- Kjennetegn og egenskaper for karbonylgruppen
- Resonansstrukturer
- nomenklatur
- reaktivitet
- Nukleofilt angrep
- derivater
- Reduksjon
- Dannelse av acetaler og ketaler
- typer
- Hvordan identifisere det i aldehyder og ketoner
- ID
- Hovedeksempler
- referanser
Den karbonyl-gruppen er en oksygenert organisk funksjonell gruppe som ligner den gassformige karbonmonoksid molekyl. Det er representert som C = O, og selv om det anses som organisk, kan det også finnes i uorganiske forbindelser; slik som karbonsyre, H 2 CO 3 , eller i organometalliske forbindelser med CO som et bindemiddel.
Imidlertid er det i kjemien karbon, liv, biokjemi og andre analoge vitenskapelige grener der denne gruppen skiller seg ut for sin enorme betydning. Hvis det ikke var noe for ham, ville mange molekyler ikke kunne samhandle med vann; proteiner, sukker, aminosyrer, fett, nukleinsyrer og andre biomolekyler ville ikke eksistert hvis det ikke var for ham.
Karbonylgruppe. Kilde: Jü
Bildet over viser hvordan denne gruppen ser ut i det generelle skjelettet til en forbindelse. Merk at den er uthevet av den blå fargen, og hvis vi skulle fjerne substituentene A og B (R eller R ', like gyldige), ville det være et karbonmonoksydmolekyl. Tilstedeværelsen av disse substituentene definerer et stort antall organiske molekyler.
Hvis A og B er andre atomer enn karbon, så som metaller eller ikke-metalliske elementer, kan man ha henholdsvis organometalliske eller uorganiske forbindelser. Når det gjelder organisk kjemi, vil substituentene A og B alltid være enten hydrogenatomer, karbonkjeder, linjer, med eller uten forgreninger, sykliske eller aromatiske ringer.
Slik begynner det å forstå hvorfor karbonylgruppen er ganske vanlig for de som studerer natur- eller helsefag; det er overalt, og uten det ville ikke de molekylære mekanismene som oppstår i cellene våre oppstå.
Hvis dets relevans kunne oppsummeres, vil det sies at det bidrar med polaritet, surhet og reaktivitet til et molekyl. Der det er en karbonylgruppe, er det mer enn sannsynlig at akkurat på dette tidspunktet kan molekylet gjennomgå en transformasjon. Derfor er det et strategisk sted å utvikle organisk syntese gjennom oksidasjon eller nukleofile angrep.
Kjennetegn og egenskaper for karbonylgruppen
Strukturelle egenskaper ved karbonylgruppen. Kilde: Azaline Gomberg.
Hva er de strukturelle og elektroniske egenskapene til karbonylgruppen? Over det kan sees, nå ved hjelp av bokstavene R 1 og R 2 i stedet for A og B, at det eksisterer mellom substituentene og oksygenatomet en vinkel på 120 ° C; det vil si at geometrien rundt denne gruppen er et trigonalt plan.
For at dette skal være geometrien, må karbon- og oksygenatomene nødvendigvis ha sp 2 kjemisk hybridisering ; således vil ha tre karbon sp 2 orbitaler for å danne kovalente enkeltbindinger med R 1 og R 2 , og en ren p orbital til dobbeltbindingen med oksygen.
Dette forklarer hvordan det kan være en C = O dobbeltbinding.
Hvis bildet blir observert, vil det også sees at oksygen har en høyere elektron-tetthet, 5- enn karbon, 5 +. Dette skyldes det faktum at oksygen er mer elektronegativt enn karbon, og derfor "frarøver" det elektrontetthet; og ikke bare ham, men også de R 1 og R 2 substituenter .
Følgelig genereres et permanent dipolmoment, som kan ha større eller mindre styrke avhengig av molekylstrukturen. Uansett hvor det er en karbonylgruppe, vil det være dipoløyeblikk.
Resonansstrukturer
De to resonansstrukturene for denne organiske gruppen. Kilde: Mfomich
En annen konsekvens av oksygenets elektronegativitet er at det i karbonylgruppen er resonansstrukturer som definerer en hybrid (kombinasjonen av de to strukturene i det øvre bildet). Legg merke til at paret elektronene kan vandre mot oksygenbunnen, som etterlater karbonatomet med en positiv delladning; en karbocation.
Begge strukturer lykkes hele tiden, så karbon opprettholder en konstant mangel på elektroner; det vil si at for kationer som er veldig nærme det, vil de oppleve elektrostatisk frastøtning. Men hvis det er en anion, eller en art som er i stand til å gi elektroner, vil du føle en sterk attraksjon for dette karbonet.
Så oppstår det som er kjent som nukleofilt angrep, som vil bli forklart i en fremtidig seksjon.
nomenklatur
Når en forbindelse har gruppen C = O, sies det å være karbonyl. Avhengig av karbonylforbindelsens art har den således sine egne nomenklaturregler.
Selv om, uansett hva det er, deler de alle en felles regel: C = O prioriterer i karbonkjeden når man oppfører karbonatomer.
Dette betyr at hvis det er forgreninger, halogenatomer, nitrogenfunksjonelle grupper, dobbelt- eller trippelbindinger, kan ingen av dem bære et lokaliseringsnummer som er mindre enn C = O; derfor begynner den lengste kjeden å bli listet så nær karbonylgruppen som mulig.
Hvis det derimot er flere C = O i kjeden, og en av dem er del av en høyere funksjonell gruppe, vil karbonylgruppen ha en større lokalisator og vil bli nevnt som en oksosubstituent.
Og hva er dette hierarkiet? Følgende, fra høyeste til laveste:
-Karboksylsyrer, RCOOH
-Ester, RCOOR '
-Amide, RCONH 2
-Aldehyde, RCOH (eller RCHO)
-Ketone, RCOR
Ved å erstatte R og R 'for molekylære segmenter, oppstår et uendelig antall karbonylforbindelser representert av familiene ovenfor: karboksylsyrer, estere, amider, etc. Hver og en er assosiert med sin tradisjonelle eller IUPAC-nomenklatur.
reaktivitet
Nukleofilt angrep
Nukleofilt angrep på karbonylgruppen. Kilde: Benjah-bmm27
Det øvre bildet viser det nukleofile angrepet som karbonylgruppen lider. Nukleofilen, Nu - , kan være en anion eller en nøytral art med tilgjengelige elektronpar; som for eksempel ammoniakk, NH 3 . Den ser utelukkende etter karbon fordi den ifølge resonansstrukturer har en positiv delvis ladning.
Den positive ladningen tiltrekker seg Nu - , som vil søke å tilnærme seg med en "flanke" slik at det er minst mulig sterisk hindring fra R- og R-substituentene. Avhengig av hvor klumpete de er, eller størrelsen på Nu - seg selv , vil angrepet skje i forskjellige vinkler ψ; det kan være veldig åpent eller lukket.
Når angrepet inntreffer, vil en mellomforbindelse, Nu-CRR'-O - bli dannet ; det vil si at oksygen sitter igjen med et par elektroner for å la Nu - legge til karbonylgruppen.
Dette negativt ladede oksygen kan gripe inn i andre trinn i reaksjonen; protonert som en hydroksylgruppe, OH, eller frigjort som et vannmolekyl.
De involverte mekanismene, så vel som reaksjonsproduktene oppnådd ved dette angrepet, er veldig varierte.
derivater
Det nukleofile middelet Nu - kan være av mange arter. For hver spesifikk, når de reagerer med karbonylgruppen, kommer forskjellige derivater.
For eksempel, når nevnte nukleofilt middel er et amin, NH 2 R, iminer oppstår, R 2 C = NR; hvis det er hydroksylamin, NH 2 OH, gir opphav til oksimer, RR'C = NOH; hvis det er cyanidanionen, produseres CN - , cyanohydriner, RR'C (OH) CN, og så videre med andre arter.
Reduksjon
Først ble det sagt at denne gruppen er oksygenert, og derfor rusten. Dette betyr at det gitt forholdene kan reduseres eller miste bindinger med oksygenatomet ved å erstatte det med hydrogener. For eksempel:
C = O => CH 2
Denne transformasjonen indikerer at karbonylgruppen ble redusert til en metylengruppe; det var en forsterkning av hydrogen som følge av tap av oksygen. I mer passende kjemiske termer: karbonylforbindelsen reduseres til en alkan.
Hvis det er et keton, RCOR', i nærvær av hydrazin, H 2 N-NH 2 , og et sterkt basisk medium kan reduseres til sine respektive alkan; Denne reaksjonen er kjent som Wolff-Kishner reduksjon:
Wolff-Kishner reduksjon. Kilde: Jü
Hvis reaksjonsblandingen derimot består av amalgamert sink og saltsyre, er reaksjonen kjent som Clemmensen reduksjon:
Clemmensen reduksjon. Kilde: Wikimedia Commons.
Dannelse av acetaler og ketaler
Karbonylgruppen kan ikke bare tilsette nukleofile midler Nu - , men under sure forhold kan den også reagere med alkoholer ved lignende mekanismer.
Når et aldehyd eller keton delvis reagerer med en alkohol, produseres henholdsvis hemiacetals eller hemicetals. Hvis reaksjonen er fullført, er produktene acetaler og ketaler. Følgende kjemiske ligninger oppsummerer og tydeliggjør de nevnte:
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 reaksjonen tilsvarer dannelsen av hemiacetals og acetals fra en aldehyd, og den andre av hemicetals og ketals fra en keton.
Disse ligningene er kanskje ikke enkle til å forklare dannelsen av disse forbindelsene; Imidlertid, for en første tilnærming til emnet, er det tilstrekkelig å forstå at alkoholene er lagt til, og at deres sidekjeder R (R 3 og R 4 ) blir bundet til karbonylkarbonet. Det er grunnen til at OR 3 og OR 4 tilsettes det opprinnelige molekylet.
Hovedforskjellen mellom acetal og ketal er tilstedeværelsen av hydrogenatomet bundet til karbonet. Legg merke til at ketonen mangler dette hydrogenet.
typer
Svært lik som forklart i nomenklaturseksjonen for karbonylgruppen, og dens typer er en funksjon som substituentene A og B, eller R og R '. Derfor er det strukturelle trekk som deler en serie karbonylforbindelser utover bare rekkefølgen eller bindingen.
For eksempel ble nevnt i begynnelsen av analogien mellom denne gruppen og karbonmonoksid, C0O. Dersom molekylet er fri for hydrogenatomer, og hvis det er også to terminal C = O, så vil det være en karbon-oksyd, C n O 2 . For n lik 3, vil vi ha:
O = C = C = C = O
Hvilket er som om det var to C≡O-molekyler som ble forbundet og atskilt med et karbon.
Karbonylforbindelser kan ikke bare være avledet fra CO-gass, men også fra karbonsyre, H 2 CO 3 eller OH- (C = O) -OH. Her representerer de to OH-er R og R ', og erstatter enten en av dem eller deres hydrogener, oppnås derivater av kullsyre.
Og så er det derivatene av karboksylsyrer, RCOOH, oppnådd ved å endre identiteten til R, eller erstatte H med et annet atom eller kjede R '(som ville gitt opphav til en ester, RCOOR').
Hvordan identifisere det i aldehyder og ketoner
Differensiering av keton og aldehyd fra en strukturell formel. Kilde: Gabriel Bolívar.
Både aldehyder og ketoner har til felles tilstedeværelse av karbonylgruppen. Dens kjemiske og fysiske egenskaper skyldes det. Imidlertid er deres molekylære miljøer ikke de samme i begge forbindelser; i førstnevnte er det i en terminalposisjon, og i sistnevnte, hvor som helst i kjeden.
For eksempel, i det øvre bildet er karbonylgruppen inne i en blå boks. I ketoner må det ved siden av denne boksen være et annet karbon- eller kjedesegment (øverst); mens det i aldehyder bare kan være ett hydrogenatom (bunn).
Hvis C = O er i den ene enden av kjeden, vil det være en aldehyd; det er den mest direkte måten å skille det fra en keton på.
ID
Men hvordan vet du eksperimentelt om en ukjent forbindelse er et aldehyd eller en keton? Det finnes mange metoder, fra spektroskopisk (absorpsjon av infrarød stråling, IR) eller kvalitative organiske tester.
Når det gjelder kvalitative tester, er disse basert på reaksjoner som når den er positiv, vil analytikeren observere en fysisk respons; en endring i farge, frigjøring av varme, bobleformasjon, etc.
For eksempel, ved tilsetning av en sur oppløsning av K 2 Cr 2 O 7 til prøven, vil aldehydet forvandles til karboksylsyre, noe som fører til at fargen på løsningen til forandring fra orange til grønn (positiv test). I mellomtiden reagerer ikke ketoner, og derfor observerer ikke analytikeren noen fargeendringer (negativ test).
En annen test består av å bruke Tollens-reagenset + , slik at aldehydet reduserer Ag + -kationene til metallisk sølv. Og resultatet: dannelsen av et sølvspeil i bunnen av prøverøret der prøven ble plassert.
Hovedeksempler
Til slutt vil en serie eksempler på karbonylforbindelser bli listet opp:
-CH 3 COOH, eddiksyre
-HCOOH, maursyre
-CH 3 COCH 3 , propanon
CH 3 COCH 2 CH 3 , 2-butanon
-C 6 H 5 COCH 3 , acetofenon
-CH 3 CHO, etanol
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'er 3 , propylacetat
Hvis det blir sitert eksempler på forbindelser som ganske enkelt har denne gruppen, ville listen blitt nesten uendelig.
referanser
- Morrison, RT og Boyd, R, N. (1987). Organisk kjemi. 5. utgave. Redaksjonell Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Organisk kjemi. (Sjette utgave). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kjemi. Aminer. (10. utgave.). Wiley Plus.
- Reid Danielle. (2019). Carbonyl Group: Egenskaper og oversikt. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
- Sharleen Agvateesiri. (05. juni 2019). Carbonyl-gruppen. Kjemi LibreTexts. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org
- Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonylforbindelser. Gjenopprettet fra: ganske enkelt. Vitenskap
- Toppr. (SF). Nomenklatur og struktur for karbonylgruppe. Gjenopprettet fra: toppr.com
- Clark J. (2015). Oksidasjon av aldehyder og ketoner. Gjenopprettet fra: chemguide.co.uk