CARBONYLGRUPPE: KARAKTERISTIKA, EGENSKABER, NOMENKLATUR, REAKTIVITET - KEMI

Den carbonylgruppe er en oxygeneret organisk funktionel gruppe, der ligner den gasformige carbonmonoxid- molekyle. Det er repræsenteret som C = O, og selvom det betragtes som organisk, kan det også findes i uorganiske forbindelser; såsom kulsyre, H ₂ CO ₃, eller i organometalforbindelser med CO som bindemiddel.

Det er dog inden for kemi af kulstof, liv, biokemi og andre analoge videnskabelige grene, hvor denne gruppe skiller sig ud for sin enorme betydning. Hvis det ikke var for ham, ville mange molekyler ikke være i stand til at interagere med vand; proteiner, sukkerarter, aminosyrer, fedtstoffer, nukleinsyrer og andre biomolekyler ville ikke eksistere, hvis det ikke var for ham.

Carbonylgruppe. Kilde: Jü

Billedet ovenfor viser, hvordan denne gruppe ser ud i det generelle skelet af en forbindelse. Bemærk, at det er fremhævet af den blå farve, og hvis vi skulle fjerne substituenterne A og B (R eller R ', lige gyldige), ville der være et kuliltemolekyle. Tilstedeværelsen af disse substituenter definerer et stort antal organiske molekyler.

Hvis A og B er andre atomer end carbon, såsom metaller eller ikke-metalliske elementer, kan man have henholdsvis organometalliske eller uorganiske forbindelser. I tilfælde af organisk kemi vil substituenterne A og B altid være enten hydrogenatomer, carbonkæder, linjer med eller uden grene, cykliske eller aromatiske ringe.

Sådan begynder det at forstå, hvorfor carbonylgruppen er ret almindelig for dem, der studerer natur- eller sundhedsvidenskab; det er overalt, og uden det ville de molekylære mekanismer, der forekommer i vores celler, ikke forekomme.

Hvis dens relevans kunne sammenfattes, siges det, at det bidrager med polaritet, surhed og reaktivitet til et molekyle. Hvor der er en carbonylgruppe, er det mere end sandsynligt, at molekylet netop på det tidspunkt kan gennemgå en transformation. Derfor er det et strategisk sted at udvikle organisk syntese gennem oxidation eller nukleofile angreb.

Karakteristika og egenskaber ved carbonylgruppen

Strukturelle karakteristika for carbonylgruppen. Kilde: Azaline Gomberg.

Hvad er de strukturelle og elektroniske egenskaber ved carbonylgruppen? Ovenstående kan det ses, nu med bogstaverne R ¹ og R ² i stedet for A og B, at der eksisterer mellem substituenterne og oxygenatomet en vinkel på 120 ° C; dvs. geometrien omkring denne gruppe er et trigonalt plan.

For at dette kan geometrien, carbon og oxygenatomer må nødvendigvis have sp ² kemisk hybridisering; vil således carbon har tre sp ² orbitaler for at danne enkelte kovalente bindinger med R ¹ og R ², og en ren p orbital til dobbeltbindingen med oxygen.

Dette forklarer, hvordan der kan være en C = O dobbeltbinding.

Hvis billedet observeres, vil det også ses, at ilt har en højere elektrondensitet, 5- end carbon, δ +. Dette skyldes det faktum, at ilt er mere elektronegativt end kulstof, og derfor "frarøver" det elektrondensitet; og ikke kun ham, men også substituenterne R ¹ og R ².

Som følge deraf genereres et permanent dipolmoment, der kan have større eller mindre styrke afhængig af molekylstrukturen. Uanset hvor der er en carbonylgruppe, vil der være dipol-øjeblikke.

Resonansstrukturer

De to resonansstrukturer for denne organiske gruppe. Kilde: Mfomich

En anden konsekvens af elektronegativiteten af ilt er, at der i carbonylgruppen findes resonansstrukturer, der definerer en hybrid (kombinationen af de to strukturer i det øverste billede). Bemærk, at parret af elektroner kan migrere mod p-orbitalen, som efterlader carbonatomet med en positiv delvis ladning; en carbocation.

Begge strukturer lykkes konstant, så kulstof opretholder en konstant mangel på elektroner; for kationer, der er meget tæt på det, vil de opleve elektrostatisk frastødelse. Men hvis det er en anion eller en art, der er i stand til at donere elektroner, vil du føle en stærk tiltrækning for dette kulstof.

Så forekommer det, der er kendt som nukleofilt angreb, hvilket vil blive forklaret i et kommende afsnit.

nomenklatur

Når en forbindelse har gruppen C = O, siges det at være carbonyl. Afhængigt af karbonylforbindelsens art har den således sine egne nomenklaturregler.

Selv om de uanset hvad det er, de alle deler en fælles regel: C = O har prioritet i kulstofkæden ved notering af kulstofatomer.

Dette betyder, at hvis der er grene, halogenatomer, nitrogenfunktionelle grupper, dobbelt- eller tredobbeltbindinger, kan ingen af dem bære et lokaliseringsnummer, der er mindre end C = O; derfor begynder den længste kæde at blive listet så tæt på carbonylgruppen som muligt.

Hvis der på den anden side er flere C = O'er i kæden, og en af dem er en del af en højere funktionel gruppe, vil carbonylgruppen bære en større locator og vil blive nævnt som en oxosubstituent.

Og hvad er dette hierarki? Følgende fra højeste til laveste:

-Carboxylsyrer, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyde, RCOH (eller RCHO)

-Ketone, RCOR

Ved at substituere R og R 'for molekylære segmenter stammer et uendeligt antal carbonylforbindelser med repræsentationerne ovenfor: carboxylsyrer, estere, amider osv. Hver af dem er forbundet med dens traditionelle eller IUPAC-nomenklatur.

Reaktivitet

Nucleophilic angreb

Nukleofilt angreb på carbonylgruppen. Kilde: Benjah-bmm27

Det øverste billede viser det nukleofile angreb, der lider af carbonylgruppen. Nukleofilen, Nu ^-, kan være en anion eller en neutral art med tilgængelige elektronpar; ligesom ammoniak, NH ₃, f.eks. Det ser udelukkende efter kulstof, fordi det ifølge resonansstrukturer har en positiv delladning.

Den positive ladning tiltrækker Nu ^-, som vil forsøge at nærme sig en "flanke", således at der er mindst mulig sterisk hindring fra R og R 'substituenter. Afhængigt af hvor klodsede de er, eller størrelsen på Nu ^{- selv}, vil angrebet finde sted i forskellige vinkler ψ; det kan være meget åbent eller lukket.

Når angrebet finder sted, ^dannes en mellemforbindelse, Nu-CRR'-O ^-; det vil sige, at ilt er tilbage med et par elektroner for at give Nu ^{- mulighed for} at tilføje carbonylgruppen.

Dette negativt ladede ilt kan gribe ind i andre trin i reaktionen; protoneret som en hydroxylgruppe, OH, eller frigivet som et vandmolekyle.

De involverede mekanismer såvel som reaktionsprodukterne opnået ved dette angreb er meget forskellige.

derivater

Det nukleofile middel Nu ^- kan være af mange arter. For hver specifikt, når man reagerer med carbonylgruppen, stammer forskellige derivater.

For eksempel, når nævnte nukleofilt middel er en amin, NH ₂ R, iminer opstår, R ₂ C = NR; hvis det er hydroxylamin, NH ₂ OH, giver anledning til oximer, RR'C = NOH; hvis det er cyanidanionen, produceres CN ^-, cyanohydriner, RR'C (OH) CN osv. med andre arter.

Reduktion

Først blev det sagt, at denne gruppe er iltet og derfor rusten. Dette betyder, at det i betragtning af betingelserne kan reduceres eller miste bindinger til iltatomet ved at erstatte det med hydrogener. For eksempel:

C = O => CH ₂

Denne transformation indikerer, at carbonylgruppen blev reduceret til en methylengruppe; der var en forøgelse af brint som et resultat af tab af ilt. I mere passende kemiske termer: carbonylforbindelsen reduceres til en alkan.

Hvis det er en keton, RCOR', i nærvær af hydrazin, H ₂ N-NH ₂, og en stærkt basisk medium kan reduceres til dets respektive alkan; Denne reaktion er kendt som Wolff-Kishner reduktion:

Wolff-Kishner reduktion. Kilde: Jü

Hvis reaktionsblandingen på den anden side består af amalgameret zink og saltsyre, kaldes reaktionen Clemmensen-reduktion:

Clemmensen reduktion. Kilde: Wikimedia Commons.

Dannelse af acetaler og ketaler

Carbonylgruppen kan ikke kun tilføje nukleofile stoffer Nu ^-, men under sure forhold kan den også reagere med alkoholer ved lignende mekanismer.

Når et aldehyd eller keton delvist reagerer med en alkohol, produceres hæmiacetaler eller hæmicetaler. Hvis reaktionen er afsluttet, er produkterne acetaler og ketaler. Følgende kemiske ligninger opsummerer og præciserer ovennævnte bedre:

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)

Den første reaktion svarer til dannelsen af hæmiacetaler og acetaler fra et aldehyd og den anden af hæmicetaler og ketaler fra en keton.

Disse ligninger er muligvis ikke enkle til at forklare dannelsen af disse forbindelser; Men for en første tilgang til emnet, er det tilstrækkeligt at forstå, at alkoholer tilsættes, og at deres R sidekæder (R ³ og R ⁴) bliver forbundet til carbonylcarbonatomet. Derfor sættes OR ³ og OR ⁴ til det indledende molekyle.

Den største forskel mellem acetal og ketal er tilstedeværelsen af brintatom bundet til carbonet. Bemærk, at ketonen mangler dette brint.

typer

Meget ens som forklaret i nomenklaturafsnittet for carbonylgruppen, hvis typer er en funktion, som er substituenterne A og B eller R og R '. Derfor er der strukturelle træk, der deler en række carbonylforbindelser ud over blot rækkefølgen eller bindingen.

F.eks. Blev der nævnt i begyndelsen af analogien mellem denne gruppe og carbonmonoxid, C0O. Hvis molekylet er blottet for hydrogenatomer, og hvis der er også to terminal C = O, så vil det være en carbonoxid, C _n O ₂. For n lig med 3, vil vi have:

O = C = C = C = O

Hvilket er som om der var to C0O-molekyler forbundet og adskilt med et kulstof.

Carbonylforbindelser kan ikke kun være afledt fra CO-gas, men også fra kulsyre, H ₂ CO ₃ eller OH- (C = O) -OH. Her repræsenterer de to OH'er R og R ', og ved at erstatte en af dem eller deres hydrogener opnås derivater af kolsyre.

Og så er der derivaterne af carboxylsyrer, RCOOH, opnået ved at ændre identiteten af R, eller ved at substituere H med et andet atom eller kæde R '(hvilket ville give anledning til en ester, RCOOR').

Sådan identificeres det i aldehyder og ketoner

Differentiering af keton og aldehyd fra en strukturel formel. Kilde: Gabriel Bolívar.

Både aldehyder og ketoner har til fælles tilstedeværelsen af carbonylgruppen. Dets kemiske og fysiske egenskaber skyldes det. Deres molekylære miljøer er imidlertid ikke de samme i begge forbindelser; i førstnævnte er det i en terminalposition, og i sidstnævnte, hvor som helst i kæden.

For eksempel er carbonylgruppen i det øverste billede inde i en blå boks. I ketoner skal der ved siden af denne boks være et andet carbon- eller kædesegment (øverst); mens der i aldehyder kun kan være et hydrogenatom (bund).

Hvis C = O er i den ene ende af kæden, vil det være en aldehyd; det er den mest direkte måde at skelne fra en keton på.

ID

Men hvordan ved du eksperimentelt, om en ukendt forbindelse er et aldehyd eller en keton? Der er adskillige metoder, fra spektroskopisk (absorption af infrarød stråling, IR) eller kvalitative organiske tests.

Med hensyn til kvalitative tests er disse baseret på reaktioner, som analytikeren, når den er positiv, vil observere en fysisk respons; en ændring i farve, frigivelse af varme, boble dannelse osv.

For eksempel, når tilsætning af en syre opløsning af K ₂ Cr ₂ O ₇ til prøven, vil aldehydet omdanne til carboxylsyre, som forårsager opløsningens farve til ændring fra orange til grøn (positiv test). I mellemtiden reagerer ketoner ikke, og derfor observerer analytikeren ikke nogen farveændring (negativ test).

En anden test er at bruge Tollens-reagenset ⁺ til de reducerede aldehydkationer Ag ⁺ til metallisk sølv. Og resultatet: dannelsen af et sølvspejl i bunden af prøverøret, hvor prøven blev placeret.

Vigtigste eksempler

Endelig vil en række eksempler på carbonylforbindelser blive listet:

-CH ₃ COOH, eddikesyre

-HCOOH, myresyre

-CH ₃ COCH ₃, propanon

CH ₃ COCH ₂ CH ₃, 2-butanon

-C ₆ H ₅ COCH ₃, acetophenon

-CH ₃ CHO, ethanal

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, propylacetat

Hvis der nu nævnes eksempler på forbindelser, der simpelthen har denne gruppe, ville listen blive næsten uendelig.

Referencer

Morrison, RT og Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5. udgave. Redaktionel Addison-Wesley Interamericana.
Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10. udgave.). Wiley Plus.
Reid Danielle. (2019). Carbonyl Group: Egenskaber og oversigt. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
Sharleen Agvateesiri. (05. juni 2019). Carbonyl-gruppen. Kemi LibreTexts. Gendannes fra: chem.libretexts.org
Wiki Kids Ltd. (2018). Carbonylforbindelser. Gendannes fra: simpelthen.videnskab
Toppr. (Sf). Nomenklatur og struktur af Carbonyl-gruppen. Gendannes fra: toppr.com
Clark J. (2015). Oxidation af aldehyder og ketoner. Gendannes fra: chemguide.co.uk

CARBONYLGRUPPE: KARAKTERISTIKA, EGENSKABER, NOMENKLATUR, REAKTIVITET - KEMI - 2025