Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Химически альдегид / æ л д ɪ ч д / представляет собой соединение , содержащее функциональную группу со структурой -CHO, состоящую из карбонильного центра (углерод двойной связи с кислородом) с атомом углерода , также связанно с водородом и чтобы любой общий алкил или боковой цепи R группы ,. [1] Сама функциональная группа (то есть без боковой цепи "R") известна как альдегидная или формильная группа .

Альдегиды, которые обычно образуются при удалении водорода из спирта, широко используются в органической химии ; наиболее известен формальдегид . Поскольку они часто обладают сильным запахом, многие ароматы содержат или содержат альдегиды.

Структура и связь [ править ]

Альдегиды имеют sp 2 -гибридизированный плоский углеродный центр, который связан двойной связью с кислородом и одинарной связью с водородом. Связь C – H обычно не является кислой. Из-за резонансной стабилизации сопряженного основания α-водород в альдегиде (не показан на рисунке выше) намного более кислый , с p K a около 17, по сравнению с кислотностью типичного алкана (p K a около 50). [2] Это подкисление объясняется (i) электроноакцепторными свойствами формильного центра и (ii) тем фактом, что конъюгат основания, енолятанион, делокализует свой отрицательный заряд. Относительно (i) альдегидная группа в некоторой степени полярна . Сам формильный протон нелегко подвергается депротонированию. Анионные частицы, формально полученные в результате депротонирования протона альдегида, известные как ацильный анион, очень нестабильны и должны храниться при низких температурах. Фактически, за исключением некоторых затрудненных диалкилформамидов, синтез ацильных анионов прямым депротонированием не является возможным путем, поскольку депротонированные частицы почти сразу же добавляются к высокореакционноспособному карбонилу исходного материала с образованием ацилоинового соединения. По этой причине кислотность формильного протона трудно измерить. В случае HCON i Pr 2Кислотность формильной группы оказалась очень близкой к кислотности диизопропиламина (p K a ~ 36). [3] Было установлено, что кислотность альдегида в газовой фазе составляет 1640 кДж / моль (393 ккал / моль), что делает его более кислым, чем водород (1700 кДж / моль, 400 ккал / моль) и аммиак (1680 кДж / моль, 402 ккал / моль), но менее кислый, чем вода (1600 кДж / моль, 390 ккал / моль) в газовой фазе. [4]

Альдегиды (кроме тех, которые не содержат альфа-углерода или протонов на альфа-углероде, таких как формальдегид и бензальдегид) могут существовать либо в кето, либо в еноловом таутомере . Кето-енольная таутомерия катализируется кислотой или основанием. Обычно енол является таутомером меньшинства, но он более реакционноспособен.

При уровне около 360 кДж / моль (85 ккал / моль) формильная связь C – H слабее, чем типичная связь между водородом и sp 2 -гибридизированным углеродом. Таким образом, альдегиды склонны к отщеплению атомов водорода в присутствии свободных радикалов, что объясняет легкость, с которой альдегиды подвергаются автоокислению .

Номенклатура [ править ]

Названия альдегидов ИЮПАК [ править ]

Распространенные названия альдегидов не строго соответствуют официальным рекомендациям, например, рекомендованным IUPAC , но эти правила полезны. ИЮПАК предписывает следующую номенклатуру альдегидов: [5] [6] [7]

  1. Ациклические алифатические альдегиды называются производными самой длинной углеродной цепи, содержащей альдегидную группу. Таким образом, HCHO назван как производное метана, а CH 3 CH 2 CH 2 CHO назван как производное бутана . Название образовано путем изменения суффикса -e исходного алкана на -al , так что HCHO называется метанал , а CH 3 CH 2 CH 2 CHO называется бутаналом .
  2. В других случаях, например, когда группа -CHO присоединена к кольцу, можно использовать суффикс -карбальдегид . Таким образом, C 6 H 11 CHO известен как циклогексанкарбальдегид . Если присутствие другой функциональной группы требует использования суффикса, альдегидная группа именуется с префиксом формил- . Этот префикс предпочтительнее метаноил- .
  3. Если соединение представляет собой природный продукт или карбоновую кислоту , можно использовать префикс оксо- для обозначения того, какой атом углерода является частью альдегидной группы; например, CHOCH 2 COOH называется 3-оксопропановой кислотой .
  4. Если замена альдегидной группы карбоксильной группой (-COOH) приведет к получению карбоновой кислоты с тривиальным названием, альдегид может быть назван путем замены суффикса -иновой кислоты или -ойной кислоты в этом тривиальном названии -альдегидом .

Этимология [ править ]

Структура альдегида

Слово альдегид был придуман Либей как сокращение латинского аль cohol dehyd rogenatus (дегидрированию спирта). [8] [9] В прошлом альдегиды иногда назывались в честь соответствующих спиртов , например, винный альдегид для ацетальдегида . ( Vinous происходит от латинского vinum «вино», традиционного источника этанола , родственного винилу .)

Термин формильная группа происходит от латинского слова formica «муравей». Это слово можно распознать в простейшем альдегиде, формальдегиде (структура показана вверху статьи), и в простейшей карбоновой кислоте, муравьиной кислоте (структура показана справа).

Физические свойства и характеристики [ править ]

Альдегиды обладают разнообразными свойствами, которые зависят от остальной части молекулы. Более мелкие альдегиды лучше растворяются в воде, формальдегид и ацетальдегид полностью растворяются . Летучие альдегиды имеют резкий запах.

Альдегиды, особенно арилальдегиды, разлагаются на воздухе в процессе автоокисления . Образуется ацилгидропероксид, который пропорционален исходному материалу с образованием двух эквивалентов карбоновой кислоты. Старые бутылки с жидким бензальдегидом часто накапливают твердую корку на крышке бутылки или даже суспендируют в основной жидкости. Этот материал представляет собой бензойную кислоту, которую можно удалить с помощью основной промывки с последующей дистилляцией. [ необходима цитата ]

Два альдегида, имеющих наибольшее значение в промышленности, формальдегид и ацетальдегид, имеют сложное поведение из-за их тенденции к олигомеризации или полимеризации. Формальдегид, в частности, продается как полимерный параформальдегид ((C2H5O) n , обычно n = от 50 до 100), а также тример 1,3,5-триоксан (метаформальдегид). Помимо мономера с низкой температурой кипения (точка кипения 21 ° C), ацетальдегид доступен в виде тримерного паральдегида (седативное и противосудорожное средство ) и тетрамерного метальдегида (слизняк и яд улитки).). Как правило, высшие алифатические альдегиды будут накапливать значительное количество олигомера (в основном тример) при длительном хранении, и их необходимо подвергать свежей перегонке, когда реакция требует мономерного исходного материала. Они также имеют тенденцию гидратироваться, образуя геминальный диол . Формальдегид часто продается в виде водного раствора формалина, который в основном представляет собой 1,1-метандиол, с добавлением небольшого количества метанола в качестве стабилизатора. Олигомеры / полимеры и гидраты находятся в равновесии с исходным альдегидом, и для некоторых методов синтеза они могут служить заменителями безводного мономера.

Альдегиды легко идентифицируются спектроскопическими методами. Используя ИК-спектроскопию , они показывают сильную полосу ν CO около 1700 см -1 . В их спектрах 1 H ЯМР водородный центр формила поглощает около δ H от  9,5 до 10, что является отличительной частью спектра. Этот сигнал показывает характерную связь с любыми протонами на α-углероде с небольшой константой связи, обычно менее 3,0 Гц. 13 С ЯМР - спектры альдегидов и кетонов дает подавлено (слабый) , но характерный сигнал при & delta ; C  190 до 205.

Заявления и случаи [ править ]

Важные альдегиды и родственные соединения. Альдегидная группа (или формильная группа ) окрашена в красном цвете. Слева: (1) формальдегид и (2) его тример 1,3,5-триоксан , (3) ацетальдегид и (4) его енолвиниловый спирт , (5) глюкоза (форма пиранозы в виде α- D- глюкопиранозы), (6) ароматизирующий коричный альдегид , (7) зрительный пигмент сетчатки и (8) витамин пиридоксаль .

Встречающиеся в природе альдегиды [ править ]

Следы многих альдегидов содержатся в эфирных маслах и часто способствуют их благоприятному запаху, например, коричный альдегид , кинза и ванилин . Возможно, из-за высокой реакционной способности формильной группы альдегиды не распространены в некоторых природных строительных элементах: аминокислотах, нуклеиновых кислотах, липидах. Однако большинство сахаров являются производными альдегидов. Эти альдозы существуют в виде полуацеталей , своего рода замаскированной формы исходного альдегида. Например, в водном растворе только крошечная фракция глюкозы существует в виде альдегида.

Синтез [ править ]

Существует несколько методов получения альдегидов [10], но преобладающей технологией является гидроформилирование . [11] Показательным является образование масляного альдегида гидроформилированием пропена :

Н 2 + СО + СН 3 СН = СН 2 → СН 3 СН 2 СН 2 СНО

Окислительные пути [ править ]

Альдегиды обычно образуются при окислении спирта . В промышленности формальдегид в больших количествах получают путем окисления метанола. [12] Кислород - предпочтительный реагент, поскольку он «зеленый» и дешевый. В лаборатории используются более специализированные окислители , но популярны реагенты на основе хрома (VI). Окисление может быть достигнуто нагреванием спирта с подкисленным раствором дихромата калия . В этом случае избыток дихромата будет дополнительно окислять альдегид до карбоновой кислоты , поэтому либо альдегид отгоняется по мере его образования (если он летучий ), либо используются более мягкие реагенты, такие как PCC . [13]

[O] + CH 3 (CH 2 ) 9 OH → CH 3 (CH 2 ) 8 CHO + H 2 O

Окисление первичных спиртов с образованием альдегидов может быть достигнуто в более мягких условиях без содержания хрома с использованием таких методов или реагентов, как кислота IBX , периодинан Десса-Мартина , окисление Сверна , TEMPO или окисление Оппенауэра .

Другой способ окисления, имеющий важное значение в промышленности, - это процесс Ваккера , при котором этилен окисляется до ацетальдегида в присутствии медных и палладиевых катализаторов (ацетальдегид также производится в больших масштабах путем гидратации ацетилена).

В лабораторных условиях α-гидроксикислоты используются в качестве предшественников для получения альдегидов путем окислительного расщепления . [14] [15]

Специальные методы [ править ]

Общие реакции [ править ]

Альдегиды обладают высокой реакционной способностью и участвуют во многих реакциях. [10] С промышленной точки зрения важными реакциями являются (а) конденсация, например, для получения пластификаторов и полиолов , и (б) восстановление с образованием спиртов, особенно «оксоспиртов». С биологической точки зрения ключевые реакции включают присоединение нуклеофилов к формильному углероду в образовании иминов (окислительное дезаминирование) и полуацеталей (структуры альдозных сахаров). [10]

Сокращение [ править ]

Формильная группа может быть легко восстановлена ​​до первичного спирта (-CH 2 OH). Обычно это преобразование осуществляется путем каталитического гидрирования либо напрямую, либо путем гидрогенизации с переносом . Также популярны стехиометрические восстановления, которые можно осуществить с помощью боргидрида натрия .

Окисление [ править ]

Формильная группа легко окисляется до соответствующей карбоксильной группы (-COOH). В промышленности предпочтительным окислителем является кислород или воздух. В лаборатории популярные окислители включают перманганат калия , азотную кислоту , оксид хрома (VI) и хромовую кислоту . Комбинация диоксида марганца , цианида , уксусной кислоты и метанола превратит альдегид в метиловый эфир . [19]

Другая реакция окисления лежит в основе теста серебряного зеркала . В этом тесте альдегид обрабатывают реактивом Толленса , который готовят путем добавления капли раствора гидроксида натрия в раствор нитрата серебра, чтобы получить осадок оксида серебра (I), а затем добавления разбавленного раствора аммиака, достаточного для повторного растворения осаждают в водном растворе аммиака с образованием комплекса [Ag (NH 3 ) 2 ] + . Этот реагент превращает альдегиды в карбоновые кислоты, не разрушая двойные связи углерод-углерод. Название теста серебро-зеркало возникает из-за того, что в результате этой реакции образуется осадок серебра, присутствие которого можно использовать для проверки наличия альдегида.

Дальнейшая реакция окисления включает в себя реагент Фелинга в качестве теста. Комплексные ионы Cu 2+ восстанавливаются до осадка Cu 2 O красного кирпича .

Если альдегид не может образовывать енолят (например, бензальдегид ), добавление сильного основания вызывает реакцию Канниццаро . Эта реакция приводит к диспропорционированию с образованием смеси спирта и карбоновой кислоты.

Реакции нуклеофильного присоединения [ править ]

Нуклеофилы легко присоединяются к карбонильной группе. В продукте карбонильный углерод становится sp 3 -гибридизованным, связываясь с нуклеофилом, и кислородный центр становится протонированным:

RCHO + Nu - → RCH (Nu) O -
RCH (Nu) O - + H + → RCH (Nu) OH

Во многих случаях молекула воды удаляется после добавления; в этом случае реакция классифицируется как реакция присоединения - отщепления или присоединения - конденсации . Есть много вариантов реакций нуклеофильного присоединения.

Нуклеофилы кислорода [ править ]

В реакции ацетализации в кислых или основных условиях спирт присоединяется к карбонильной группе, и протон переносится с образованием полуацеталя . В кислых условиях полуацеталь и спирт могут далее реагировать с образованием ацеталя и воды. Простые полуацетали обычно нестабильны, хотя циклические, такие как глюкоза, могут быть стабильными. Ацетали стабильны, но превращаются в альдегид в присутствии кислоты. Альдегиды могут реагировать с водой с образованием гидратов R-CH (OH) 2 . Эти диолы стабильны, когда сильные электроноакцепторные группыприсутствуют, как и в хлоралгидрате . Механизм образования идентичен образованию полуацеталя.

Нуклеофилы азота [ править ]

При алкилимино-дезоксо-бис-замещении первичный или вторичный амин присоединяется к карбонильной группе, и протон переносится от азота к атому кислорода с образованием карбиноламина . В случае первичного амина молекула воды может быть удалена из промежуточного карбиноламина с образованием имина или его тримера, гексагидротриазина. Эта реакция катализируется кислотой. Гидроксиламин (NH 2 OH) также может присоединяться к карбонильной группе. После удаления воды образуется оксим . Производное аммиака в форме H 2 NNR 2, такое как гидразин (H2 NNH 2 ) или 2,4-динитрофенилгидразин также может быть нуклеофилом и после удаления воды, что приводит к образованию гидразона , который обычно представляет собой оранжевые кристаллические твердые вещества. Эта реакция лежит в основе теста на альдегиды и кетоны . [20]

Нуклеофилы углерода [ править ]

Циано группы в HCN может добавить к карбонильной группе с образованием циангидринов , R-CH (OH) CN. В этой реакции ион CN - является нуклеофилом, который атакует частично положительный атом углерода карбонильной группы . Механизм включает передачу пары электронов от двойной связи карбонильной группы к атому кислорода, оставляя его одинарной связью с углеродом и придавая атому кислорода отрицательный заряд. Этот промежуточный ион быстро реагирует с H + , например, с молекулой HCN, с образованием спиртовой группы циангидрина.

Металлоорганические соединения , такие как литийорганические реагенты , реагенты Гриньяра или ацетилиды , подвергаются реакциям нуклеофильного присоединения с образованием замещенной спиртовой группы. Связанные реакции включают organostannane дополнения , реакции Barbier , и реакцию Нозаки-Хияма-Kishi .

В реакции альдольной , металлические еноляты из кетонов , сложных эфиров , амидов и карбоновых кислот добавить в альдегиды с образованием β-гидроксикарбонил соединений ( альдоли ). Дегидратация, катализируемая кислотой или основанием, затем приводит к α, β-ненасыщенным карбонильным соединениям. Комбинация этих двух стадий известна как альдольная конденсация .

Реакция Принса происходит, когда нуклеофильный алкен или алкин реагирует с альдегидом как электрофил. Продукт реакции Принса зависит от условий реакции и используемых субстратов.

Бисульфитная реакция [ править ]

Альдегиды обычно образуют «аддитивные соединения» с бисульфитом натрия:

RCHO + HSO-
3
RCH (OH) SO-
3

Эта реакция используется как тест на альдегиды. [20]

Более сложные реакции [ править ]

Диальдегиды [ править ]

Диальдегида представляет собой органическое химическое соединение с двумя альдегидных групп. В номенклатуре диальдегидов есть окончание -цифровое или иногда -диальдегидное . Короткие алифатические диальдегиды иногда называют в честь двухосновной кислоты, из которой они могут быть получены. Примером может служить бутандиал , который также называют янтарным альдегидом (от янтарной кислоты ).

Биохимия [ править ]

Некоторые альдегиды являются субстратами для альдегида дегидрогеназы ферментов , которые метаболизируют альдегиды в организме. Некоторые альдегиды обладают токсичностью, связанной с нейродегенеративными заболеваниями, сердечными заболеваниями и некоторыми видами рака . [21]

Примеры альдегидов [ править ]

  • Формальдегид (метаналь)
  • Ацетальдегид (этаналь)
  • Пропионовый альдегид (пропаналь)
  • Бутиральдегид (бутаналь)
  • Бензальдегид (фенилметаналь)
  • Коричный альдегид
  • Ванилин
  • Толуальдегид
  • Фурфурол
  • Ретинальдегид

Примеры диальдегидов [ править ]

  • Глиоксаль
  • Малоновый диальдегид
  • Янтарный диальдегид
  • Глутаральдегид
  • Фталевый альдегид

Использует [ редактировать ]

Из всех альдегидов формальдегид производится в самых больших масштабах, примерно 6 000 000  тонн в год . Он в основном используется в производстве смол в сочетании с мочевиной , меламином и фенолом (например, бакелитом ). Это предшественник метилендифенилдиизоцианата («МДИ»), предшественник полиуретанов . [12] Вторым основным альдегидом является масляный альдегид , из которых около2 500 000  тонн в год получают гидроформилированием . Это основной предшественник 2-этилгексанола , который используется в качестве пластификатора . [22] Когда-то доминирующим продуктом был уксусный альдегид, но объем производства снизился до менее чем1 000 000  тонн в год , поскольку он в основном служил в качестве предшественника уксусной кислоты , который теперь подготовлен карбонилирования из метанола . Многие другие альдегиды находят коммерческое применение, часто в качестве предшественников спиртов, так называемых оксоспиртов , которые используются в моющих средствах. Некоторые альдегиды производятся только в небольших количествах (менее 1000 тонн в год) и используются в качестве ингредиентов ароматизаторов и духов, таких как Chanel № 5 . К ним относятся коричный альдегид и его производные, цитраль и лилиаль .

См. Также [ править ]

  • Энол
  • Псевдокислота

Ссылки [ править ]

  1. ^ Золотая книга ИЮПАК, альдегиды .
  2. ^ Химия енолов и енолатов - кислотность альфа-водородов .
  3. ^ Фрейзер, Роберт Р .; Хуберт, Патрик Р. (январь 1974 г.). «Прямое образование карбонильного аниона диизопропилформамида». Канадский химический журнал . 52 (1): 185–187. DOI : 10.1139 / v74-029 . ISSN  0008-4042 .
  4. ^ Эрвин, Кент М .; ДеТури, Винсент Ф. (октябрь 2002 г.). «Закрепление шкалы кислотности газовой фазы». Журнал физической химии . 106 (42): 9947–9956. DOI : 10.1021 / jp020594n . ISSN 1089-5639 . 
  5. ^ Краткое изложение номенклатуры органических соединений ИЮПАК, заархивированное 1 сентября 2006 г.на сайте Wayback Machine , веб-страница колледжей Университета Висконсина, доступ к которой осуществлен 4 августа 2007 г.
  6. ^ §R-5.6.1, Альдегиды, тиоальдегиды и их аналоги, Руководство по номенклатуре органических соединений ИЮПАК : рекомендации 1993 г. , ИЮПАК, Комиссия по номенклатуре органической химии, Blackwell Scientific, 1993.
  7. ^ §R-5.7.1, Карбоновые кислоты, Руководство по номенклатуре органических соединений ИЮПАК: рекомендации 1993 г. , ИЮПАК, Комиссия по номенклатуре органической химии, Blackwell Scientific, 1993.
  8. ^ Либих, Дж. (1835) «Sur les produits de l'oxidation de l'alcool» (О продуктах окисления спирта), Annales de Chimie et de Physique , 59  : 289–327. Со страницы 290: «Je le décrirai dans ce mémoire sous le nom d'  aldehyde; ce nom est formé de alcool dehydrogenatus ». (В своих мемуарах я назову его альдегидом ; это название образовано от алкоголя dehydrogenatus .)
  9. ^ Кросланд, Морис П. (2004), Исторические исследования на языке химии , Courier Dover Publications, ISBN 9780486438023.
  10. ^ a b c Смит, Майкл Б.; Март, Джерри (2007), Расширенная органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1
  11. ^ Бертлефф, В .; Ропер, М. и Сава, X. (2003) «Карбонилирование» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH: Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a05_217.pub2
  12. ^ a b Reuss, G .; Disteldorf, W .; Геймер, А.О. и Хилт, А. (2005) «Формальдегид» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a11_619 .
  13. Перейти ↑ Ratcliffe, RW (1988). «Окисление комплексом триоксид хрома-пиридин, полученным in situ: 1-деканаль» . Органический синтез .; Сборник , 6 , с. 373
  14. ^ Eda, Харуоми (1934). «Окисление некоторых α-гидроксикислот тетраацетатом свинца» . Бюллетень химического общества Японии . 9 (1): 8–14. DOI : 10.1246 / bcsj.9.8 .
  15. ^ Нвауква, Стивен; Кин, Филипп (1982). «Окислительное расщепление α-диолов, α-дионов, α-гидроксикетонов и α-гидрокси- и α-кетокислот с гипохлоритом кальция [Ca (OCl) 2 ]». Буквы тетраэдра . 23 (31): 3135–3138. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (00) 88578-0 .
  16. ^ Weerman, Р. (1913). "Einwirkung von Natriumhypochlorit auf Amide ungesättigter Säuren" . Юстус Либигс Аннален дер Хеми . 401 (1): 1–20. DOI : 10.1002 / jlac.19134010102 .
  17. ^ Эверетт, Уоллис; Лейн, Джон (1946). Реакция Гофмана . Органические реакции . 3 . С. 267–306. DOI : 10.1002 / 0471264180.or003.07 . ISBN 9780471005285.
  18. ^ Саттон, Питер; Уиттолл, Джон (2012). Практические методы биокатализа и биотрансформации 2 . Чичестер, Западный Суссекс: John Wiley & Sons, Ltd., стр. 199–202. ISBN 9781119991397.
  19. ^ Кори, Элиас Дж .; Гилман, Норман В .; Ганем, BE (1968). «Новые методы окисления альдегидов до карбоновых кислот и сложных эфиров». Варенье. Chem. Soc. 90 (20): 5616–5617. DOI : 10.1021 / ja01022a059 .
  20. ^ a b Shriner, RL; Германн, CKF; Моррилл, ТС; Curtin, DY; Fuson, RC (1997). Систематическая идентификация органических соединений . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-59748-3.
  21. ^ Чен, Че-Хун; Феррейра, Хулио Сезар Батиста; Гросс, Эрик Р .; Розен, Дарья Мочлы (1 января 2014 г.). «Ориентация на альдегиддегидрогеназу 2: новые терапевтические возможности» . Физиологические обзоры . 94 (1): 1–34. DOI : 10.1152 / Physrev.00017.2013 . PMC 3929114 . PMID 24382882 .  
  22. ^ Kohlpaintner, C .; Schulte, M .; Falbe, J .; Лаппе П. и Вебер Дж. (2008) «Альдегиды, алифатические» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_321.pub2 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Синтез альдегидов - Синтетические протоколы от organic-reaction.com