GRUPA KARBONYLOWA: CHARAKTERYSTYKA, WŁAŚCIWOŚCI, NAZEWNICTWO, REAKTYWNOŚĆ - CHEMIA - 2026

Grupa karbonylowa jest utlenioną organiczną grupą funkcyjną, która przypomina cząsteczkę gazowego tlenku węgla. Jest przedstawiany jako C = O i chociaż jest uważany za organiczny, można go również znaleźć w związkach nieorganicznych; jak kwas węglowy, H ₂ CO ₃ lub w związkach metaloorganicznych z CO jako środkiem wiążącym.

Jednak to właśnie w chemii węgla, życiu, biochemii i innych analogicznych gałęziach nauki grupa ta wyróżnia się ogromnym znaczeniem. Gdyby nie on, wiele cząsteczek nie byłoby w stanie wchodzić w interakcje z wodą; białka, cukry, aminokwasy, tłuszcze, kwasy nukleinowe i inne biocząsteczki nie istniałyby, gdyby nie on.

Grupa karbonylowa. Źródło: Jü

Powyższy obrazek pokazuje, jak ta grupa wygląda w ogólnym szkielecie związku. Zwróć uwagę, że jest zaznaczony niebieskim kolorem i gdybyśmy usunęli podstawniki A i B (R lub R ', równie ważne), powstałaby cząsteczka tlenku węgla. Obecność tych podstawników definiuje dużą liczbę cząsteczek organicznych.

Jeśli A i B są atomami innymi niż węgiel, takimi jak metale lub pierwiastki niemetaliczne, to można mieć odpowiednio związki metaloorganiczne lub nieorganiczne. W przypadku chemii organicznej podstawniki A i B zawsze będą atomami wodoru, łańcuchami węglowymi, liniami, z rozgałęzieniami lub bez, pierścieniami cyklicznymi lub aromatycznymi.

W ten sposób zaczyna się rozumieć, dlaczego grupa karbonylowa jest dość powszechna dla tych, którzy studiują nauki przyrodnicze lub o zdrowiu; jest wszędzie i bez niej mechanizmy molekularne zachodzące w naszych komórkach nie wystąpiłyby.

Gdyby można było podsumować jego znaczenie, można by powiedzieć, że przyczynia się do polarności, kwasowości i reaktywności cząsteczki. Tam, gdzie jest grupa karbonylowa, jest więcej niż prawdopodobne, że właśnie w tym momencie cząsteczka może przejść transformację. Dlatego jest to strategiczne miejsce do rozwoju syntezy organicznej poprzez utlenianie lub ataki nukleofilowe.

Charakterystyka i właściwości grupy karbonylowej

Charakterystyka strukturalna grupy karbonylowej. Źródło: Azaline Gomberg.

Jakie są strukturalne i elektroniczne właściwości grupy karbonylowej? Powyżej można zauważyć, używając teraz liter R ¹ i R ² zamiast A i B, że między podstawnikami a atomem tlenu istnieje kąt 120 ° C; to znaczy, geometria wokół tej grupy jest płaszczyzną trygonalną.

Aby było to geometrię, węgla i tlenu musi koniecznie sp ² hybrydyzacji chemiczną ; Zatem, węgiel posiada trzy SP ² orbitali w celu utworzenia pojedynczych wiązań kowalencyjnych z R ¹ i R ² oraz czystego p orbitalnej w podwójne wiązanie z tlenem.

To wyjaśnia, jak może istnieć podwójne wiązanie C = O.

Jeśli obserwuje się obraz, widać również, że tlen ma większą gęstość elektronową, δ-, niż węgiel, δ +. Wynika to z faktu, że tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel i dlatego „pozbawia” go gęstości elektronowej; a nie tylko nim, ale również podstawniki R ¹ i R ² podstawniki .

W konsekwencji generowany jest trwały moment dipolowy, który może mieć większą lub mniejszą wielkość w zależności od struktury molekularnej. Gdziekolwiek jest grupa karbonylowa, będą momenty dipolowe.

Struktury rezonansowe

Dwie struktury rezonansowe dla tej grupy organicznej. Źródło: Mfomich

Inną konsekwencją elektroujemności tlenu jest to, że w grupie karbonylowej znajdują się struktury rezonansowe, które definiują hybrydę (połączenie dwóch struktur na górnym obrazie). Zauważ, że para elektronów może migrować w kierunku orbitalu p tlenu, który opuszcza atom węgla z dodatnim częściowym ładunkiem; karbokacja.

Obie struktury nieustannie się rozwijają, więc węgiel utrzymuje stały niedobór elektronów; to znaczy, że kationy, które są bardzo blisko niej, będą odczuwać odpychanie elektrostatyczne. Ale jeśli jest to anion lub gatunek zdolny do przekazywania elektronów, poczujesz silne przyciąganie tego węgla.

Następnie dochodzi do tak zwanego ataku nukleofilowego, co zostanie wyjaśnione w następnej sekcji.

Nomenklatura

Gdy związek ma grupę C = O, mówi się, że jest karbonylem. Tak więc, w zależności od charakteru związku karbonylowego, ma on swoje własne zasady nomenklatury.

Chociaż bez względu na to, co to jest, wszystkie mają wspólną zasadę: C = O ma pierwszeństwo w łańcuchu węglowym przy wymienianiu atomów węgla.

Oznacza to, że jeśli istnieją rozgałęzienia, atomy halogenu, azotowe grupy funkcyjne, wiązania podwójne lub potrójne, to żadne z nich nie może mieć numeru lokalizatora mniejszego niż C = O; dlatego najdłuższy łańcuch zaczyna być umieszczany jak najbliżej grupy karbonylowej.

Z drugiej strony, jeśli w łańcuchu jest kilka C = O, a jeden z nich jest częścią wyższej grupy funkcyjnej, wówczas grupa karbonylowa będzie miała większy lokator i będzie wymieniana jako podstawnik okso.

A co to za hierarchia? Od najwyższej do najniższej:

-Kwasy karboksylowe, RCOOH

-Ester, RCOOR ”

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyd, RCOH (lub RCHO)

-Keton, RCOR

Zastępując R i R 'segmentami molekularnymi, powstaje nieskończona liczba związków karbonylowych reprezentowanych przez powyższe rodziny: kwasy karboksylowe, estry, amidy itp. Każdy z nich jest powiązany z jego tradycyjną nomenklaturą lub IUPAC.

Reaktywność

Atak nukleofilowy

Atak nukleofilowy na grupę karbonylową. Źródło: Benjah-bmm27

Górny obraz przedstawia atak nukleofilowy, jakiego doznała grupa karbonylowa. Nukleofil, Nu ^- , może być anionem lub obojętnym związkiem z dostępnymi parami elektronów; jak amoniak, NH ₃ , na przykład. Poszukuje wyłącznie węgla, ponieważ zgodnie ze strukturami rezonansowymi ma dodatni ładunek cząstkowy.

Dodatni ładunek przyciąga Nu ^- , która będzie dążyć do podejścia przez „bok”, tak że znajduje się co najmniej z zawadą przestrzenną z podstawników R i R”. W zależności od tego, jak duże są one lub od rozmiaru samego Nu ^- atak nastąpi pod różnymi kątami ψ; może być bardzo otwarty lub zamknięty.

Gdy nastąpi atak, powstanie związek pośredni, Nu-CRR'-O ^- ; to znaczy, tlen pozostaje z parą elektronów, aby umożliwić Nu ^- dodanie do grupy karbonylowej.

Ten ujemnie naładowany tlen może wpływać na inne etapy reakcji; protonowana jako grupa hydroksylowa, OH lub uwalniana jako cząsteczka wody.

Zaangażowane mechanizmy, jak również produkty reakcji uzyskane w wyniku tego ataku, są bardzo zróżnicowane.

Pochodne

Środek nukleofilowy Nu ^- może być wielu gatunków. W szczególności dla każdego z nich podczas reakcji z grupą karbonylową powstają różne pochodne.

Na przykład, gdy wspomniany środek nukleofilowym jest amina, NH ₂ R iminy powstają R ₂ C = N; jeśli jest to hydroksyloamina, NH ₂ OH, daje początek oksymom, RR'C = NOH; jeśli jest to anion cyjankowy, CN ^- , cyjanohydryny, RR'C (OH) CN są produkowane i tak dalej z innymi gatunkami.

Zmniejszenie

Początkowo mówiono, że ta grupa jest dotleniona, a przez to zardzewiała. Oznacza to, że biorąc pod uwagę warunki, można go zmniejszyć lub stracić wiązania z atomem tlenu, zastępując go wodorami. Na przykład:

C = O => CH ₂

Ta transformacja wskazuje, że grupa karbonylowa została zredukowana do grupy metylenowej; nastąpił przyrost wodoru w wyniku utraty tlenu. W bardziej odpowiednich terminach chemicznych: związek karbonylowy jest redukowany do alkanu.

Jeśli jest to, keton RCOR”, w obecności hydrazyny H ₂ N-NH ₂ i silnie zasadowe medium może być zredukowana do odpowiedniego alkanu; Ta reakcja jest znana jako redukcja Wolffa-Kishnera:

Redukcja Wolffa-Kishnera. Źródło: Jü

Jeśli z drugiej strony mieszanina reakcyjna składa się z amalgamatu cynku i kwasu solnego, reakcja jest znana jako redukcja Clemmensena:

Redukcja Clemmensena. Źródło: Wikimedia Commons.

Tworzenie acetali i ketali

Grupa karbonylowa może nie tylko dodawać środki nukleofilowe Nu ^- , ale w warunkach kwaśnych może również reagować z alkoholami na podstawie podobnych mechanizmów.

Gdy aldehyd lub keton częściowo reaguje z alkoholem, powstają odpowiednio półacetale lub półmetale. Jeśli reakcja jest zakończona, produktami są acetale i ketale. Poniższe równania chemiczne podsumowują i lepiej wyjaśniają powyższe:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³ ) (hemiacetal) + R ⁴ OH g RCH (OR ³ ) (OR ⁴ ) (Acetal)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (OR ³ ) (Hemicetal) + R ⁴ OH g RCOR ² (OR ³ ) (OR ⁴ ) (ketal)

Pierwsza reakcja odpowiada tworzeniu półacetali i acetali z aldehydu, a druga hemicetali i ketali z ketonu.

Te równania mogą nie być wystarczająco proste, aby wyjaśnić powstawanie tych związków; Jednakże, dla pierwszego podejścia do kwestii, wystarczy rozumieć, że alkohole są dodawane, a ich łańcuchy boczne R (R ³ i R ⁴ ) stają się związane z atomem węgla grupy karbonylowej. Dlatego do początkowej cząsteczki ^dodaje się OR ³ i OR ⁴ .

Główną różnicą między acetalem a ketalem jest obecność atomu wodoru związanego z węglem. Zauważ, że keton nie zawiera tego wodoru.

Rodzaje

Bardzo podobne, jak wyjaśniono w sekcji nomenklatury dla grupy karbonylowej, jej typy są funkcją których są podstawniki A i B lub R i R '. Dlatego istnieją cechy strukturalne, które mają wspólny szereg związków karbonylowych poza tylko porządkiem lub rodzajem wiązań.

Przykładowo na początku wspomniano o analogii między tą grupą a tlenkiem węgla C≡O. Jeśli cząsteczka jest pozbawiona atomów wodoru i jeśli występują również dwa końcowe C = O, to będzie to tlenek węgla C _n O ₂ . Dla n równego 3 będziemy mieli:

O = C = C = C = O

To tak, jakby były dwie cząsteczki C≡O połączone i rozdzielone atomem węgla.

Związki karbonylowe mogą pochodzić nie tylko z gazu CO, ale także z kwasu węglowego, H ₂ CO ₃ lub OH- (C = O) -OH. Tutaj dwa OH oznaczają R i R ', a zastępując jeden z nich lub ich atomy wodoru, otrzymuje się pochodne kwasu węglowego.

Są też pochodne kwasów karboksylowych, RCOOH, otrzymane przez zmianę tożsamości R lub podstawienie H na inny atom lub łańcuch R '(co dałoby początek estru RCOOR').

Jak rozpoznać to w aldehydach i ketonach

Różnicowanie ketonu i aldehydu z wzoru strukturalnego. Źródło: Gabriel Bolívar.

Zarówno aldehydy, jak i ketony mają wspólną obecność grupy karbonylowej. Z tego powodu ma właściwości chemiczne i fizyczne. Jednak ich środowiska molekularne nie są takie same w obu związkach; w pierwszym przypadku znajduje się w położeniu końcowym, aw drugim w dowolnym miejscu łańcucha.

Na przykład na górnym obrazku grupa karbonylowa znajduje się w niebieskim pudełku. W ketonach obok tego pudełka musi znajdować się inny segment węgla lub łańcucha (u góry); podczas gdy w aldehydach może być tylko jeden atom wodoru (na dole).

Jeśli C = O znajduje się na jednym końcu łańcucha, będzie to aldehyd; to najbardziej bezpośredni sposób na odróżnienie go od ketonu.

ID

Ale skąd możesz wiedzieć eksperymentalnie, czy nieznany związek jest aldehydem czy ketonem? Metod jest wiele, od spektroskopowych (absorpcja promieniowania podczerwonego, IR) po jakościowe badania organiczne.

Jeśli chodzi o testy jakościowe, opierają się one na reakcjach, które, gdy są pozytywne, analityk zaobserwuje reakcję fizyczną; zmiana koloru, wydzielanie ciepła, tworzenie się pęcherzyków itp.

Na przykład po dodaniu do próbki kwaśnego roztworu K ₂ Cr ₂ O ₇ aldehyd przekształci się w kwas karboksylowy, co spowoduje zmianę koloru roztworu z pomarańczowego na zielony (test pozytywny). Tymczasem ketony nie reagują, dlatego analityk nie obserwuje żadnej zmiany koloru (test ujemny).

Inny test polega na użyciu odczynnika Tollensa ⁺ , aby aldehyd zredukował kationy Ag ⁺ do metalicznego srebra. Rezultat: powstanie srebrnego lustra na dnie probówki, w której została umieszczona próbka.

Główne przykłady

Na koniec zostanie wymieniona seria przykładów związków karbonylowych:

-CH ₃ COOH, kwas octowy

-HCOOH, kwas mrówkowy

-CH ₃ COCH ₃ , propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanon

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , acetofenon

-CH ₃ CHO, etanal

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehyd

-CH ₃ CONH ₂ , acetamid

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , octan propylu

Teraz, gdyby przytoczyć przykłady związków, które po prostu posiadają tę grupę, lista byłaby prawie nieskończona.

Bibliografia

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Chemia organiczna. Wydanie 5. Od redakcji Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy. (Wydanie 10.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Grupa karbonylowa: Właściwości i przegląd. Badanie. Odzyskany z: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05 czerwca 2019). Grupa karbonylowa. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Związki karbonylowe. Odzyskane z: Simply.science
7. Toppr. (sf). Nazewnictwo i struktura grupy karbonylowej. Odzyskany z: toppr.com
8. Clark J. (2015). Utlenianie aldehydów i ketonów. Źródło: chemguide.co.uk