KARBONILNA SKUPINA: KARAKTERISTIKE, SVOJSTVA, NOMENKLATURA, REAKTIVNOST - KEMIJA - 2025

Karbonilna skupina je organski kisikom funkcionalna skupina koja sliči na molekulu plinovitog ugljičnog monoksida. Predstavlja se kao C = O, i iako se smatra organskim, može se naći i u anorganskim spojevima; kao karbonske kiseline, H ₂ CO ₃ ili u organo-metalni spojevi s CO kao veziva.

Međutim, u kemiji ugljika, životu, biokemiji i drugim analognim znanstvenim granama, ova se skupina ističe svojim ogromnim značajem. Da nije njega, mnoge molekule ne bi mogle komunicirati s vodom; proteini, šećeri, aminokiseline, masti, nukleinske kiseline i druge biomolekule ne bi postojalo da nije njega.

Karbonilna skupina. Izvor: Jü

Slika iznad pokazuje kako ta skupina izgleda u općem kosturu spoja. Imajte na umu da je ona istaknuta plavom bojom, a ako bismo uklonili supstituente A i B (R ili R ', jednako valjani), postojala bi molekula ugljičnog monoksida. Prisutnost ovih supstituenata definira veliki broj organskih molekula.

Ako su A i B atomi osim ugljika, poput metala ili nemetalnih elemenata, može postojati organometalni ili anorganski spoj. U slučaju organske kemije, supstituenti A i B uvijek će biti ili vodikovi atomi, ugljikovi lanci, linije, sa ili bez grana, ciklički ili aromatski prstenovi.

Tako počinje shvaćati zašto je karbonilna skupina uobičajena za one koji proučavaju prirodne ili zdravstvene znanosti; ona je posvuda, a bez nje se ne bi javljali molekularni mehanizmi koji se javljaju u našim stanicama.

Ako se njegova relevantnost može sažeti, moglo bi se reći da pridonosi polaritetu, kiselosti i reaktivnosti molekuli. Tamo gdje postoji karbonilna skupina, više je nego vjerojatno da upravo u tom trenutku molekula može proći transformaciju. Stoga je strateško mjesto za razvijanje organske sinteze oksidacijom ili nukleofilnim napadima.

Karakteristike i svojstva karbonilne skupine

Strukturne karakteristike karbonilne skupine. Izvor: Azaline Gomberg.

Koje su strukturne i elektroničke karakteristike karbonilne skupine? Gore se može vidjeti, pomoću sada slova R ¹ i R ² umjesto A i B, koji postoji između spojeva i atom kisika pod kutom od 120 ° C; to jest, geometrija oko ove skupine je trigonalna ravnina.

Za to da se geometrija, ugljik, a atomi kisika nužno imati sp ² kemijske hibridizaciju; Tako, ugljik imat će tri SP ² orbitale da formira jednu kovalentne veze s R ¹ i R ², i čistim p orbitalne na dvostruku vezu s kisikom.

Ovo objašnjava kako može postojati dvostruka veza C = O.

Ako se slika promatra, vidjet će se i da kisik ima veću gustoću elektrona, δ-, nego ugljik, δ +. To je zbog činjenice da je kisik elektronegativniji od ugljika, pa ga zato „gubi“ gustoćom elektrona; i ne samo njega, nego i R ¹ i R ² supstituenata.

Slijedom toga nastaje stalni dipolni moment koji može biti veće ili manje veličine, ovisno o molekularnoj strukturi. Gdje god postoji karbonilna skupina, doći će do dipola.

Resonančne strukture

Dvije rezonancijske strukture za ovu organsku skupinu. Izvor: Mfomich

Druga posljedica elektronegativnosti kisika je da u karbonilnoj skupini postoje rezonantne strukture koje definiraju hibrid (kombinacija dviju struktura na gornjoj slici). Imajte na umu da par elektrona može migrirati prema p orbitali kisika, što ostavlja ugljikov atom s pozitivnim djelomičnim nabojem; karbokacija.

Obje strukture neprestano uspijevaju, pa ugljik održava stalan nedostatak elektrona; odnosno za katione koji su joj vrlo bliski iskusit će se elektrostatičko odbijanje. Ali, ako se radi o anionu ili vrsti sposobnoj davati elektrone, osjetit ćete snažnu privlačnost za ovaj ugljik.

Tada se događa ono što je poznato kao nukleofilni napad, što će biti objašnjeno u budućem odjeljku.

Nomenklatura

Kad spoj ima skupinu C = O, kaže se da je karbonil. Dakle, ovisno o prirodi karbonilnog spoja, ima svoja pravila nomenklature.

Iako, bez obzira o čemu se radi, svi imaju zajedničko pravilo: C = O ima prednost u ugljičnom lancu pri popisu ugljikovih atoma.

To znači da ako postoje grane, atomi halogena, dušične funkcionalne skupine, dvostruke ili trostruke veze, nijedna od njih ne može imati lokatorski broj niži od C = O; stoga se najduži lanac počinje nabrajati što je moguće bliže karbonilnoj skupini.

Ako s druge strane u lancu postoji nekoliko C = O, a jedan od njih je dio više funkcionalne skupine, tada će karbonilna skupina imati veći lokator i spomenut će kao okso supstituent.

I koja je to hijerarhija? Sljedeće, od najvišeg do najnižeg:

-Karboksilne kiseline, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehid, RCOH (ili RCHO)

-Ketone, RCOR

Zamjenom R i R 'za molekularne segmente nastaje beskonačni broj karbonilnih spojeva predstavljenih gornjim obiteljima: karboksilne kiseline, esteri, amidi itd. Svaka je povezana s svojom tradicionalnom ili IUPAC nomenklaturom.

Reaktivnost

Nukleofilni napad

Nukleofilni napad na karbonilnu skupinu. Izvor: Benjah-bmm27

Gornja slika prikazuje nukleofilni napad koji je pretrpjela karbonilna skupina. Nukleofil, Nu ^-, može biti anion ili neutralna vrsta s dostupnim elektronskim parovima; poput amonijaka, NH ₃, na primjer. Izgleda isključivo za ugljik, jer prema rezonantnim strukturama ima pozitivan djelomični naboj.

Pozitivan naboj privlači Nu ^- koji će pokušati pristupiti "bokom" tako da ima najmanje stericke prepreke od R i R 'supstituenata. Ovisno o tome koliko su glomazne ili o veličini Nu ^{- samog} napada, napad će se dogoditi pod različitim kutovima ψ; može biti vrlo otvorena ili zatvorena.

Jednom kada se napad dogodi, ^{formirat će se} intermedijarni spoj, Nu-CRR'-O; to jest, kisiku je ostavljen par elektrona kako bi se Nu ^- mogao dodati u karbonilnu skupinu.

Ovaj negativno nabijeni kisik može intervenirati u ostalim fazama reakcije; protoniran kao hidroksilna skupina, OH, ili oslobođen u obliku molekule vode.

Mehanizmi koji su uključeni, kao i reakcijski proizvodi dobiveni ovim napadom su vrlo raznoliki.

derivati

Nukleofilno sredstvo Nu ^- može biti mnogih vrsta. Za svaku pojedinačno, kada reagiraju s karbonilnom skupinom, potječu različiti derivati.

Na primjer, kada je navedeni agens nukleofilni amin, NH ₂ R, imini nastaju, R ₂ C = N; ako je hidroksilamin, NH ₂ OH, dovodi do oksima, RR'C = NOH; ako je to cijanidni anion, stvaraju se CN ^-, cijanohidrini, RR'C (OH) CN i tako dalje s drugim vrstama.

Smanjenje

U početku se govorilo da je ta skupina oksigenizirana, a samim tim i zahrđala. To znači da se, s obzirom na uvjete, može smanjiti ili izgubiti veze s atomom kisika zamjenom vodika. Na primjer:

C = O => CH ₂

Ta transformacija ukazuje da je karbonilna skupina reducirana u metilen skupinu; došlo je do dobivanja vodika kao posljedice gubitka kisika. U prikladnijim kemijskim izrazima: karbonilni spoj se reducira u alkan.

Ako je keton, RCOR”, u prisustvu hidrazina, H ₂ N-NH ₂ i jako bazičnom mediju može se svesti na svoje odgovarajuće alkana; Ova reakcija je poznata kao Wolff-Kishner-ova redukcija:

Wolff-Kishner-ova redukcija. Izvor: Jü

Ako se s druge strane reakcijska smjesa sastoji od združenih cinka i klorovodične kiseline, reakcija je poznata kao Clemmensenova redukcija:

Smanjenje Clemmensena. Izvor: Wikimedia Commons.

Formiranje acetala i ketala

Karbonilna skupina ne može samo dodati nukleofilne agense Nu ^-, već pod kiselim uvjetima također može reagirati s alkoholima sličnim mehanizmima.

Kad aldehid ili keton djelomično reagiraju s alkoholom, nastaju hemiacetali, odnosno hemicetali. Ako je reakcija gotova, proizvodi su acetali i ketali. Sljedeće kemijske jednadžbe sažimaju i bolje razjašnjavaju gore navedeno:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³) (hemiacetala) + 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 (ILI ³) (OR ⁴) (ketal)

Prva reakcija odgovara stvaranju hemiacetala i acetala iz aldehida, a druga hemicetala i ketala iz ketona.

Te jednadžbe možda nisu dovoljno jednostavne da objasne stvaranje ovih spojeva; Međutim, u prvom pristupu predmeta, to je dovoljno da se shvatiti da se doda alkohol, a da su im bočni lanci R (R ³ i R ⁴) postaju vezan za karbonilni ugljik. Zato ILI ³ i ILI ^{4 dodaju} na početnu molekule.

Glavna razlika između acetala i ketala je prisutnost atoma vodika vezanog na ugljik. Imajte na umu da ketonu nedostaje ovog vodika.

vrste

Vrlo slično kao što je objašnjeno u nomenklaturi karbonilne skupine, njezine vrste su funkcija kojih su supstituenti A i B, ili R i R '. Stoga postoje strukturne značajke koje dijele niz karbonilnih spojeva izvan redoslijeda ili vrste veza.

Primjerice, spomenuto je na početku analogije između ove skupine i ugljičnog monoksida, C20. Ako molekula lišen atoma vodika i, ako postoje dva terminalna C = O, onda će biti ugljik oksid, C _n O ₂. Za n jednak 3, imat ćemo:

O = C = C = C = O

Što je kao da postoje dvije C10 molekule spojene i razdvojene ugljenikom.

Karbonilni spojevi ne mogu biti izvedeni iz samo CO plin, ali i iz karbonske kiseline, H ₂ CO ₃ ili OH- (C = O) -OH. Ovdje dva OH predstavljaju R i R ', a zamjenom jednog ili njihovog vodika dobivaju se derivati ​​ugljične kiseline.

A tu su i derivati ​​karboksilnih kiselina, RCOOH, dobiveni promjenom identiteta R ili zamjenom H drugim atomom ili lancem R '(koji bi stvorio ester, RCOOR').

Kako ga prepoznati u aldehidima i ketonima

Razlikovanje ketona i aldehida iz strukturne formule. Izvor: Gabriel Bolívar.

I aldehidima i ketonima zajednička je prisutnost karbonilne skupine. Zbog toga nastaju njegova kemijska i fizikalna svojstva. Međutim, njihova molekularna okolina nisu ista u oba spoja; u prvom se nalazi u terminalnom položaju, a u drugom u bilo kojem lancu.

Na primjer, na gornjoj slici je karbonilna skupina unutar plave kutije. U ketonima, pored ove kutije, mora biti još jedan segment ugljika ili lanca (vrh); dok u aldehidima može biti samo jedan atom vodika (dno).

Ako je C = O na jednom kraju lanca, to će biti aldehid; to je najizravniji način za razlikovanje od ketona.

iskaznica

Ali kako eksperimentalno znati je li nepoznati spoj aldehid ili keton? Postoje brojne metode, od spektroskopskih (apsorpcija infracrvenog zračenja, IR) ili kvalitativnih organskih testova.

Što se tiče kvalitativnih testova, oni se temelje na reakcijama koje će, kad budu pozitivne, analitičar promatrati fizički odgovor; promjena boje, oslobađanje topline, stvaranje mjehurića itd.

Na primjer, kada je kiselinski otopina K ₂ Cr ₂ O ₇ je dodan u uzorak, aldehid će se transformirati u karboksilne kiseline, što uzrokuje boju otopine na promjenu od narančaste do zelene (pozitivan test). U međuvremenu, ketoni ne reagiraju, i samim tim analitičar ne primjećuje nikakvu promjenu boje (negativan test).

Drugi test sastoji se od upotrebe Tollensovog reagensa, ⁺, tako da aldehid reducira Ag ⁺ katione u metalno srebro. I rezultat: formiranje srebrnog zrcala na dnu epruvete u koju je stavljen uzorak.

Glavni primjeri

Napokon će biti naveden niz primjera karbonilnih spojeva:

-CH ₃ COOH, octena kiselina

-HCOOH, mravlje kiselina

-CH ₃ COCH ₃, propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃, 2-butanon

C ₆ H ₅ COCH ₃, acetofenon

-CH ₃ CHO, etanala

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanala

C ₆ H ₅ CHO, benzaldehid

-CH ₃ CONH ₂, acetamid

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃, propil acetat

Ako se sada navode primjeri spojeva koji jednostavno posjeduju ovu skupinu, popis bi postao gotovo beskrajan.

Reference

1. Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdanje Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdanje.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Karbonilna skupina: Svojstva i pregled. Studija. Oporavilo od: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05. lipnja 2019.). Karbonilna skupina. Kemija LibreTexts. Oporavak od: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonilni spojevi. Oporavak od: jednostavno.znanost
7. Toppr. (SF). Nomenklatura i struktura karbonilne skupine. Oporavilo od: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oksidacija aldehida i ketona. Oporavak od: chemguide.co.uk