КАРБОНИЛНА ГРУПА: КАРАКТЕРИСТИКЕ, СВОЈСТВА, НОМЕНКЛАТУРА, РЕАКТИВНОСТ - ХЕМИЈА - 2025

Карбонил група је оксидован органска функционална група која подсећа на гасовити ЦО молекул. Представља се као Ц = О, и иако се сматра органским, може се наћи и у неорганским једињењима; као угљене киселине, Х ₂ ЦО ₃ , или у органометална једињења са ЦО као везивним средством.

Међутим, ова хемија истиче се из огромне важности у хемији угљеника, животу, биохемији и другим сличним научним гранама. Да није њега, многи молекули не би могли комуницирати с водом; протеини, шећери, аминокиселине, масти, нуклеинске киселине и друге биомолекуле не би постојало да није њега.

Карбонилна група. Извор: Ју

Слика изнад показује како ова група изгледа у општем костуру једињења. Имајте на уму да је наглашен плавом бојом, а ако бисмо уклонили супституенте А и Б (Р или Р ', подједнако валидни), постојао би молекул угљен моноксида. Присуство ових супституената дефинише велики број органских молекула.

Ако су А и Б атоми осим угљеника, као што су метали или неметални елементи, може се добити органско метална или неорганска једињења. У случају органске хемије, супституенти А и Б ће увек бити атоми водоника, ланци угљеника, линије, са или без грана, циклични или ароматски прстенови.

Тако почиње да се разуме зашто је карбонилна група сасвим уобичајена за оне који проучавају природне или здравствене науке; постоји свуда, а без ње се не би јављали молекуларни механизми који се јављају у нашим ћелијама.

Ако се његова релевантност може сумирати, могло би се рећи да доприноси поларитету, киселости и реактивности молекули. Тамо где постоји карбонилна група, вероватно је да управо у том тренутку молекул може да проведе трансформацију. Стога је стратешко место за развијање органске синтезе оксидацијом или нуклеофилним нападима.

Карактеристике и својства карбонилне групе

Структурне карактеристике карбонилне групе. Извор: Азалине Гомберг.

Које су структурне и електронске карактеристике карбонилне групе? Изнад се може видети, сада користи слова Р ¹ и Р ² уместо А и Б, да постоји између супституената и атома кисеоника углом од 120 ° Ц; то јест, геометрија око ове групе је тригонална равнина.

Да би се ово геометрију, угљеник и атоми кисеоника мора нужно сп ² хемијску хибридизацију ; дакле, царбон ће имати три СП ² орбитала за формирање једне ковалентне везе са Р ¹ и Р ² , а чисте стр орбиталним да двогубу везу са кисеоником.

Ово објашњава како може постојати Ц = О двострука веза.

Ако се слика посматра, видеће се и да кисеоник има већу густину електрона, δ-, од угљеника, δ +. То је због чињенице да је кисеоник електронегативнији од угљеника, па га зато „одузима“ од густоће електрона; а не само њега, већ и Р ¹ и Р ² супституента .

Сходно томе, ствара се стални диполни момент који може бити већег или мањег обима у зависности од молекуларне структуре. Где год постоји карбонилна група, доћи ће до дипола.

Ресонанчне структуре

Две резонантне структуре за ову органску групу. Извор: Мфомицх

Друга последица електронегативности кисеоника је да у карбонилној групи постоје резонантне структуре које дефинишу хибрид (комбинација две структуре на горњој слици). Имајте на уму да пар електрона може мигрирати према п орбитали кисеоника, што оставља атом угљеника са позитивним парцијалним набојем; карбокација.

Обе структуре се константно успевају, тако да угљеник одржава константан недостатак електрона; то јест, за катионе који су јој врло блиски искусиће се електростатичко одбијање. Али, ако се ради о аниону, или врсти способној да донира електроне, осетит ћете снажну привлачност за овај угљен.

Тада се догађа оно што је познато као нуклеофилни напад, што ће бити објашњено у наредном одељку.

Номенклатура

Када неко једињење има групу Ц = О, каже се да је карбонил. Стога, у зависности од природе карбонилног једињења, има своја правила номенклатуре.

Иако, без обзира о чему се ради, сви имају заједничко правило: Ц = О има предност у угљеничном ланцу приликом набрајања атома угљеника.

То значи да ако постоје огранци, атоми халогена, душичне функционалне групе, двоструке или троструке везе, ниједна од њих не може имати локаторски број нижи од Ц = О; према томе, најдужи ланац почиње да се наводи што ближе карбонилној групи.

Ако са друге стране у ланцу постоји неколико Ц = О, а један од њих је део више функционалне групе, тада ће карбонилна група имати већи локатор и помиње се као оксо супституент.

И шта је то хијерархија? Следеће, од највишег до најнижег:

-Карбоксилне киселине, РЦООХ

-Естер, РЦООР '

-Амиде, РЦОНХ ₂

-Алдехид, РЦОХ (или РЦХО)

-Кетоне, РЦОР

Замјеном Р и Р 'за молекуларне сегменте настаје бескрајни број карбонилних једињења која су представљене претходно наведеним породицама: карбоксилне киселине, естри, амиди итд. Свака је повезана са својом традиционалном или ИУПАЦ номенклатуром.

Реактивност

Нуклеофилни напад

Нуклеофилни напад на карбонилну групу. Извор: Бењах-бмм27

Горња слика приказује нуклеофилни напад који је претрпела карбонилна група. Нуклеофил, Ну ^- , може бити анион или неутрална врста са доступним електронским паровима; попут амонијака, НХ ₃ , на пример. Изгледа искључиво за угљеник, јер према резонантним структурама има позитиван парцијални набој.

Позитивно наелектрисање привлачи Ну ^- који ће покушати да се приближи „боком“ тако да постоји најмање стерицно ометање од Р и Р 'супституената. У зависности од тога како су гломазне или од величине самог Ну ^-а , напад ће се догодити под различитим угловима ψ; може бити врло отворена или затворена.

Једном када се напад догоди, ^{биће формирано} интермедијарно једињење, Ну-ЦРР'-О ; то јест, кисеонику остаје пар електрона да би се Ну ^- могао додати у карбонилну групу.

Овај негативно наелектрисан кисеоник може интервенирати у осталим фазама реакције; протониран као хидроксилна група, ОХ, или ослобођен у облику молекула воде.

Механизми који су укључени, као и реакциони производи добијени овим нападом су веома разнолики.

Деривати

Нуклеофилно средство Ну ^- може бити од многих врста. За сваку од њих посебно, када реагују с карбонилном групом, потичу различити деривати.

На пример, када је наведени нуклеофилне агенс је амин, НХ ₂ Р, Имини настају, Р ₂ Ц = НР; ако је хидроксиламин, НХ ₂ ОХ, подстиче оксима, РР'Ц = НОХ; ако је то цијанидни анион, стварају се ЦН ^- , цијанохидрини, РР'Ц (ОХ) ЦН, и тако даље, са другим врстама.

Редукција

У почетку се говорило да је ова група кисеоник, а самим тим и захрђала. То значи да се, с обзиром на услове, може смањити или изгубити везе са атомом кисеоника ако се замени са водоникима. На пример:

Ц = О => ЦХ ₂

Ова трансформација указује да је карбонилна група редукована у метилен групу; дошло је до добијања водоника као последица губитка кисеоника. У погоднијим хемијским условима, карбонилно једињење се редукује до алкана.

Ако је неки кетон, РЦОР ", у присуству хидразина, Х ₂ Н-НХ _{2 и} снажно базном медијуму може смањити одговарајућу алкана; Ова реакција је позната као Волфф-Кисхнер-ова редукција:

Смањење Волффа-Кисхнера. Извор: Ју

Ако се са друге стране реакциона мешавина састоји од удруженог цинка и хлороводоничне киселине, реакција је позната као редукција Клемменсена:

Смањење Цлемменсена. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Формирање ацетала и кетала

Карбонилна група не може само да додаје нуклеофилне агенсе Ну ^- , већ у киселим условима може и да реагује са алкохолима сличним механизмима.

Када алдехид или кетон делимично реагирају са алкохолом, стварају се хемиацеталс или хемицеталс, респективно. Ако је реакција готова, производи су ацетали и кетали. Следеће хемијске једнаџбе резимирају и боље разјашњавају горе наведено:

РЦХО + Р ³ ОХ г РЦХОХ (ОР ³ ) (хемиацеталне) + Р ⁴ ОХ г РЦХ (ОР ³ ) (ОР ⁴ ) (Ацетал)

РЦОР ² + Р ³ ОХ г РЦОР ² (ОХ) (ОР ³ ) (Хемицетал) + Р ⁴ ОХ г РЦОР ² (ОР ³ ) (ОР ⁴ ) (кетал)

Прва реакција одговара стварању хемиацетала и ацетала из алдехида, а друга хемицетала и кетала из кетона.

Ове једнаџбе можда нису довољно једноставне да објасне стварање ових једињења; Међутим, за први приступ теми, довољно је да се схвати да се додају алкохоли и да њиховим бочним ланцима Р (Р ³ и Р ⁴ ) постају повезани на карбонил угљеник. Зато О ³ и ОР ^{4 се додају} у почетну молекул.

Главна разлика између ацетала и кетала је присуство атома водоника везаног за угљеник. Имајте на уму да кетону недостаје овај водоник.

Врсте

Врло слично као што је објашњено у номенклатури за карбонилну групу, њени типови су функција којих су супституенти А и Б, или Р и Р '. Стога постоје структурне карактеристике које деле низ карбонилних једињења изван редоследа или врсте веза.

На пример, поменута је на почетку аналогија између ове групе и угљен-моноксида, Ц02. Ако молекул лишен атома водоника и ако постоје два терминала Ц = О, онда ће бити угљенични оксид, Ц _н О ₂ . За н једнак 3, имаћемо:

О = Ц = Ц = Ц = О

Што је као да постоје два Ц30 молекула спојена и раздвојена угљеником.

Карбонил једињења не могу се извести из ЦО гаса, али и из угљена киселина, Х ₂ ЦО ₃ или ОХ- (Ц = О) -ОХ. Овде два ОХ представљају Р и Р ', а заменом једног од њих или њихових водоника, добијају се деривати угљене киселине.

А ту су и деривати карбоксилних киселина, РЦООХ, добијени променом идентитета Р, или заменом Х другим атомом или ланцем Р '(који би створио естер, РЦООР').

Како га препознати у алдехидима и кетонима

Диференцијација кетона и алдехида из структурне формуле. Извор: Габриел Боливар.

И алдехиди и кетони имају заједничко присуство карбонилне групе. Због тога настају његова хемијска и физичка својства. Међутим, њихова молекуларна околина нису иста у оба једињења; у првом се налази у терминалном положају, а у другом у било којем ланцу.

На пример, на горњој слици је карбонилна група унутар плаве кутије. У кетонима, поред ове кутије, мора постојати још један сегмент угљеника или ланца (врх); док у алдехидима може постојати само један атом водоника (дно).

Ако је Ц = О на једном крају ланца, то ће бити алдехид; то је најдиректнији начин да се разликује од кетона.

ИД

Али како експериментално знате да ли је непознато једињење алдехид или кетон? Постоје бројне методе, од спектроскопске (апсорпција инфрацрвеног зрачења, ИЦ) или квалитативних органских тестова.

Што се тиче квалитативних тестова, они се заснивају на реакцијама које ће, кад су позитивне, аналитичар посматрати физички одговор; промена боје, ослобађање топлоте, формирање мехурића, итд.

На пример, када додавањем киселине раствора К ₂ Кр ₂ О ₇ до узорка, алдехид ће трансформисати у карбоксилну киселину, која изазива боју раствора на промене из наранџасте до зелене (позитиван тест). У међувремену, кетони не реагују, и самим тим аналитичар не примећује никакву промену боје (негативан тест).

Други тест се састоји од употребе Толленсовог реагенса, ⁺ , тако да алдехид редукује Аг ⁺ катионе до металног сребра. И резултат: формирање сребрног огледала на дну епрувете у коју је постављен узорак.

Главни примери

На крају ће бити наведен низ примера карбонилних једињења:

-ЦХ ₃ ЦООХ, сирћетна киселина

-ХЦООХ, мравље киселина

-ЦХ ₃ ЦОЦХ ₃ , пропаноном

-ЦХ ₃ ЦОЦХ ₂ ЦХ ₃ , 2-бутанон

Це ₆ Х ₅ ЦОЦХ ₃ , ацетофенон

-ЦХ ₃ ЦХО, Етханал

-ЦХ ₃ ЦХ ₂ ЦХ ₂ ЦХ ₂ ЦХО, пентанала

Це ₆ Х ₅ ЦХО, бензалдехида

-ЦХ ₃ ЦОНХ ₂ , ацетамид

-ЦХ ₃ ЦХ ₂ ЦХ ₂ Цооцх ₃ , пропил ацетат

Ако се цитирају примери једињења која једноставно поседују ову групу, листа би постала готово бескрајна.

Референце

1. Моррисон, РТ и Боид, Р, Н. (1987). Органска хемија. 5тх Едитион. Уредништво Аддисон-Веслеи Интерамерицана.
2. Цареи Ф. (2008). Органска хемија. (Шесто издање). Мц Грав Хилл.
3. Грахам Соломонс ТВ, Цраиг Б. Фрихле. (2011). Органска хемија. Амини. (10. издање.) Вилеи Плус.
4. Реид Даниелле. (2019). Карбонилна група: Својства и преглед. Студи. Опоравак од: студи.цом
5. Схарлеен Агватеесири. (05. јуна 2019.). Царбонил Гроуп. Цхемистри ЛибреТектс. Опоравак од: цхем.либретектс.орг
6. Вики Кидс Лтд. (2018). Карбонилна једињења. Опоравили од: једноставно. наука
7. Топпр. (сф) Номенклатура и структура карбонилне групе. Опоравак од: топпр.цом
8. Цларк Ј. (2015). Оксидација алдехида и кетона. Опоравак од: цхемгуиде.цо.ук