Карбонильные соединения – это органические вещества, молекулы которых содержат карбонильную группу:
Карбонильные соединения делятся на альдегиды и кетоны.Общая формула карбонильных соединений: СnH2nO.
Альдегидами называются органические соединения, содержащие карбонильную группу, в которой атом углерода связан с радикалом и одним атомом водорода.
Структурная формула альдегидов:
Кетонами называются соединения, в молекуле которых карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами .
Структурная формула кетонов:
Химические свойства альдегидов и кетонов
1. Реакции присоединения
В молекулах карбонильных соединений присутствует двойная связь С=О, поэтому для карбонильных соединений характерны реакции присоединения по двойной связи. Присоединение к альдегидам протекает легче, чем к кетонам.
1.1. Гидрирование
Альдегиды при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора (например, металлического никеля) образуют первичные спирты, кетоны — вторичные:
1.2. Присоединение воды
При гидратации формальдегида образуется малоустойчивое вещество, называемое гидрат. Оно существует только при низкой температуре.
1.3. Присоединение спиртов
При присоединении спиртов к альдегидам образуются вещества, которые называются полуацетали.
В качестве катализаторов процесса используют кислоты или основания.
Полуацетали существует только при низкой температуре.
Полуацетали– это соединения, в которых атом углерода связан с гидроксильной и алкоксильной (-OR) группами.
Полуацеталь может взаимодействовать с еще одной молекулой спирта в присутствии кислоты. При этом происходит замещение полуацетального гидроксила на алкоксильную группу OR’ и образованию ацеталя:
Карбонильные соединения присоединяют синильную кислоту HCN. При этом образуется гидроксинитрил (циангидрин):
2. Окисление альдегидов и кетонов
Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).
В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.
При окислении альдегиды превращаются в карбоновые кислоты.
Альдегид → карбоновая кислота
Метаналь окисляется сначала в муравьиную кислоту, затем в углекислый газ:
Кетоны окисляются только при действии сильных окислителей и нагревании.
2.1. Окисление гидроксидом меди (II)
Происходит при нагревании альдегидов со свежеосажденным гидроксидом меди, при этом образуется красно-кирпичный осадок оксида меди (I) Cu2O. Это — одна из качественных реакций на альдегиды.
Например, муравьиный альдегид окисляется гидроксидом меди (II)
Поскольку раствор содержит избыток аммиака, продуктом окисления альдегида будет соль аммония карбоновой кислоты.
Например, при окислении муравьиного альдегида аммиачным раствором оксида серебра (I) образуется карбонат аммония
Например, при окислении уксусного альдегида аммиачным раствором оксида серебра образуется ацетат аммония
Образование осадка серебра при взаимодействии с аммиачным раствором оксида серебра — качественная реакция на альдегиды.
Упрощенный вариант реакции:
2.3. Жесткое окисление
При окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) альдегиды окисляются до карбоновых кислот или до солей карбоновых кислот (в нейтральной среде). Муравьиный альдегид окисляется до углекислого газа или до солей угольной кислоты (в нейтральной среде).
Например, при окислении уксусного альдегида перманганатом калия в серной кислоте образуется уксусная кислота
Кетоны окисляются только в очень жестких условиях (в кислой среде при высокой температуре) под действием сильных окислителей: перманганатов или дихроматов.
Реакция протекает с разрывом С–С-связей (соседних с карбонильной группой) и с образованием смеси карбоновых кислот с меньшей молекулярной массой или СО2.
Карбонильное соединение/ Окислитель
KMnO4, кислая среда
KMnO4, H2O, t
Метаналь СН2О
CO2
K2CO3
Альдегид R-СНО
R-COOH
R-COOK
Кетон
R-COOH/ СО2
R-COOK/ K2СО3
2.4. Горение карбонильных соединений
При горении карбонильных соединений образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.
Например, уравнение сгорания метаналя:
3. Замещение водорода у атома углерода, соседнего с карбонильной группой
Карбонильные соединения вступают в реакцию с галогенами, в результате которой получается хлорзамещенный (у ближайшего к карбонильной группе атома углерода) альдегид или кетон.
Например, при хлорировании уксусного альдегида образуется хлорпроизводное этаналя
Полученное из ацетальдегида вещество называется хлораль. Продукт присоединения воды к хлоралю (хлоральгидрат) устойчив и используется как лекарство.
4. Конденсация с фенолами
Формальдегид может взаимодействовать с фенолом. Катализатором процесса выступают кислоты или основания:
Дальнейшее взаимодействие с другими молекулами формальдегида и фенола приводит к образованию фенолоформальдегидных смол и воды:
Фенол и формальдегид вступают в реакцию поликонденсации.
Поликонденсация — это процесс соединения молекул в длинную цепь (полимер) с образованием побочных продуктов с низкой молекулярной массой (вода или др.).
5. Полимеризация альдегидов
Полимеризация характерна в основном для легких альдегидов. Для альдегидов характерна линейная и циклическая полимеризация.
Например, в растворе формалина (40 %-ного водного раствора формальдегида) образуется белый осадок полимера формальдегида, который называется полиформальдегид или параформ:
Муравьиный альдегид, или формальдегид, – это бесцветный газ, обладающий резким, неприятным, специфическим запахом. Он хорошо растворяется в воде, а также в спиртах. Формальдегид очень токсичен и способен вызвать в организме человека патологические изменения. Кроме того, его считают канцерогеном.
Формальдегид – первый член целого гомологического ряда, в который входит алифатический муравьиный альдегид. Муравьиная кислота также проявляет свойства этой группы.
Химические свойства
Формальдегид способен вступать во все реакции, которые свойственны гомологическому ряду алифатических альдегидов. В том числе и с нуклеофилами. Также он связывается с восстановительными реагентами. Это происходит главным образом по причине того, что у формальдегида низкая электронная плотность на атомах углерода. Благодаря этой особенности строения он очень легко вступает в химические реакции даже с самыми слабыми нуклеофилами. Этим объясняет тот факт, что в водных растворах муравьиный альдегид обнаруживается в гидратированном состоянии.
Производственное получение
У этого вещества довольно простая формула. Муравьиный альдегид на химическом языке выглядит так: HCHO. Основной промышленный метод его получения — это окисление метанола. Эта реакция осуществляется с применением серебряного катализатора. Необходимая температура — 650 градусов. Окисление метанола происходит при атмосферном давлении.
Этот технологический процесс уже достаточно длительное время используется повсеместно. Он хорошо освоен. Примерно 80% формальдегида получают благодаря окислительной реакции метанола. Однако это не единственный способ. Недавно был разработан еще более перспективный метод. Он основывается на применении железо-молибденовых катализаторов. В этом случае снижается уровень необходимой температуры до 300 градусов, а это практически вдвое меньше.
Также известен еще один промышленный способ – окисление метана. У реакции этой довольно простая формула: муравьиный альдегид получается при давлении 1-2 МПа при температуре 450 градусов. В качестве катализатора берется фосфат алюминия.
Применение
Метандиол – водный раствор формальдегида, вызывающий денатурацию белков. Это его качество позволяет использовать данное вещество в качестве дубителя при производстве кожаных вещей. Также он нашел широкое применение при изготовлении кинофотопленки. Из-за сильных дубильных свойств формальдегид известен как антисептик. Он повсеместно используется в медицине. На его основе производят такие антисептические препараты, как «Формагель» и «Формидрон». Уже достаточно долгое время муравьиный альдегид применяют в биологии для хранения биоматериалов, например, органов или трупов животных.
В настоящее время получение муравьиного альдегида выгодно деревообрабатывающей и, конечно, мебельной промышленности. Его используют для производства меламинокарбамидоформальдегидных смол. Они применяются при изготовлении ДСП, фанеры и прочих строительных материалов.
При хранении муравьиного альдегида следует учитывать, что при температуре ниже 10 градусов раствор мутнеет и появляется белый осадок. Также формальдегид взаимодействует с кислородом. В результате образуются по причине вырожденного разветвления дополнительные инициаторы цепи.
Токсические свойства
Итак, формальдегид получают методом окисления метанола и метана. Несомненно, он обладает достаточно высокой степенью токсичности. Муравьиный альдегид в первую очередь воздействует на генетический материал. От этого вещества страдают и репродуктивные органы. Но, конечно, чаще отмечается поражение дыхательных путей, кожных покровов и слизистой глаз.
Опасен формальдегид еще и тем, что он оказывает негативное действие на ЦНС.
Муравьиный альдегид не просто токсичен — 60-90 мл вещества (в зависимости от массы тела), попавшие внутрь, вызовут смерть. Симптомы отравления следующие:
общий упадок сил;
бледность кожных покровов;
бессознательное состояние;
угнетение ЦНС;
затрудненное дыхание;
сильная головная боль;
судороги, особенно в ночное время.
Воздействие муравьиного альдегида на организм человека
Применение муравьиного альдегида в производстве нередко вызывает разные степени отравления у работников предприятия. При сильном ингаляционном поражении, то есть при вдыхании вещества, наблюдаются конъюнктивит и острая форма бронхита, которая иногда приводит к отеку легкого. Симптоматика при длительном воздействии формальдегида будет только нарастать. Спустя непродолжительное время появятся признаки поражения и угнетения ЦНС. Это будет выражаться в постоянном головокружении, возникнет чувство страха, походка станет шаткой, а в ночное время у человека могут быть даже судороги.
Если отравление произошло через рот, то первым симптомом будет ожог слизистой оболочки пищеварительного тракта. Он будет проявляться в виде боли, жжения в горле и по ходу пищевода. Человек ощущает сильные рвотные позывы, масса, отторгаемая желудком, будет содержать кровь. В тяжелых случаях развивается отек гортани и наблюдается рефлекторная остановка дыхания.
При хроническом отравлении малыми концентрациями у человека отмечаются сильная потеря веса, психическое возбуждение, расстройство зрения, бессонница и постоянные головные боли.
Отравление парами формальдегида
Муравьиный альдегид чаще всего обнаруживается в воздухе. У работников предприятий, занятых в работе, связанной с изготовлением искусственных смол, при наличии постоянного и длительного контакта с парами формальдегида возможно отравление. Нередко уже в первые рабочие дни у человека появляются заметные дерматиты на лице, руках. Присутствие формальдегида в организме видно по ухудшению состояния ногтей — они размягчаются и становятся ломкими.
Экземы и дерматиты могут носить аллергический характер. После того как человек перенес отравление, у него формируется к муравьиному альдегиду сильная чувствительность. Имеются сведения о том, что формальдегид неблагоприятно влияет на функционирование репродуктивной системы женского организма.
Использование формальдегида в косметических средствах
Содержание формальдегида допускается в качестве консерванта в косметических средствах, но его концентрация не должна превышать 0,1%. Муравьиный альдегид может присутствовать в зубной пасте, кремах для тела, лица и рук.
Также в фармакологии, в некоторых средствах, препятствующих обильному потоотделению, может находится формальдегид. Его допустимая концентрация — 0,5%. Это вещество — хороший антисептик, даже в столь малых количествах он способен уничтожать микроорганизмы. Строго запрещается наносить на лицо любую мазь, если в ее составе находится 5% формальдегида. Это чревато появлением дерматитов и аллергических реакций. Также муравьиный альдегид не используют для консервации косметических средств, если они будут продаваться в качестве аэрозолей и спреев.
Вся продукция на своей этикетке должна содержать информацию относительно содержания этого опасного вещества, даже если его количество 0,05%. В действительности до сегодняшнего дня не выяснено, как влияет раствор формальдегида на кожу, но известно, что у животных она краснеет и шелушится.
Канцерогенность муравьиного альдегида
Известно, что формальдегид взаимодействует с селеном при участии высококонцентрированной серной кислоты. В результате образуется сульфоэфир-4-тетрадецилидиоксан. Это вещество со сложным названием после обработки гидратом окиси бария становится прекрасным моющим средством. Казалось бы, в чем опасность? Но формальдегид внесен в список веществ, обладающих канцерогенными качествами. Хотя степень его опасности пока не установлена, нельзя не принимать во внимание тот факт, что муравьиный альдегид смертельно опасен для животных. По официальным данным многих научных центров мира, связь между применением формальдегида при производстве красок, смол, текстиля, пластика и возникновением онкологических новообразований у человека доказана. Особенно высок риск развития рака носоглотки.
