Aldehydy: struktura, właściwości, nazewnictwo, zastosowania i przykłady

Aldehydy są związkami organicznymi o ogólnym wzorze RCHO. R oznacza łańcuch alifatyczny lub aromatyczny; C do węgla; Lub tlen i H do wodoru. Charakteryzują się one posiadaniem grupy karbonylowej, jak również ketonów i kwasów karboksylowych, tak że aldehydy są również nazywane związkami karbonylowymi.

Grupa karbonylowa daje aldehydowi wiele jego właściwości. Są to związki, które łatwo się utleniają i są bardzo reaktywne na dodatki nukleofilowe. Podwójne wiązanie grupy karbonylowej (C = O) ma dwa atomy, które mają różnice w swojej awidności dla elektronów (elektroujemność).

Tlen przyciąga elektrony silniej niż węgiel, więc elektronowa chmura porusza się w jego kierunku, tworząc podwójne wiązanie między węglem i tlenem polarnym, z ważnym momentem dipolowym. To powoduje, że aldehydy są związkami polarnymi.

Polaryzacja aldehydów wpłynie na ich właściwości fizyczne. Temperatura wrzenia i rozpuszczalność aldehydów w wodzie są większe niż niepolarnych związków chemicznych o podobnych masach cząsteczkowych, tak jak w przypadku węglowodorów.

Aldehydy o mniej niż pięciu atomach węgla są rozpuszczalne w wodzie, ponieważ wiązania wodorowe powstają między tlenem grupy karbonylowej i cząsteczką wody. Jednak zwiększenie liczby atomów węgla łańcucha węglowodorowego powoduje wzrost niepolarnej części aldehydu, co czyni go mniej rozpuszczalnym w wodzie.

Ale jak oni i skąd pochodzą? Chociaż jego charakter zależy zasadniczo od grupy karbonylowej, reszta struktury molekularnej ma również duży wpływ na całość. Zatem mogą być dowolnej wielkości, małe lub duże, a nawet makrocząsteczka może mieć regiony, w których dominuje charakter aldehydów.

Tak więc, jak w przypadku wszystkich związków chemicznych, istnieją „przyjemne” aldehydy i inne gorzkie. Można je znaleźć w naturalnych źródłach lub syntetyzować na dużą skalę. Przykładami aldehydów są wanilina, bardzo obecna w lodach (górny obraz) i aldehyd octowy, który dodaje smaku napojom alkoholowym.

Struktura chemiczna

Aldehydy składają się z karbonylu (C = O), z którym atom wodoru jest bezpośrednio związany. To odróżnia go od innych związków organicznych, takich jak ketony (R2C = O) i kwasy karboksylowe (RCOOH).

Strukturę molekularną wokół grupy -CHO, formylowej pokazano na górnym obrazie. Grupa formylowa jest płaska, ponieważ węgiel i tlen mają hybrydyzację sp2. Ta płaskość sprawia, że ​​jest podatna na atak gatunków nukleofilowych, a zatem łatwo się utlenia.

Do czego odnosi się to utlenianie? Aby utworzyć wiązanie z dowolnym innym atomem, bardziej elektroujemne niż węgiel; a w przypadku aldehydów jest to tlen. Zatem aldehyd utlenia się do kwasu karboksylowego -COOH. Co jeśli zmniejszy się aldehyd? W jego miejsce powstałby alkohol pierwotny, ROH.

Aldehydy są produkowane tylko z pierwszorzędowych alkoholi: tych, w których grupa OH znajduje się na końcu łańcucha. Podobnie, grupa formylowa jest zawsze na końcu łańcucha lub wystaje z niej lub pierścień jako podstawnik (jeśli istnieją inne ważniejsze grupy, takie jak -COOH).

Właściwości fizyczne i chemiczne

Jako związki polarne, ich temperatury topnienia są wyższe niż w przypadku związków niepolarnych. Cząsteczki aldehydu nie są zdolne do wiązania międzycząsteczkowego przez wiązania wodorowe, ponieważ mają tylko atomy węgla przyłączone do atomów wodoru.

W związku z powyższym aldehydy mają niższe temperatury wrzenia niż alkohole i kwasy karboksylowe.

Punkty topnienia

Formaldehyd -92; Aldehyd octowy -121; Aldehyd propionowy -81; aldehyd n-masłowy -99; n-Valeraldehyde -91; Caproaldehyd -; Aldehyd heptowy - 42; Fenyloacetaldehyd -; Benzaldehyd -26.

Punkty wrzenia

Formaldehyd -21; Aldehyd octowy 20; Propionaldehyd 49; aldehyd n-masłowy 76; n-Valeraldehyde 103; Caproaldehyd 131; Heptaldehyd 155; Fenyloacetaldehyd 194; Benzaldehyd 178

Rozpuszczalność w wodzie wyrażona wg / 100 g H2O

Formaldehyd, bardzo dobrze rozpuszczalny; Aldehyd octowy, nieskończony; Propionaldehyd, 16; aldehyd n-masłowy, 7; aldehyd n-Valeral, słabo rozpuszczalny; kaproaldehyd, słabo rozpuszczalny; Lekko rozpuszczalny fenyloacetaldehyd; Benzaldehyd, 0, 3.

Temperatury wrzenia aldehydów mają tendencję do bezpośredniego wzrostu o masie cząsteczkowej. Wręcz przeciwnie, istnieje tendencja do zmniejszania rozpuszczalności aldehydów w wodzie wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej. Znajduje to odzwierciedlenie w stałych fizycznych wyżej wymienionych aldehydów.

Reaktywność

Reakcja utleniania

Aldehydy można utlenić do odpowiedniego kwasu karboksylowego w obecności któregokolwiek z tych związków: Ag (NH3) 2, KMnO4 lub K2Cr2O7.

Redukcja do alkoholi

Można je uwodornić za pomocą katalizatorów niklowych, platynowych lub palladowych. Zatem C = O przekształca się w C-OH.

Redukcja do węglowodorów

W obecności Zn (Hg), stężonego HCl lub NH2NH2 aldehydy tracą grupę karbonylową i stają się węglowodorami.

Dodatek nukleofilowy

Do grupy karbonylowej dodaje się kilka związków, wśród nich: odczynniki Grignarda, cyjanek, pochodne amoniaku i alkohole.

Nomenklatura

Na górnym obrazie zilustrowano cztery aldehydy. Jak się nazywają?

Biorąc pod uwagę, że są to utlenione pierwszorzędowe alkohole, nazwa alkoholu zmienia się na -ol przez -al. Tak więc metanol (CH3OH) po utlenieniu do CH3 CHO nazywany jest metanalem (formaldehydem); CH3CH2 CHO etanal (aldehyd octowy); CH 3 CH 2 CH 2 CHO propanal i CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CHO butanal.

Wszystkie nowo nazwane aldehydy mają grupę -CHO na końcu łańcucha. Gdy jest na obu końcach, tak jak w A, na końcu -al dodaje się przedrostek di-. Ponieważ A ma sześć atomów węgla (licząc te z obu grup formylowych), pochodzi z 1-heksanolu i dlatego jego nazwa brzmi: tarcza heksanowa.

Gdy występuje podstawnik, taki jak rodnik alkilowy, wiązanie podwójne lub potrójne lub halogen, wymieniono węgle głównego łańcucha, podając liczbę -CHO 1. Zatem aldehyd B jest nazywany: 3-jodoheksanal.

Jednakże w aldehydach C i D grupa -CHO nie ma pierwszeństwa w identyfikacji tych związków od innych. C oznacza cykloalkan, podczas gdy D oznacza benzen, oba z jednym z ich H podstawionych grupą formylową.

W nich, ponieważ główna struktura jest cykliczna, grupa formylowa jest nazywana karbaldehydem. Zatem C oznacza cykloheksanokarbaldehyd, a D oznacza benzenokarbaldehyd (lepiej znany jako benzaldehyd).

Używa

Istnieją aldehydy o charakterze zdolnym do nadawania przyjemnych smaków, tak jak w przypadku aldehydu cynamonowego, odpowiedzialnego za charakterystyczny smak cynamonu. Dlatego są często używane jako sztuczne aromaty w wielu produktach, takich jak słodycze lub żywność.

Formaldehyd

Formaldehyd jest aldehydem wytwarzanym przemysłowo w większej ilości. Formaldehyd otrzymany przez utlenianie metanolu stosuje się w 37% roztworze gazu w wodzie, pod nazwą formaliny. Stosuje się go do garbowania skór oraz do konserwacji i balsamowania zwłok.

Podobnie formaldehyd jest stosowany jako środek bakteriobójczy, grzybobójczy i owadobójczy dla roślin i warzyw. Jednak jego największą użytecznością jest wkład w produkcję materiału polimerowego. Plastik zwany bakelitem jest syntetyzowany w reakcji między formaldehydem a fenolem.

Bakelit

Bakelit to polimer trójwymiarowej struktury o dużej twardości stosowany w wielu naczyniach domowych, takich jak garnki, patelnie, ekspresy do kawy, noże itp.

Polimery podobne do bakelitu są wytwarzane z formaldehydu w połączeniu ze związkami mocznika i melaminy. Polimery te są stosowane nie tylko jako tworzywa sztuczne, ale są również stosowane jako kleje adhezyjne i materiał powłokowy.

Sklejka

Sklejka jest nazwą handlową materiału utworzonego przez cienkie arkusze drewna, połączone polimerami wytwarzanymi z formaldehydu. Marki Formica i Melmac są produkowane z udziałem tego producenta. Formica to tworzywo sztuczne stosowane w pokryciach mebli.

Plastik Melmac służy do przygotowywania naczyń, szklanek, kubków itp. Formaldehyd jest surowcem do syntezy związku metyleno-difenylo-diizocyjanian (MDI), prekursora poliuretanu.

Poliuretan

Poliuretan jest stosowany jako izolacja w lodówkach i zamrażarkach, wyściółkach mebli, materacach, powłokach, klejach, podeszwach itp.

Aldehyd butirowy

Aldehyd butyralowy jest głównym prekursorem syntezy 2-etyloheksanolu, który jest stosowany jako plastyfikator. Ma przyjemny aromat jabłkowy, który pozwala na stosowanie go w żywności jako aromacie.

Jest również stosowany do produkcji przyspieszaczy gumowych. Intervenes jako odczynnik pośredni w produkcji rozpuszczalników.

Aldehyd octowy

Do wytwarzania kwasu octowego stosowano aldehyd octowy. Jednak ta funkcja aldehydu octowego straciła na znaczeniu, ponieważ została zastąpiona przez proces karbonylowania metanolu.

Synteza

Inne aldehydy są prekursorami oksoalkoholi, które są stosowane w produkcji detergentów. Tak zwane oksoalkohole wytwarza się przez dodanie tlenku węgla i wodoru do olefiny w celu otrzymania aldehydu. W końcu aldehyd uwodornia się w celu otrzymania alkoholu.

Niektóre aldehydy są stosowane w produkcji perfum, jak w przypadku Chanel nr 5. Wiele aldehydów pochodzenia naturalnego ma przyjemny zapach, na przykład: heptanal ma zapach zielonej trawy; oktanal zapach pomarańczy; nonanal zapach róż i cytral zapach wapna.

Przykłady aldehydów

Aldehyd glutarowy

Aldehyd glutarowy ma w swojej strukturze dwie grupy formylowe na obu końcach.

Sprzedawany pod nazwą Cidex lub Glutaral, jest używany jako środek dezynfekujący do sterylizacji narzędzi chirurgicznych. Jest stosowany w leczeniu brodawek na stopach, nakładając się jako płyn. Jest również stosowany jako środek utrwalający tkanki w laboratoriach histologicznych i patologicznych.

Benzaldehyd

Jest to najprostszy aromatyczny aldehyd, który tworzy pierścień benzenowy, w którym połączona jest grupa formylowa.

Występuje w oleju migdałowym, stąd jego charakterystyczny zapach, który pozwala na stosowanie go jako aromatu spożywczego. Ponadto stosuje się go w syntezie związków organicznych związanych z produkcją leków oraz w produkcji tworzyw sztucznych.

Gliceraldehyd

Jest to aldotrioza, cukier składający się z trzech atomów węgla. Posiada dwa izomery zwane enancjomerami D i L. Aldehyd glicerynowy jest pierwszym monosacharydem, który otrzymuje się w fotosyntezie w fazie ciemnej (cykl Calvina).

Gliceraldehyde-3-phosphate

Strukturę 3-fosforanu gliceraldehydu przedstawiono na górnym obrazie. Czerwone kule obok żółtego odpowiadają grupie fosforanowej, podczas gdy czarne sfery szkieletu węglowego. Czerwona kula połączona z bielą jest grupą OH, ale kiedy jest połączona z czarną kulą, a druga z białą kulą, jest to grupa CHO.

Gliceraldehyd-3-fosforan biorący udział w glikolizie, procesie metabolicznym, w którym glukoza ulega degradacji do kwasu pirogronowego wraz z produkcją ATP, rezerwuaru energii żywych istot. Ponadto, z produkcji NADH, biologicznego środka redukującego.

W glikolizie gliceraldehyd-3-fosforan i fosforan dihydroacetonu pochodzą z rozszczepienia D-fruktozo-1-6-bisfosforanu

Gliceraldehyd-3-fosforan interweniuje w proces metaboliczny znany jako cykl pentozowy. W tym celu generowany jest NADPH, ważny biologiczny reduktor.

11-cis-retinal

Β-karoten to naturalny pigment obecny w kilku warzywach, zwłaszcza w marchwi. Ulega on pęknięciu oksydacyjnemu w wątrobie, przekształcając się w retinol alkoholowy lub witaminę A. Utlenianie witaminy A i późniejsza izomeryzacja jednego z jej podwójnych wiązań tworzy aldehyd 11-cis-retinalowy.

Fosforan pirydoksalu (witamina B6)

Jest to grupa protetyczna powiązana z kilkoma enzymami, która jest aktywną formą witaminy B6 i uczestniczy w procesie syntezy hamującego neuroprzekaźnika GABA.

Gdzie jest grupa formylowa w swojej strukturze? Należy zauważyć, że różni się od pozostałych grup związanych z pierścieniem aromatycznym.

Aldehyd salicylowy

Jest surowcem do syntezy kwasu acetylosalicylowego, leku przeciwbólowego i przeciwgorączkowego znanego jako aspiryna.