KARBONILNA SKUPINA: LASTNOSTI, LASTNOSTI, NOMENKLATURA, REAKTIVNOST - KEMIJA - 2025

Skupina karbonil je oksidirana organska funkcionalna skupina, ki je podoben plinastega ogljikovega monoksida molekulo. Predstavljen je kot C = O, in čeprav velja za organsko, ga lahko najdemo tudi v anorganskih spojinah; kot ogljikove kisline, H ₂ CO ₃ , ali organokovinske spojine s CO kot vezivo.

Vendar pa ta skupina izstopa iz svojega ogromnega pomena v kemiji ogljika, življenja, biokemije in drugih podobnih znanstvenih vej. Če ne bi bilo njega, veliko molekul ne bi moglo komunicirati z vodo; beljakovin, sladkorja, aminokislin, maščob, nukleinskih kislin in drugih biomolekul ne bi bilo, če ne bi bilo njega.

Karbonilna skupina. Vir: Jü

Zgornja slika prikazuje, kako izgleda ta skupina v splošnem okolju spojine. Upoštevajte, da je poudarjena z modro barvo in če odstranimo substituenta A in B (R ali R ', enako veljavna), bi ostala molekula ogljikovega monoksida. Prisotnost teh substituentov določa veliko število organskih molekul.

Če sta A in B atoma, ki niso ogljik, kot so kovine ali nekovinski elementi, ima lahko organometalne ali anorganske spojine. V primeru organske kemije bosta substituenta A in B vedno atom vodika, ogljikove verige, črte, z ali brez vej, ciklični ali aromatski obročki.

Tako se začne razumeti, zakaj je karbonilna skupina dokaj pogosta za tiste, ki študirajo naravoslovne ali zdravstvene vede; povsod je in brez nje se ne bi pojavili molekularni mehanizmi, ki se pojavljajo v naših celicah.

Če bi lahko povzeli njegovo pomembnost, bi rekli, da molekuli prispeva polarnost, kislost in reaktivnost. Kjer obstaja karbonilna skupina, je več kot verjetno, da lahko ravno na tej točki molekula preobrazi. Zato je strateško mesto za razvoj organske sinteze z oksidacijo ali nukleofilnimi napadi.

Značilnosti in lastnosti karbonilne skupine

Strukturne značilnosti karbonilne skupine. Vir: Azaline Gomberg.

Kakšne so strukturne in elektronske značilnosti karbonilne skupine? Predvsem je razvidno, sedaj uporablja črke R ¹ in R ² namesto A in B, ki obstaja med substituentov in atomom kisika pod kotom 120 ° C; to pomeni, da je geometrija okoli te skupine trigonalna ravnina.

Da bi bila to geometrija, morata ogljikova in kisikova atoma nujno imeti sp ² kemično hibridizacijo ; Tako bo ogljika imajo tri sp ² orbitalami za enkraten kovalentne vezi z R ¹ in R ² in čisti p orbital na dvojno vez s kisikom.

To razlaga, kako lahko obstaja dvojna vez C = O.

Če opazimo sliko, bomo videli tudi, da ima kisik večjo gostoto elektronov, δ-, kot ogljik, δ +. To je posledica dejstva, da je kisik bolj elektronegativen od ogljika, zato ga "oropa" elektronske gostote; in ne on samo, ampak tudi R ¹ in R ² substituenta .

Posledično nastane stalni dipolni moment, ki je lahko večji ali manjši, odvisno od molekulske strukture. Kjer koli je karbonilna skupina, bodo nastopili dipoli.

Resonančne strukture

Dve strukturni resonanci za to organsko skupino. Vir: Mfomich

Druga posledica elektronegativnosti kisika je, da v karbonilni skupini obstajajo resonančne strukture, ki definirajo hibrid (kombinacija obeh struktur na zgornji sliki). Upoštevajte, da se lahko par elektronov seli proti p orbitali kisika, kar pušča atom ogljika s pozitivnim delnim nabojem; karbokacija.

Obe strukturi nenehno uspevata, zato ogljik ohranja stalno pomanjkanje elektronov; torej za katione, ki so ji zelo blizu, bodo doživeli elektrostatično odbojnost. Če pa gre za anion ali vrsto, ki je sposobna darovati elektrone, boste čutili močno privlačnost tega ogljika.

Potem se zgodi tako imenovani nukleofilni napad, kar bo razloženo v prihodnjem razdelku.

Nomenklatura

Kadar ima spojina skupino C = O, se pravi, da je karbonil. Tako ima glede na naravo karbonilne spojine svoja nomenklatura.

Čeprav je, ne glede na to, kakšno je, vse ima skupno pravilo: C = O ima prednost pri naštevanju ogljikovih atomov v ogljikovi verigi.

To pomeni, da če obstajajo veje, atomi halogena, dušikove funkcionalne skupine, dvojne ali trojne vezi, nobena od njih ne more imeti lokacijskega števila, nižjega od C = O; zato se začne najdaljša veriga naštevati čim bližje karbonilni skupini.

Če je po drugi strani v verigi več C = O in je eden od njih del višje funkcionalne skupine, potem bo karbonilna skupina nosila večji lokator in bo omenjena kot okso substituent.

In kaj je ta hierarhija? Naslednje, od najvišje do najnižje:

-Karboksilne kisline, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehid, RCOH (ali RCHO)

-Keton, RCOR

Če nadomestimo R in R 'za molekularne segmente, nastane neskončno število karbonilnih spojin, ki jih predstavljajo zgoraj omenjene družine: karboksilne kisline, estri, amidi itd. Vsaka je povezana s svojo tradicionalno nomenklaturo ali IUPAC.

Reaktivnost

Nukleofilni napad

Nukleofilni napad na karbonilno skupino. Vir: Benjah-bmm27

Zgornja slika prikazuje nukleofilni napad karbonske skupine. Nukleofil, Nu ^- , je lahko anion ali nevtralna vrsta z razpoložljivimi elektronskimi pari; kot na primer amoniak, NH ₃ . Izgleda izključno za ogljik, saj ima glede na resonančne strukture pozitiven delni naboj.

Pozitivni naboj pritegne Nu ^- , ki se bo skušal približati s "boka", tako da je najmanj in sternično oviranje nadomestnikov R in R '. Glede na to, kako obsežni so ali velikost Nu ^{- samega} , se bo napad zgodil pod različnimi koti ψ; lahko je zelo odprt ali zaprt.

Ko pride do napada, vmesna spojina, Nu-CRR'-O ^{- se formira} ; to pomeni, da ima kisik par elektronov, da se Nu ^- lahko doda v karbonilno skupino.

Ta negativno nabit kisik lahko posega v druge faze reakcije; protoniran kot hidroksilna skupina, OH ali sproščen kot molekula vode.

Vključeni mehanizmi in reakcijski produkti, dobljeni s tem napadom, so zelo raznoliki.

Odvod

Nukleofilno sredstvo Nu ^- je lahko veliko vrst. Pri vsaki reakciji s karbonilno skupino posebej izhajajo različni derivati.

Na primer, ko je omenjeni nukleofilna sredstvo amin, NH ₂ R, nastane imini, R ₂ , C = N; če je hidroksilamin, NH ₂ OH, povzroča oksimov, RR'C = NOH; če gre za cianidni anion, nastajajo CN ^- , cianohidrini, RR'C (OH) CN in podobno z drugimi vrstami.

Zmanjšanje

Sprva je bilo rečeno, da je ta skupina oksigenirana in zato zarjavela. To pomeni, da se lahko glede na pogoje zmanjša ali izgubi vezi z atomom kisika, tako da se nadomesti z vodiki. Na primer:

C = O => CH ₂

Ta transformacija kaže, da se je karbonilna skupina reducirala na metilensko skupino; je prišlo do pridobivanja vodika kot posledica izgube kisika. Primerneje: kemijska spojina se reducira do alkana.

Če gre za keton, RCOR ', v prisotnosti hidrazina, H ₂ N-NH ₂ in močno bazičnem mediju lahko zmanjšajo na svojem alkana; Ta reakcija je znana kot Wolff-Kishnerjeva redukcija:

Wolff-Kishnerjevo znižanje. Vir: Jü

Če je po drugi strani reakcijska mešanica sestavljena iz združenega cinka in klorovodikove kisline, je reakcija znana kot zmanjšanje Clemmensena:

Zmanjšanje Clemmensena. Vir: Wikimedia Commons.

Tvorba acetalov in ketalov

Karbonilna skupina ne more dodati samo nukleofilnih snovi Nu ^- , ampak v kislih pogojih lahko reagira tudi z alkoholi po podobnih mehanizmih.

Kadar aldehid ali keton delno reagira z alkoholom, nastajajo hemiacetali oz. Če je reakcija končana, so proizvodi acetali in ketali. Naslednje kemijske enačbe povzemajo in bolje razjasnijo zgoraj 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 (ALI ³ ) (OR ⁴ ) (ketal)

Prva reakcija ustreza tvorbi hemiacetalov in acetalov iz aldehida, druga pa hemicetalov in ketalov iz ketona.

Te enačbe morda niso dovolj preproste, da bi razložile nastanek teh spojin; Vendar pa je za prvi pristop k področju, je dovolj, da razumemo, da se doda alkoholi, in da njihove stranske verige R (R ³ in R ⁴ ) postane vezan na karbonilni ogljik. Zato sta začetni molekuli ^dodana OR ³ in OR ⁴ .

Glavna razlika med acetalom in ketalom je prisotnost vodikovega atoma, vezanega na ogljik. Upoštevajte, da ketonu primanjkuje tega vodika.

Vrste

Zelo podobno, kot je razloženo v nomenklaturi za karbonilno skupino, so njene vrste funkcijo, ki so nadomestki A in B ali R in R '. Zato obstajajo strukturne značilnosti, ki delijo vrsto karbonilnih spojin le po vrstnem redu ali vrsti vezi.

Na primer, omenjena je bila na začetku analogija med to skupino in ogljikovim monoksidom, C≡O. Če je molekula brez vodikovimi atomi, in če sta dva terminala C = O, potem bo ogljik oksid, Ci _n O ₂ . Za n, enako 3, bomo imeli:

O = C = C = C = O

Kar je, kot da bi imeli dve molekuli C≡O, ki sta združeni in ločeni z ogljikom.

Karbonilne spojine ne more izhajati samo iz CO plina, temveč tudi iz ogljikove kisline H ₂ CO ₃ ali OH- (C = O) -OH. Tu OH predstavljata R in R 'in nadomestita enega od njiju ali njihovih vodikov, dobimo derivate ogljikove kisline.

Potem so tu še derivati ​​karboksilnih kislin, RCOOH, pridobljeni s spremembo identitete R ali nadomeščanjem H z drugim atomom ali verigo R '(kar bi povzročilo ester, RCOOR').

Kako ga prepoznati po aldehidih in ketonih

Diferenciacija ketona in aldehida iz strukturne formule. Vir: Gabriel Bolívar.

Tako aldehidi kot ketoni imajo skupno karbonilno skupino. Njene kemijske in fizikalne lastnosti so posledica tega. Vendar pa njuno molekularno okolje v obeh spojinah ni isto; v prvem je v končnem položaju, v drugem pa kjer koli v verigi.

Na primer, na zgornji sliki je karbonilna skupina znotraj modrega polja. V ketonih mora biti poleg tega polja še en ogljikov ali verižni segment (vrh); medtem ko je v aldehidih lahko le en atom vodika (dno).

Če je C = O na enem koncu verige, bo to aldehid; to je najbolj neposreden način za razlikovanje od ketona.

ID

Toda kako eksperimentalno veste, ali je neznana spojina aldehid ali keton? Obstajajo številne metode, od spektroskopskih (absorpcija infrardečega sevanja, IR) ali kvalitativnih organskih testov.

Kar zadeva kvalitativne teste, temeljijo na reakcijah, ki bodo analitika, če je pozitiven, opazile fizični odziv; sprememba barve, sproščanje toplote, nastajanje mehurčkov itd.

Na primer, ko k vzorcu dodamo kislo raztopino K ₂ Cr ₂ O ₇ , se aldehid pretvori v karboksilno kislino, zaradi česar se barva raztopine spremeni iz oranžne v zeleno (pozitiven test). Medtem ketoni ne reagirajo, zato analitik ne opazi nobene spremembe barve (negativni test).

Drugi test je sestavljen iz uporabe Tollenovega reagenta, ⁺ , tako da aldehid zmanjša Ag ⁺ katione v kovinsko srebro. In rezultat: tvorba srebrnega ogledala na dnu epruvete, kamor je bil postavljen vzorec.

Glavni primeri

Na koncu bo naveden niz primerov karbonilnih spojin:

CH ₃ COOH, ocetna kislina

-HCOOH, mravljična kislina

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 pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehid

CH ₃ CONH ₂ , acetamid

CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propil acetat

Če bi navajali primere spojin, ki preprosto vsebujejo to skupino, bi seznam postal skoraj neskončen.

Reference

1. Morrison, RT in Boyd, R, N. (1987). Organska kemija. 5. izdaja Uredništvo Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdaja.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Karbonilna skupina: Lastnosti in pregled. Študij. Pridobljeno: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (5. junij 2019). Karbonilna skupina. Kemija LibreTexts. Pridobljeno: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonilne spojine. Pridobljeno: preprosto.znanost
7. Toppr. (sf). Nomenklatura in struktura karbonilne skupine. Pridobljeno: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oksidacija aldehidov in ketonov. Pridobljeno: chemguide.co.uk