СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ АЛЬДЕГИДОВ И КЕТОНОВ - КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цели урока. Обобщить знания учащихся о свойствах альдегидов и кетонов. Рассмотреть другие способы их получения. Познакомить учащихся с важнейшими представителями этих классов органических соединений и их применением.

Оборудование: растворы NaOH, НСl, формалин, ацетон, ацетат натрия, реактив Люголя; демонстрационные образцы аптечных препаратов (уротропин, кальцекс, лизоформ, формидрон), прибор для получения газов, пробирки.

I. Способы получения альдегидов и кетонов

Получение альдегидов и кетонов — это благодатный материал для повторения и закрепления знаний, поскольку большинство способов учащимся уже известны, поэтому эту часть урока лучше провести в форме беседы с элементами самостоятельной работы.

1. Окисление или дегидрирование спиртов.

Исторически первым способом получения карбонильных соединений было окисление спиртов. Учитель спрашивает: «Каково должно быть строение спирта, чтобы при его окислении образовался альдегид?». Формулировка вопроса часто ставит ребят в тупик, но либо самостоятельно, либо с помощью учителя они находят правильный ответ: спирт должен быть первичным. Соответственно, вторичные спирты окисляются до кетонов. В качестве первого задания учитель просит написать уравнение реакции окисления конкретного спирта: например, 2-метилпропанола.

Как правило, более сложными для выполнения оказываются обратные задачи. Не следует забывать их при изучении любого класса соединений.

1-ый уровень. При окислении некоторого спирта образовался 2,3-диметилбутаналь. Определите формулу исходного спирта и назовите его.

Начинать рассуждение нужно с анализа правой части уравнения. Для этого в первую очередь необходимо составить формулу продукта реакции.

В данной реакции углеродный скелет молекулы не претерпевает никаких изменений. Окисление спирта — это отщепление двух атомов водорода. Поэтому «восстановить» исходную молекулу можно, мысленно присоединив по карбонильной группе молекулу водорода:

При этом не забыть разорвать π-связь, т. е. двойную связь превратить в одинарную:

Осталось добавить в левую часть реагент, в правую — побочный продукт реакции, указать условия ее проведения (окислитель).

2-й уровень. 4-Метилпентанон-2 (метилизобутилкетон) используется в качестве растворителя сополимеров винилхлорида, эпоксидных смол, а также компонента типографских и художественных красок. Предложите способ получения этого кетона окислением соответствующего спирта.

2. Гидратация алкинов.

Учащиеся вспоминают, в каких условиях ацетиленовые углеводороды присоединяют молекулу воды. В профильном классе не лишним будет упомянуть правило Марковникова для гидратации гомологов этина и правило Эльтекова. В общеобразовательном классе учитель ограничивается закреплением знания реакции гидратации ацетилена. В профильном классе задание можно усложнить.

2-й уровень. В производстве ацетилена пиролизом метана побочным продуктом реакции является пропин. Какое вещество получают гидратацией этого углеводорода в условиях реакции Кучерова?

3. Пиролиз карбоновых кислот и их солей.

Еще средневековые алхимики заметили, что при нагревании свинцового сахара (ацетата свинца (СН₃СОО)₂Рb) выделялась некая «квинтэссенция», названная «уксусным спиртом». В конце XVIII в. в Англии образующуюся жидкость стали применять в осветительных лампах и назвали «ламповой кислотой». Элементный состав таинственного соединения был установлен в 1831 г. Ю. Либихом и Ж. Дюма, а А. Уильямсон придал ему молекулярную формулу C₃H₆O. Примерно в то же время появилось название ацетон, что в переводе с латинского acetum означает уксус. Согласитесь, что не все обращали внимание на то, что слова «ацетат» и «ацетон» однокоренные. После установления структуры ацетона пиролиз кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот стал одним из способов получения кетонов:

В 1856 г. итальянский химик Рафаэль Пириа обнаружил, что при нагревании смеси формиата кальция и соли какой-либо другой одноосновной кислоты в качестве основного продукта реакции получается альдегид:

Более полувека спустя усилиями французского химика П. Сабатье данный метод был усовершенствован. Вместо солей в реакции использовались сами кислоты, пары которых пропускали над нагретым катализатором — оксидом титана (IV):

Продемонстрировать получение карбонильных соединений пиролизом солей карбоновых кислот можно на следующем опыте. В пробирку с газоотводной трубкой помещают 2 г ацетата натрия (реактив представляет собой кристаллогидрат CH₃COONa · 3Н₂O). Пробирку наклонно закрепляют в лапку штатива, снабжают пробкой с газоотводной трубкой, опущенной в пробирку-приемник, охлаждаемую водой со льдом (рис. 27).

Ацетат натрия в пробирке нагревают газовой горелкой. Вначале соль растворяется в собственной кристаллизационной воде, по мере ее выкипания твердеет, затем плавится и закипает. Через некоторое время в приемнике собирается некоторое количество жидкости, представляющей собой водный раствор ацетона и уксусной кислоты. В эту пробирку добавляют 2 мл воды, 0,5 мл 10%-ного раствора щелочи, 4-5 капель реактива Люголя и слегка нагревают. Проба отчетливо показывает наличие ацетона. В пробирку с твердым остатком после нагревания (дождаться полного охлаждения!) добавляют соляную кислоту. Интенсивное вспенивание указывает на образование в ней карбоната натрия.

Рис. 27. Установка для демонстрации пиролиза ацетата натрия

II. Отдельные представители альдегидов и кетонов

Формальдегид. В настоящее время метаналь получают каталитическим дегидрированием метанола или окислением метана.

В учебнике упоминается очень интересное соединение — уротропин. Впервые оно было получено А. М. Бутлеровым в 50-х гг. XIX в. при действии на формальдегид аммиаком. Молекулярная формула вещества (CH_S)₆N₄ определила его химическое название — гексаметилен-тетрамин. Структура вещества здесь приводится только для учителя:

При нагревании в присутствии кислот уротропин вновь разлагается на аммиак и формальдегид. Это его свойство позволяет использовать уротропин в медицине в качестве антисептического средства. В организме человека он медленно гидролизуется, выделяющийся формальдегид уничтожает болезнетворные микроорганизмы. На том же свойстве основано применение препарата кальцекс, представляющего собой комплекс уротропина с хлоридом кальция.

Большое количество формальдегида используется для производства феноло-формальдегидных смол. Их смешивают с различными наполнителями и изготавливают пластмассы, называемые фенопластами. При растворении фенолоформальдегидных смол в ацетоне или спирте получают лаки.

При взаимодействии формальдегида с карбамидом (мочевиной) (NH₂)₂CO получают карбамидную смолу, а из нее — аминопласты. Из этой пластмассы изготавливают электротехнические изделия (выключатели, розетки), материалы для отделки мебели и интерьеров, древесно-стружечные плиты, искусственный мрамор, тепло- и звукоизоляционные пористые материалы.

Большое количество формальдегида используется в органическом синтезе для производства лекарственных веществ, красителей.

Широко применяется 40%-ный водный раствор формальдегида — формалин. Его использование связано со способностью свертывать белок. Так, например, в кожевенном производстве в результате дубильного действия формалина кожа твердеет и не подвергается гниению. На том же свойстве основано применение формалина для хранения биологических препаратов. Формалин используется для дезинфекции и протравливания семян.

Ацетальдегид. Основным способом получения уксусного альдегида в настоящее время является каталитическое окисление этилена, которое упоминалось при изучении алкенов. Катализатором процесса служит смесь хлоридов меди (II) и палладия (II).

Уксусный альдегид находит широкое применение в органическом синтезе, в частности в производстве уксусной кислоты, полимерных материалов.

Акролеин. Важнейшим непредельным альдегидом является пропеналь или акролеин. В настоящее время его получают каталитическим окислением пропена кислородом воздуха в присутствии соединений висмута.

Акролеин, как непредельное соединение, сочетает свойства алкена и альдегида. Он вступает в реакции конденсации по карбонильной группе, а также легко полимеризуется по двойной связи. Первое свойство используется в органическом синтезе для получения гетероциклических соединений, многие из которых используются для получения лекарственных веществ, второе — при получении сополимеров акролеина с другими мономерами. Подобно формальдегиду, акролеин обладает дубильным действием.

Бензальдегид. Первым представителем гомологического ряда ароматических альдегидов является бензойный альдегид или бензальдегид. Это вещество содержится в природе во многих эфирных маслах, придавая им запах горького миндаля. Это свойство и обусловливает применение синтетического бензальдегида в пищевой промышленности и парфюмерии.

В промышленности бензальдегид получают каталитическим окислением толуола или взаимодействием бензола с оксидом углерода (П) в присутствии катализатора Фриделя-Крафтса.

Для преподавателей, предпочитающих тестирование иным формам контроля и проверки знаний, предлагаем задания к данному уроку именно в такой форме.

1-й уровень

1. Общая формула предельных альдегидов

2. Альдегиды получают окислением спиртов

а) первичны.

б) вторичны.

в) третичных

г) непредельных

3. Для получения уксусного альдегида по реакции Кучерова следует взять

а) бутин-1

б) бутин-2

в) пропин

г) этин

4. Формальдегид нельзя получить

а) каталитическим дегидрированием метанола

б) дегидратацией метанола

в) окислением метанола

г) каталитическим окислением метана

5. К непредельным альдегидам относится

а) бензальдеги.

б) ацетальдегид

в) акролеи.

г) формальдегид

6. Тривиальное название альдегида с неразветвленной цепочкой из семи углеродных атомов — энантовый альдегид. Его международное название

а) гексаналь

б) гептаналь;

в) октаналь;

г) пентаналь

7. Формалин — это

а) иное название формальдегида

б) водный раствор формальдегида

в) продукт окисления формальдегида

г) продукт восстановления формальдегида

2-й уровень

1. Бутанон-2 можно получить

а) окислением бутанола-1

б) восстановлением бутаналя

в) дегидратацией бутанола-2

г) окислением бутанола-2

2. Один и тот же продукт получается гидратацией

а) ацетилена и этилена

б) бутина-1 и бутина-2

в) гексина-1 и гексина-2

г) пропина и бутина-2

3. Синтез изомасляного альдегида осуществляют окислением

а) бутанола-.

б) бутанола-2

в) 2-метилпропанола-.

г) 2-метил бутанола-1

4. Нагреванием смеси ацетата и формиата кальция можно получить

а) метаналь

б) этаналь

в) пропаналь

г) бутаналь

5. Отличить акролеин от пропионового альдегида можно с помощью

а) бромной воды

б) аммиачного раствора оксида серебра

в) аммиачного раствора гидроксида меди (II)

г) нагретой медной проволоки

6. Межклассовыми изомерами являются

а) этаналь и пропанон-.

б) пропанол-1 и пропаналь

в) пропеналь и пропанал.

г) бутен-3-ол-1 и бутаналь

7. Кротоновой конденсацией бензальдегида с ацетальдегидом получают коричный альдегид — вещество с запахом корицы, используемое в парфюмерии и пищевой промышленности. Его формула