- A karbonilcsoport jellemzői és tulajdonságai
- Rezonanciaszerkezetek
- Elnevezéstan
- Reakcióképesség
- Nukleofil támadás
- származékai
- Csökkentés
- Az acetálok és a ketálok képződése
- típusai
- Hogyan lehet azonosítani az aldehidekben és ketonokban?
- ID
- Fő példák
- Irodalom
A karbonilcsoport egy oxigénnel ellátott szerves funkcionális csoport, amely hasonló a gáznemű szén-monoxid molekulához. Ezt C = O-ként jelöljük, és bár szervesnek tekintjük, szervetlen vegyületekben is megtalálható;, mint például szénsav, H 2 CO 3, vagy fémorganikus vegyületek CO kötőanyagként.
Ez a csoport azonban a szén kémiai, az élet-, a biokémiai és más hasonló tudományos ágazatokban kiemelkedik óriási jelentőségével. Ha nem ő lenne, sok molekula nem lenne képes kölcsönhatásba lépni a vízzel; fehérjék, cukrok, aminosavak, zsírok, nukleinsavak és más biomolekulák nem léteznek, ha nem neki.
Karbonilcsoport. Forrás: Jü
A fenti kép azt mutatja, hogy ez a csoport hogyan néz ki a vegyület általános vázában. Vegye figyelembe, hogy ezt a kék szín hangsúlyozza, és ha eltávolítanánk az A és B szubsztituenseket (R vagy R ', ugyanolyan érvényesek), akkor szén-monoxid-molekula lenne. Ezen szubsztituensek jelenléte nagyszámú szerves molekulát határoz meg.
Ha A és B atomok nem szénatomok, például fémek vagy nemfém elemek, akkor ezek tartalmazhatnak fémorganikus vagy szervetlen vegyületeket. Szerves kémia esetén az A és B szubsztituensek mindig hidrogénatomok, szénláncok, vonalak lehetnek, ágakkal vagy anélkül, ciklikus vagy aromás gyűrűkkel.
Így kezdik megérteni, hogy a karbonilcsoport miért olyan gyakori azok számára, akik a természettudományt vagy az egészségtudományt tanulják; mindenhol megtalálható, és anélkül, hogy a sejtjeinkben előforduló molekuláris mechanizmusok nem fordulnának elő.
Ha összeegyeztethetõ lenne, azt kell mondani, hogy hozzájárul a molekula polaritásához, savasságához és reakcióképességéhez. Ahol egy karbonilcsoport létezik, több mint valószínű, hogy éppen ezen a ponton a molekula átalakulhat. Ezért stratégiai szempontból fontos hely a szerves szintézis fejlesztése oxidációs vagy nukleofil támadások révén.
A karbonilcsoport jellemzői és tulajdonságai
A karbonilcsoport szerkezeti jellemzői. Forrás: Azaline Gomberg.
Mik a karbonilcsoport szerkezeti és elektronikus jellemzői? Fölötte látható, most betűk használatával R 1 és R 2 helyett az A és B, hogy létezik szubsztituensek között, és az oxigénatom szögben 120 ° C; azaz a csoport körüli geometria trigonális sík.
Ahhoz, hogy ez a geometria legyen, a szén- és az oxigénatomoknak szükségszerűen sp 2 kémiai hibridizációval kell rendelkezniük; így, a szén lesz három sp 2 orbitálok alkotnak egyetlen kovalens kötést R 1 és R 2, és a tiszta p orbitális hogy kettős kötés oxigénnel.
Ez megmagyarázza, hogyan lehet C = O kettős kötés.
Ha a képet megfigyeljük, akkor azt is láthatjuk, hogy az oxigén nagyobb elektronsűrűséggel rendelkezik, δ-, mint szén, δ +. Ennek oka az a tény, hogy az oxigén elektronegatívabb, mint a szén, és ezért „megsemmisíti” az elektron sűrűségét; és nem csak őt, hanem a R 1 és R 2 szubsztituensek.
Következésképpen állandó dipólmomentum jön létre, amely a molekuláris szerkezetétől függően nagyobb vagy kisebb nagyságrendű lehet. Bárhol is van egy karbonilcsoport, ott dipólus pillanatok is vannak.
Rezonanciaszerkezetek
Ennek a szerves csoportnak a két rezonancia struktúrája. Forrás: Mfomich
Az oxigén elektronegativitásának másik következménye az, hogy a karbonilcsoportban vannak olyan rezonanciaszerkezetek, amelyek meghatározzák a hibrid (a felső képen a két szerkezet kombinációja). Vegye figyelembe, hogy az elektronpárok migrálhatnak az oxigén p-pályája felé, amely pozitív parciális töltéssel hagyja a szénatomot; karbocáció.
Mindkét struktúra folyamatosan sikeres, tehát a szén állandó elektronhiányt tart fenn; vagyis a nagyon közel lévő kationok esetében elektrosztatikus visszatérést tapasztalnak. De ha anion vagy elektronok adományozására képes faj, akkor erõs vonzódást fogja érezni e szén számára.
Ezután bekövetkezik az úgynevezett nukleofil támadás, amelyet egy későbbi részben ismertetünk.
Elnevezéstan
Ha egy vegyület C = O csoporttal rendelkezik, azt karbonilcsoportnak nevezik. Így, a karbonilvegyület jellegétől függően, saját nómenklatúrájú szabályai vannak.
Bár mindegy, hogy mindegyik közös szabály: a C = O elsőbbséget élvez a szénláncban a szénatomok felsorolásakor.
Ez azt jelenti, hogy ha vannak ágak, halogénatomok, nitrogén funkciós csoportok, kettős vagy hármas kötések, akkor egyikükben sem lehet C = O-nál kisebb lokátorszám; ezért a leghosszabb láncot a lehető legközelebb a karbonilcsoporthoz kell sorolni.
Ha viszont több láncban van több C = O, és ezek közül egy magasabb funkciós csoportba tartozik, akkor a karbonilcsoport nagyobb lokátorral rendelkezik, és oxo-szubsztituensként említik.
És mi ez a hierarchia? A következő, a legmagasabbtól a legalacsonyabbig:
-Karbonsavak, RCOOH
-Ester, RCOOR '
-Amid, RCONH 2
-Aldehid, RCOH (vagy RCHO)
-Keton, RCOR
Az R és R 'helyettesítésével a molekuláris szegmensekben végtelen számú karbonilvegyület származik, amelyet a fenti családok képviselnek: karbonsavak, észterek, amidok stb. Mindegyiket a hagyományos vagy az IUPAC nómenklatúrájához társítják.
Reakcióképesség
Nukleofil támadás
Nukleofil támadás a karbonilcsoport ellen. Forrás: Benjah-bmm27
A felső kép a karbonilcsoport által elszenvedett nukleofil rohamot mutatja. A Nu - nukleofil lehet anion vagy semleges faj, rendelkezésre álló elektronpárokkal; mint az ammónia, NH 3, például. Kizárólag szénre néz ki, mert a rezonanciaszerkezetek szerint pozitív parciális töltésű.
A pozitív töltés vonzza a Nu - t, amely "peremmel" kíván megközelíteni, hogy az R és R 'szubsztituensek közül a legkevésbé legyen sztereikus akadály. Attól függően, hogy milyen vaskos vannak, vagy a méret a Nu - maga a támadás bekövetkezik különböző szögekben ψ; nagyon nyitott vagy zárt lehet.
Amint a támadás megtörténik, egy közbenső vegyület, a Nu-CRR'-O képződik; vagyis az oxigént egy pár elektronnal hagyják, hogy a Nu - hozzá tudja adni a karbonilcsoporthoz.
Ez a negatívan töltött oxigén beavatkozhat a reakció más lépéseiben; hidroxilcsoportként protonálva, OH, vagy vízmolekula formájában szabadul fel.
A mechanizmusok, valamint a támadás eredményeként kapott reakciótermékek nagyon változatosak.
származékai
A Nu - nukleofil ágens számos faj lehet. Mindegyikre külön-külön, a karbonilcsoporttal reagálva, különböző származékok származnak.
Például, amikor az említett nukleofil szer egy amin, NH 2 R, iminek merülnek fel, R 2 C = NR; ha ez hidroxil-amin, NH 2 OH, ad okot, hogy oximok, RR'C = NOH; ha ez cianid-anion, akkor CN -, cianohidrin, RR'C (OH) CN képződik, és így tovább más fajok esetén.
Csökkentés
Eleinte azt mondták, hogy ez a csoport oxigénnel van, és ezért rozsdás. Ez azt jelenti, hogy a körülmények figyelembe vételével az oxigénatomhoz kötések redukálódhatnak vagy elveszhetnek, ha hidrogénnel helyettesítik. Például:
C = O => CH 2
Ez az átalakulás azt jelzi, hogy a karbonilcsoport metiléncsoporttá redukálódott; az oxigénvesztés eredményeként hidrogén-növekedés történt. Megfelelőbb kémiai szempontból: a karbonilvegyületet alkánré redukálják.
Ha ez egy keton, RCOR”, jelenlétében hidrazin, H 2 N-NH 2, és erősen lúgos közegben lehet csökkenteni, hogy a megfelelő alkán; Ezt a reakciót Wolff-Kishner redukciónak nevezik:
Wolff-Kishner redukció. Forrás: Jü
Ha viszont a reakcióelegy összeolvadt cinkből és sósavból áll, akkor a reakciót Clemmensen redukciónak nevezzük:
Clemmensen csökkentés. Forrás: Wikimedia Commons.
Az acetálok és a ketálok képződése
A karbonilcsoport nemcsak Nu - nukleofil szereket adhat hozzá, hanem savas körülmények között hasonló mechanizmusok útján képes alkoholokkal is reagálni.
Amikor egy aldehid vagy keton részlegesen reagál alkohollal, féltecetálokat vagy hemicetálokat képeznek. Ha a reakció befejeződött, a termékek acetálok és ketálok. A következő kémiai egyenletek foglalják össze és jobban tisztázzák a fentebb említettket:
RCHO + R 3 OH g RCHOH (OR 3) (hemiacetál) + R 4 OH g RCH (OR 3) (OR 4) (acetál)
RCOR 2 + R 3 OH g RCOR 2 (OH) (OR 3) (Hemicetal) + R 4 OH g RCOR 2 (OR 3) (OR 4) (ketál)
Az első reakció megfelel a hemiacetálok és az acetálok aldehidből történő képződésének, a második pedig a hemicetál és ketál képződésének egy ketonból.
Lehet, hogy ezek az egyenletek nem elég egyszerűek ahhoz, hogy megmagyarázzák ezen vegyületek képződését; Azonban, egy első megközelítés a témát, ez elég ahhoz, hogy megértsük, hogy alkoholokat is adnak, és hogy azok az R oldallánc (R 3 és R 4) válnak kapcsolódik a karbonil szénatom. Ezért adják az OR 3-ot és OR 4- et az eredeti molekulához.
Az acetál és a ketál közötti fő különbség a szénhez kötött hidrogénatom jelenléte. Vegye figyelembe, hogy a ketonban nincs ez a hidrogén.
típusai
Nagyon hasonló, ahogyan azt a karbonilcsoport nómenklatúrája ismerteti, annak típusai függvényében az A és B, vagy R és R 'szubsztituensek. Ezért vannak olyan szerkezeti jellemzők, amelyek megosztják a karbonilvegyületek sorozatát, nem csupán a kötések sorrendjén vagy típusán.
Például megemlítették a csoport és a szén-monoxid (C20) közötti analógia elején. Ha a molekula nem tartalmaz hidrogénatomot, és ha két terminális C = O is van, akkor ez szén-oxid, C n O 2. Ha n értéke 3, akkor az alábbiak lesznek:
O = C = C = C = O
Mintha két C≡O-molekula lenne összekapcsolva és szétválasztva.
A karbonil-vegyületek nem csak származhatnak CO gáz, hanem a szénsavból, H 2 CO 3 vagy OH- (C = O) -OH. Itt a két OH jelentése R és R ', és helyettesítve ezek közül egyet vagy hidrogéneiket, szénsav-származékokat kapunk.
És akkor ott vannak a karbonsavak származékai, az RCOOH, amelyeket úgy kapunk, hogy R azonosságát megváltoztatjuk, vagy H helyettesítjük egy másik R 'atommal vagy lánccal (ami egy RCOOR észtert eredményezne).
Hogyan lehet azonosítani az aldehidekben és ketonokban?
A keton és az aldehid megkülönböztetése szerkezeti képlettel. Forrás: Gabriel Bolívar.
Mind az aldehideknek, mind a ketonoknak közös a karbonilcsoport jelenléte. Kémiai és fizikai tulajdonságai ennek köszönhetők. Molekuláris környezetük azonban nem azonos a két vegyületben; az előbbiben véghelyzetben van, az utóbbiban a lánc bármely pontján.
Például a felső képen a karbonilcsoport egy kék dobozban van. A ketonokban e doboz mellett egy másik szén- vagy láncszegmensnek (tetején) kell lennie; míg az aldehidekben csak egy hidrogénatom lehet (alsó).
Ha a C = O a lánc egyik végén van, akkor ez egy aldehid; ez a legközvetlenebb módja annak, hogy megkülönböztessük a ketontól.
ID
De honnan tudhatja meg kísérletileg, ha egy ismeretlen vegyület egy aldehid vagy keton? Számos módszer létezik, a spektroszkópiai (infravörös sugárzás abszorpció, IR) vagy a kvalitatív szerves tesztekig.
Ami a kvalitatív teszteket illeti, ezek olyan reakciókon alapulnak, amelyek pozitív eredményeik esetén az elemző megfigyel egy fizikai választ; színváltozás, hőkibocsátás, buborékképződés stb.
Például, ha a mintához K 2 Cr 2 O 7 savoldatot ad, az aldehid karbonsavvá alakul át, melynek eredményeként az oldat színe narancsszínről zöldre változik (pozitív teszt). Eközben a ketonok nem reagálnak, ezért az elemző nem észlel színváltozást (negatív teszt).
Egy másik teszt a Tollens reagens + felhasználásával áll, így az aldehid redukálja az Ag + kationokat fém ezüstré. És az eredmény: ezüst tükör kialakulása a kémcső alján, ahova a mintát helyezték.
Fő példák
Végül felsoroljuk a karbonilvegyületek példáinak sorozatát:
-CH 3 COOH, ecetsavat
-HCOOH, hangyasav
-CH 3 COCH 3, propanon
-CH 3 COCH 2 CH 3, 2-butanon
-C 6 H 5 COCH 3, acetofenon
-CH 3 CHO, etanal
-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-acetát
Ha idéznénk olyan vegyületek példáit, amelyek egyszerűen tartalmazzák ezt a csoportot, akkor a lista szinte végtelenné válik.
Irodalom
- Morrison, RT és Boyd, R, N. (1987). Szerves kémia. 5. kiadás. Szerkesztői Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Szerves kémia. (Hatodik kiadás). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Szerves kémia. Aminok. (10. kiadás). Wiley Plus.
- Reid Danielle. (2019). Karbonilcsoport: Tulajdonságok és áttekintés. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
- Sharleen Agvateesiri. (2019. június 05.). A karbonilcsoport. Kémia LibreTexts. Helyreállítva: chem.libretexts.org
- Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonilvegyületek. Helyreállítva: vienkārši.tudomány
- Toppr. (Sf). A karbonilcsoport nómenklatúrája és felépítése. Helyreállítva: toppr.com
- Clark J. (2015). Aldehidek és ketonok oxidációja. Helyreállítva: chemguide.co.uk