الألدهيدات: الصيغة الكيميائية، الخصائص، التفاعلات، التطبيقات

تنتمي الألدهيدات إلى فئة المركبات العضوية الكربونيلية، وتتميز أغلبها برائحة طيبة، ما يجعلها تستخدم في صناعة العطور. وهي مشتقة من الكحولات عن طريق نزع ذرة هيدروجي واحدة (اختزال).

سنتعرف في هذه المقالة بشكل مفصل على الألدهيدات؛ سنتطرق إلى الصيغة الكيميائية مع التسمية. وكذلك أنواع والخصائص الفيزيائية للألدهيدات. وسنشرح أيضا التفاعلات الكيميائية وأمثلة لبعض الألدهيدات الشائعة. ونختم بأهمية هذه المركبات في التطبيقات الصناعية والتجارية والتطبيقات الحيوية.

ما هي الألدهيدات؟

الألدهيدات هي مجموعة من المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعة وظيفية كربونيلية(C=O)، والتي تتكون من ذرة كربون مرتبطة بذرة أكسجين برابطة مزدوجة.

تحدد المجموعة الوظيفية هذه التفاعلات والخصائص الفيزيائية للألدهيدات. تمتلك هذه الجزيئات علاقة قوية بالكحولات الأولية والأحماض الكربوكسيلية. يمكن إنتاج هذه المواد من بعضها عن طريق الأكسدة أو الاختزال. كما ستظهر في الصيغة البنائية، فإن هذه المركبات جميعها طرفية. أي أنها تحمل الزمرة الوظيفية في طرف الجزيء.

الصيغة الكيميائية للألدهيدات

الصيغة العامة للألدهيدات هي:\(\ce{RCHO}\) أو \(\ce{R-CH=O}\). وتكون مفصلة في الشكل التالي:

الشكل يوضح الصيغة الكيميائية العامة للألدهيدات ومجموعة الكربونيل. حيث، R يمثل مجموعة ألكيلية أو هيدروجين.

يمكن تسمية الألدهيدات بناء على الصيغ الكيميائية الخاصة بها باتباع نظام أيوباك (IUPAC) لتسمية المركبات العضوية.

تسمية الألدهيدات

يستخدم الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (أيوباك، IUPAC)، اللاحقة "ال" وإضافتها إلى أسماء الألكانات لتسمية الألدهيدات. وهناك تسميات شائعة لكثير من مركبات الألدهيدات. في الجدول التالي نتعرف على التسمية والصيغة الكيميائية لبعض هذه الجزيئات.

التسمية والصيغة الكيميائية للألدهيدات

الاسم	الصيغة الكيميائية	الاسم	الصيغة الكيميائية
الميثانال	\(\ce{HCHO}\)	الإيثانال	\(\ce{CH3CHO}\)
البروبانال	\(\ce{CH3CH2CHO}\)	البوتانال	\(\ce{CH3CH2CH2CHO}\)
البنتانال	\(\ce{CH3(CH2)3CHO}\)	الهكسانال	\(\ce{CH3(CH2)4CHO}\)
الأوكتانال	\(\ce{CH3(CH2)6CHO}\)	النونانال	\(\ce{CH3(CH2)7CHO}\)
الديكانال	\(\ce{CH3(CH2)8CHO}\)	الأندكانال	\(\ce{CH3(CH2)9CHO}\)

الصيغة البنائية المتطورة لبعض الألدهيدات مع التسمية

هنا تسمية بعض الألدهيدات الأليفاتية بالطريقة النظامية والشائعة (التسمية الشائعة داخل الأقواس):

الشكل يوضح من اليسار إلى اليمين الصيغة البنائية للألدهيدات؛ الميثانال(فورمالديهيد، Methanal)، الإيثانال(أسيتالدهيد، Ethanal)، البيوتانال(Butanal) على التوالي.

وهذا شكل يحتوي على التسمية الشائعة وصيغ بعض المركبات الألدهيدية الأروماتية والحلقية.

الشكل يحتوي من اليسار إلى اليمين على تسمية الألدهيدات؛ بارا-تولوألديهيد(P-tolualdehyde)، 3-ميثيل هكسان-1-كاربالديهيد(3-methylhexane-1-carbaldehyde)، بنزالديهيد(Benzaldehyde) على التوالي.

الفرق بين صيغة الألدهيدات والكيتونات

تكون مجموعة الكربونيل في الألدهيدات طرفية بينما في الكيتونات تكون داخل الجزيء. هذا يعني أن ذرة الهيدروجين الموجودة في كربونيل الألدهيد مستبدلة بمجموعة ألكيلية في الكيتونات.

يأتي هذا الاختلاف من أن الألدهيدات يتم تحضيرها من خلال أكسدة الكحولات الأولية وهي طرفية. بينما الكيتونات يتم تحضيرها عن طريق أكسدة الكحولات الثانوية والتي تحتوي على مجموعة الهيدروكسيل القابلة للأكسدة داخل الجزيء.

أنواع الألدهيدات

يمكن تقسيم الألدهيدات إلى أليفاتية وأروماتية وذلك وفقا للشكل الذي تكون عليه السلسلة الألكيلية.

الألدهيدات الأليفاتية: هي مركبات عضوية لا تحتوي على حلقات عطرية مرتبطة بمجموعة الألدهيدات. لا تحتوي هذه الجزيئات على أي حلقة عطرية متصلة بأي مكان في المركب.

النتيجة:

• لا تتمتع الجزيئات بالاستقرار الرنيني.
• تحتوي الجزيئات على مجموعات -CHO إلكتروفيلية جدا، ما يجعلها ذات نشاط تفاعلي عالي.

الألدهيدات العطرية: هي جزيئات عضوية تحتوي على مجموعة وظيفية CHO مرتبطة بمجموعة عطرية. تتكون المجموعات العطرية من حلقة كربونية تحتوي على نظام رابطة باي المتسلسل، والذي يوفر سحابة إلكترونية منتشرة.

عندما ترتبط المجموعة الوظيفية CHO مباشرة بالحلقة العطرية، فإنها تعزز تداخل مدار pi بين مدار الكربونيل ومدارات المجموعة العطرية. يؤدي هذا إلى إعادة توزيع تأثير طبيعة الأكسجين التي تحتوي على الإلكترون في مجموعة -CHO التي تشارك في تكوين الحلقة العطرية.

النتيجة:

• تصبح مجموعة الألدهيد أقل إلكتروفيلية.
• تتمتع الجزيئات بالاستقرار الرنيني.

خصائص الألدهيدات

تؤثر مجموعة الكربونيل على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألدهيدات. تؤدي القطبية العالية لمجموعة الكربونيل إلى نقاط انصهار وغليان أعلى من الهيدروكربونات، وزيادة قابلية ذوبان الألدهيدات التي تحتوي على أقل من خمس ذرات كربون في الماء.

أهم الخصائص الفيزيائية للألدهيدات

• الحالة الفيزيائية: الألدهيدات التي تحتوي على أقل من 12 ذرة كربون تكون سوائل عديمة اللون، بينما الألدهيدات التي تحتوي على أكثر من 12 ذرة كربون تكون مواد صلبة.
• الرائحة: باستثناء الألدهيدات ذات الكربون المنخفض، والتي لها روائح كريهة، فإن جميع الألدهيدات الأخرى عمومًا لها رائحة لطيفة.
• الذوبانية: الألدهيدات التي تحتوي على أقل من خمس ذرات كربون قابلة للذوبان في الماء بسبب الرابطة الهيدروجينية، ولكن تلك التي تحتوي على أكثر من خمس ذرات كربون غير قابلة للذوبان.
• نقطة الغليان: تعد نقاط غليان الألدهيدات أعلى من تلك الخاصة بالمركبات غير القطبية (الهيدروكربونات) أو المركبات ضعيفة القطبية ذات الأوزان الجزيئية المماثلة. ومع ذلك، فإن درجة غليانها أقل من تلك الخاصة بالكحولات أو الأحماض الكربوكسيلية المقابلة لها.

ملحوظة: تشبه خصائص الألدهيدات خصائص الكيتونات، ولكن هناك بعض الاختلافات الرئيسية، مثل:

• الألدهيدات لها رائحة نفاذة، بينما الكيتونات لها رائحة طيبة.
• الألدهيدات قابلة للذوبان في الماء بشكل أفضل من الكيتونات.
• الألدهيدات لها نقاط غليان أعلى من الكيتونات.

التفاعلات الكيميائية للألدهيدات

هناك العديد من التفاعلات الكيميائية المهمة للألدهيدات. إليك بعض الأمثلة:

1. الأكسدة: يتفاعل الألدهيد مع مؤكسد قوي مثل حمض الكروميك (H2CrO4) أو حمض البوتاسيوم ثنائي كرومات (K2Cr2O7) لتكوين حمض الكربوكسيل المقابل وماء. على سبيل المثال: \[\ce{CH3CHO + [O] → CH3COOH}\]

2. الاختزال: يمكن اختزال الألدهيدات إلى كحولات أولية باستخدام عوامل اختزال مثل هيدريد ألومنيوم الليثيوم (LiAlH4) أو بوروهيدريد الصوديوم (NaBH4). وفقا للمعادلة التالية:\[\ce{RCHO + 2[H] -> RCH2OH}\]

3. تفاعل كشف الألدهيد: يمكن استخدام مركبات مثل الفينيل هيدرازين (PhNHNH2) لكشف وتفريق الألدهيدات. يتفاعل الألدهيد مع الفينيل هيدرازين لتكوين منتج هيدرازون ذو لون مميز.\[\ce{RCHO + PhNHNH2 → RCH=N-NHPh + H2O}\]

4. تفاعل تكثيف الألدهيد (تكاثف ألدول): يتفاعل الألدهيد مع نفسه أو مع كيتونات أخرى لتشكيل مركبات عضوية أكبر تسمى الألدول. على سبيل المثال: \[\ce{2CH3CHO → CH3CH(OH)CH2CHO}\]

تشير كلمة "ألد" إلى الألدهيد و "ول" إلى الجزء الكحولي. يحدث هذا التفاعل في وجود قاعدة ضعيفة أو حمض ضعيف. حيث يتحد α-كربون في أحد الجزيئين مع مجموعة الكربونيل في الجزيء الآخر، وينتج عن ذلك β-هيدروكسي ألدهيد. يجب أن يحتوي ألفا-كربون في الجزيء الأول على هيدروجين-ألفا. وعند انتزاع جزيء الماء من ناتج التفاعل يتكون جزيء غير مشبع عند الموضع ألفا-بيتا\(\ce{(\beta C=\alpha C-CHO)}\)
يصبح ناتج التفاعل السابق كالتالي:\[\ce{CH3CH(OH)CH2CHO ->[][\ce{-H2O}] CH3CH=CHCHO}\]

5. الإضافة المحبة للنواة(الإضافة النيوكلوفيلية): تتفاعل الألدهيدات مع النيوكليوفيلات مثل الماء أو الكحولات أو الأمينات الأولية أو كواشف جرينارد لتكوين منتجات الإضافة المناسبة.$$\ce{RCHO + H2O -> RCH(OH)2\\RCHO + 2R'OH -> RCH(OR')2\\RCHO + RNH2 -> RCH(NHR')2}$$(R' يمكن أن تمثل مجموعات ألكيلية)

6. تفاعل كانيزارو: يمكن للألدهيدات التي لا تحتوي على هيدروجينات ألفا أن تخضع للاختزال الذاتي في وجود قلويات مركزة لتعطي كحول وحمض كربوكسيلي.\[\ce{2RCHO + OH- -> RCOOH + RCH2OH}\]

7. تفاعل فيتيج: يمكن أن تتفاعل الألدهيدات مع إيلدات الفوسفور لتكوين الألكينات.\[\ce{RCHO + Ph3P=CH2 -> RCH=CH2 + Ph3PO}\]

هذه مجرد بعض الأمثلة من التفاعلات الكيميائية المهمة للألدهيدات. هناك المزيد من التفاعلات التي يمكن أن تحدث مع الألدهيدات وتؤدي إلى تكوين منتجات مختلفة ومركبات عضوية متنوعة.

أمثلة على الألدهيدات مع استخداماتها

توجد الألدهيدات في العديد من المنتجات الطبيعية والاصطناعية، ولها نطاق واسع من التطبيقات في الصناعة والتجارة.

 بعض الأمثلة الشائعة للألدهيدات تشمل:

•  الفورمالديهايد (الميثانال): غاز عديم اللون ذو رائحة نفاذة، ويستخدم الفورمالديهايد في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية، مثل إنتاج الراتنجات والمواد اللاصقة والبلاستيك.  كما أنه يستخدم كمطهر وكمادة حافظة.
•  الأسيتالديهيد (الإيثانال): سائل عديم اللون ذو رائحة فاكهية حلوة، يتم إنتاج الأسيتالديهيد بشكل طبيعي من الفواكه والخضروات.  كما أنها تستخدم في إنتاج حمض الخليك والخل والعطور.
•  البروبيونالدهيد (البروبانال): سائل عديم اللون ذو رائحة نفاذة، يستخدم البروبيونالدهيد في إنتاج مواد كيميائية مختلفة، مثل البلاستيك والمذيبات والأدوية.
•  بيوتيرالدهيد (بيوتانال): سائل عديم اللون ذو رائحة زبدانية حلوة، يستخدم بيوتيرالدهيد في إنتاج النكهات الاصطناعية والعطور.
•  البنزالديهايد (فينيل ميثانال): سائل عديم اللون ذو رائحة تشبه رائحة اللوز، ويستخدم البنزالديهيد في إنتاج العطور والمنكهات والمستحضرات الصيدلانية.
•  سينمالدهيد: سائل أصفر ذو رائحة تشبه رائحة القرفة، سينمالدهيد هو مركب النكهة الرئيسي في القرفة.  كما أنه يستخدم في العطور والمنتجات الغذائية الأخرى.
  
•  الفانيلين: مسحوق بلوري أبيض ذو رائحة تشبه رائحة الفانيليا، يستخدم كمنكه في مجموعة واسعة من المنتجات الغذائية والمشروبات.

 توجد الألدهيدات أيضًا في العديد من الأنظمة البيولوجية.  على سبيل المثال، الشبكية، الجزيء الحساس للضوء في العين، هو ألدهيد.  وتشارك الألدهيدات أيضًا في استقلاب الكربوهيدرات والجزيئات الحيوية الأخرى.

أهمية الألدهيدات (التطبيقات)

لدى هذه المركبات أهمية كبيرة في الحياة اليومية؛ لديها استخدامات مهمة في المجالات الصناعية والتجارية بجانب الاستخدامات الحيوية لها. وتشمل هذه التطبيقات:

• التطبيقات الصناعية والتجارية:

  تستخدم الألدهيدات في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية والتجارية، بما في ذلك:

  • صناعة العطور: تستخدم الألدهيدات لإضافة رائحة إلى العطور والمنتجات الأخرى.
  • صناعة المواد اللاصقة: تستخدم أيضا لصنع مواد لاصقة قوية.
  • صناعة الأدوية: تستخدم الألدهيدات في تصنيع الأدوية.
  • صناعة البلاستيك: تخضع الألدهيدات لتفاعلات البلمرة، وينتج عنها مواد بلاستيكية، مثل البكليك[1].
  • صناعة المنسوجات: يتم استخدام الألدهيدات في تصنيع الأقمشة.
  • صناعة الأغذية: تستخدم الألدهيدات في تصنيع الأطعمة المصنعة.
• التطبيقات الحيوية

  وتوجد الألدهيدات بشكل طبيعي في العديد من الكائنات الحية، بما في ذلك النباتات والحيوانات. الألدهيدات مهمة في العديد من العمليات الحيوية، بما في ذلك:

  • التمثيل الغذائي: تستخدم في عملية التمثيل الغذائي.
  • الإشارات الخلوية: تستخدم الألدهيدات في نقل الإشارات بين الخلايا.
  • الدفاع المناعي: تستعمل الألدهيدات في الدفاع ضد مسببات الأمراض.

المصادر

1. March, J. and Brown, . William H. (2023, August 1). aldehyde. Encyclopedia Britannica.