $CH_3CHO$. $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{CH}_3-\text{C}-\text{H} \end{array} $$
• Бензальдегид: $C_6H_5CHO$. Ароматический альдегид. $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{C}_6\text{H}_5-\text{C}-\text{H} \end{array} $$

Ответ: Альдегиды — это органические соединения, содержащие карбонильную группу ($>C=O$), которая связана как минимум с одним атомом водорода. Их общая формула — $R-CHO$.

Кетоны

К кетонам относят органические соединения, в молекулах которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами.

Общая формула кетонов: $R-CO-R'$ или в структурном виде: $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{R}-\text{C}-\text{R'} \end{array} $$ где $R$ и $R'$ — это углеводородные радикалы, которые могут быть одинаковыми или различными. В отличие от альдегидов, в кетонах при карбонильной группе нет атомов водорода.

Функциональная группа кетонов — это карбонильная группа, расположенная внутри углеродной цепи. Ее также называют кетогруппой.

Примеры кетонов:

• Пропанон-2 (ацетон): $CH_3COCH_3$. Простейший представитель кетонов, где оба радикала — метильные. $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{CH}_3-\text{C}-\text{CH}_3 \end{array} $$
• Бутанон-2 (метилэтилкетон): $CH_3COCH_2CH_3$. Радикалы различны: метил и этил. $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{CH}_3-\text{C}-\text{CH}_2\text{CH}_3 \end{array} $$
• Ацетофенон (метилфенилкетон): $C_6H_5COCH_3$. Смешанный, жирно-ароматический кетон. $$ \begin{array}{c} \text{O} \\ \parallel \\ \text{C}_6\text{H}_5-\text{C}-\text{CH}_3 \end{array} $$

Ответ: Кетоны — это органические соединения, содержащие карбонильную группу ($>C=O$), связанную с двумя углеводородными радикалами. Их общая формула — $R-CO-R'$.

2*. На основе представлений об электронных орбиталях поясните, каково строение функциональной группы альдегидов и чем оно отличается от строения функциональной группы спиртов.

Решение

Строение функциональной группы альдегидов (-CHO)

Функциональная группа альдегидов называется карбонильной (или альдегидной) и имеет строение -CHO. Центральным в ней является атом углерода, связанный двойной связью с атомом кислорода и одинарными связями с атомом водорода и углеводородным радикалом (или вторым атомом водорода в формальдегиде).

Атом углерода в карбонильной группе находится в состоянии $sp^2$-гибридизации. Это означает, что одна s- и две p-орбитали атома углерода смешиваются, образуя три гибридные $sp^2$-орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом примерно 120° друг к другу. Оставшаяся одна негибридная p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости.

• Одна $sp^2$-орбиталь углерода перекрывается с $sp^2$-орбиталью атома кислорода, образуя прочную $\sigma$-связь C-O.
• Вторая $sp^2$-орбиталь углерода перекрывается с s-орбиталью атома водорода, образуя $\sigma$-связь C-H.
• Третья $sp^2$-орбиталь углерода образует $\sigma$-связь с углеродным атомом радикала.

Негибридные p-орбитали атомов углерода и кислорода перекрываются сбоку, образуя вторую, менее прочную $\pi$-связь. Таким образом, двойная связь C=O состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи. Атом кислорода также находится в $sp^2$-гибридизации: одна гибридная орбиталь участвует в $\sigma$-связи, две другие содержат неподеленные электронные пары, а негибридная p-орбиталь образует $\pi$-связь. Вся альдегидная группа C(H)=O является плоской (планарной).

Из-за большей электроотрицательности кислорода по сравнению с углеродом двойная связь C=O сильно поляризована. Электронная плотность смещена к атому кислорода, на котором возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атоме углерода — частичный положительный заряд ($\delta+$).

Строение функциональной группы спиртов (-OH)

Функциональная группа спиртов — гидроксильная группа (-OH), связанная с насыщенным атомом углерода. В отличие от альдегидов, ключевым гетероатомом здесь является кислород.

Атом кислорода в гидроксильной группе находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Четыре гибридные $sp^3$-орбитали направлены к вершинам тетраэдра.

• Одна $sp^3$-орбиталь кислорода перекрывается с $sp^3$-орбиталью атома углерода, образуя $\sigma$-связь C-O.
• Вторая $sp^3$-орбиталь кислорода перекрывается с s-орбиталью атома водорода, образуя $\sigma$-связь O-H.
• Две оставшиеся $sp^3$-орбитали заняты неподеленными электронными парами.

Из-за наличия двух неподеленных пар электронов, которые отталкиваются от связывающих пар, геометрия группы не является линейной. Молекулярный фрагмент C-O-H имеет угловое (изогнутое) строение. Валентный угол C-O-H близок к тетраэдрическому и составляет примерно 109° (например, 108.9° в метаноле). В функциональной группе спиртов присутствуют только одинарные $\sigma$-связи.

Отличия в строении функциональных групп альдегидов и спиртов

На основе представлений об электронных орбиталях можно выделить следующие ключевые отличия:

1. Гибридизация и геометрия: Атом углерода в альдегидной группе находится в $sp^2$-гибридизации, что обуславливает ее плоское тригональное строение с углами около 120°. Атом кислорода в гидроксильной группе спиртов находится в $sp^3$-гибридизации, что приводит к угловому (неплоскому) строению фрагмента C-O-H с валентным углом около 109°.

2. Тип химических связей: Альдегидная группа содержит двойную связь C=O, которая включает одну $\sigma$- и одну $\pi$-связь. Наличие $\pi$-связи является фундаментальным отличием. Функциональная группа спиртов содержит только одинарные $\sigma$-связи (C-O и O-H).

3. Электронное строение: Наличие подвижной $\pi$-электронной системы и сильная поляризация связи C=O делают альдегидную группу высокореакционной, в частности, склонной к реакциям нуклеофильного присоединения по атому углерода. В спиртах реакционными центрами являются полярная связь O-H (проявляет кислотные свойства) и неподеленные пары электронов на атоме кислорода (проявляет основные и нуклеофильные свойства).

Ответ: Функциональная группа альдегидов (-CHO) имеет плоское строение, обусловленное $sp^2$-гибридизацией атома углерода, который связан с атомом кислорода двойной связью (одна $\sigma$- и одна $\pi$-связь). Функциональная группа спиртов (-OH), напротив, имеет угловое строение, так как атом кислорода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и образует только одинарные $\sigma$-связи. Таким образом, их строение кардинально отличается типом гибридизации ключевого атома (углерода в альдегидах и кислорода в спиртах), наличием кратной ($\pi$-) связи и, как следствие, геометрией и распределением электронной плотности.

3. Приведите названия веществ, имеющих следующие структурные формулы:

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-C(=O)H$

$CH_3-C(CH_3)_2-CH_2-C(=O)H$

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-C(O)H$

Для определения названия данного органического соединения по номенклатуре ИЮПАК необходимо выполнить следующие шаги:

1. Найти главную функциональную группу. В данной молекуле это альдегидная группа $-C(O)H$. Наличие этой группы определяет класс соединения (альдегиды) и суффикс в названии "-аль".
2. Выбрать самую длинную углеродную цепь, включающую атом углерода функциональной группы. В данном случае это цепь из 5 атомов углерода.
3. Пронумеровать атомы углерода главной цепи, начиная с атома углерода альдегидной группы. Он всегда получает номер 1.
   $ \overset{5}{C}H_3-\overset{4}{C}H(\overset{}{C}H_3)-\overset{3}{C}H_2-\overset{2}{C}H_2-\overset{1}{C}(=O)H $
4. Назвать главную цепь. Основа названия для 5 атомов углерода – "пентан". С учетом альдегидной группы получаем "пентаналь".
5. Определить заместители, их положение и название. У четвертого атома углерода ($C_4$) находится один заместитель – метильная группа ($-CH_3$).
6. Собрать полное название вещества, указав номер и название заместителя перед названием главной цепи.

Таким образом, название вещества: 4-метилпентаналь.

Ответ: 4-метилпентаналь.

$CH_3-C(CH_3)_2-CH_2-C(O)H$

Название данного соединения определяется аналогично:

1. Главная функциональная группа – альдегидная ($-C(O)H$), суффикс в названии "-аль".
2. Самая длинная углеродная цепь, содержащая атом углерода альдегидной группы, состоит из 4 атомов углерода.
3. Нумерация атомов углерода главной цепи начинается с альдегидной группы (атом $C_1$).
   $ \overset{4}{C}H_3-\overset{3}{C}(\overset{}{C}H_3)_2-\overset{2}{C}H_2-\overset{1}{C}(=O)H $
4. Название главной цепи. Основа для 4 атомов углерода – "бутан". С учетом альдегидной группы – "бутаналь".
5. Определение заместителей. У третьего атома углерода ($C_3$) находятся два одинаковых заместителя – две метильные группы ($-CH_3$). Для обозначения двух одинаковых групп используется приставка "ди-".
6. Сборка полного названия. Необходимо указать положение каждого заместителя. Так как обе метильные группы находятся у третьего атома, их положение указывается как "3,3-".

Таким образом, полное название вещества: 3,3-диметилбутаналь.

Ответ: 3,3-диметилбутаналь.

4. Изобразите структурные формулы всех альдегидов, молекулярная формула которых $C_5H_{10}O$, и назовите их.

Решение

Альдегиды с молекулярной формулой $C_5H_{10}O$ являются изомерами. Общая формула насыщенных ациклических альдегидов — $C_nH_{2n}O$, что соответствует данной формуле при $n=5$. Это означает, что углеводородный радикал, связанный с альдегидной группой, является насыщенным и не содержит циклов. Изомеры будут отличаться строением углеродного скелета. Альдегидная группа -CHO всегда находится на конце углеродной цепи, и нумерация атомов углерода в цепи начинается с неё.

Для определения всех возможных изомеров рассмотрим различные варианты построения углеродного скелета из 5 атомов углерода.

1. Пентаналь (валериановый альдегид)

Этот альдегид имеет неразветвленную углеродную цепь из пяти атомов углерода.

Структурная формула: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CHO

2. 2-Метилбутаналь

Основная углеродная цепь состоит из четырех атомов углерода (бутаналь). Метильная группа (–CH₃) находится у второго атома углерода.

Структурная формула: CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CHO

3. 3-Метилбутаналь (изовалериановый альдегид)

Основная углеродная цепь также состоит из четырех атомов углерода (бутаналь), но метильная группа (–CH₃) находится у третьего атома углерода.

Структурная формула: (CH₃)₂CH–CH₂–CHO

4. 2,2-Диметилпропаналь (триметилуксусный альдегид, пивалиновый альдегид)

Основная углеродная цепь состоит из трех атомов углерода (пропаналь). Две метильные группы (–CH₃) находятся у второго атома углерода.

Структурная формула: (CH₃)₃C–CHO

Ответ:

Существует 4 структурных изомера альдегидов с молекулярной формулой $C_5H_{10}O$. Их структурные формулы и названия:

Пентаналь:CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CHO

2-Метилбутаналь:CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CHO

3-Метилбутаналь:(CH₃)₂CH–CH₂–CHO

2,2-Диметилпропаналь:(CH₃)₃C–CHO