GRUPA CARBONIL: CARACTERISTICI, PROPRIETĂȚI, NOMENCLATURĂ, REACTIVITATE - CHIMIE - 2025

Grupul carbonil este o grupare funcțională organică oxigenată care seamănă cu molecula gazoasă de monoxid de carbon. Este reprezentat ca C = O și, deși este considerat organic, poate fi găsit și în compuși anorganici; cum ar fi acidul carbonic, H ₂ CO ₃ sau în compuși organometalici cu CO ca liant.

Cu toate acestea, în chimia carbonului, a vieții, a biochimiei și a altor ramuri științifice analoge, acest grup se remarcă pentru importanța sa enormă. Dacă nu ar fi pentru el, multe molecule nu ar putea interacționa cu apa; proteine, zaharuri, aminoacizi, grăsimi, acizi nucleici și alte biomolecule nu ar exista dacă nu ar fi fost pentru el.

Grupul carbonil. Sursa: Jü

Imaginea de mai sus arată cum arată acest grup în scheletul general al unui compus. Rețineți că este evidențiat de culoarea albastră și, dacă ar fi să înlăturăm substituenții A și B (R sau R ', la fel de valabili), ar exista o moleculă de monoxid de carbon. Prezența acestor substituenți definește un număr mare de molecule organice.

Dacă A și B sunt atomi, altele decât carbonul, cum ar fi metale sau elemente nemetalice, se poate avea compuși organometalici sau anorganici. În cazul chimiei organice, substituenții A și B vor fi întotdeauna fie atomi de hidrogen, catene de carbon, linii, cu sau fără ramuri, inele ciclice sau aromatice.

Așa începe să înțeleagă de ce grupul carbonil este destul de comun pentru cei care studiază științele naturale sau ale sănătății; este peste tot și fără ea mecanismele moleculare care apar în celulele noastre nu ar apărea.

Dacă relevanța sa ar putea fi rezumată, s-ar spune că contribuie la polaritate, aciditate și reactivitate la o moleculă. În cazul în care există o grupare carbonil, este mai mult decât probabil ca exact la acel moment molecula să poată suferi o transformare. Prin urmare, este un sit strategic pentru dezvoltarea sintezei organice prin oxidare sau atacuri nucleofile.

Caracteristicile și proprietățile grupului carbonil

Caracteristicile structurale ale grupării carbonil. Sursa: Azaline Gomberg.

Care sunt caracteristicile structurale și electronice ale grupării carbonil? Deasupra se poate observa, folosind acum literele R ¹ și R ² în loc de A și B, că între substituenți și atomul de oxigen există un unghi de 120 ° C; adică geometria din jurul acestui grup este un plan trigonal.

Pentru ca aceasta să fie geometria, atomii de carbon și oxigen trebuie să aibă neapărat hibridizare chimică sp ² ; prin urmare, carbon va avea trei sp ² orbitali pentru a forma legături simple covalente cu R ¹ și R ² , și un p pur orbital la dubla legătură cu oxigenul.

Aceasta explică modul în care poate exista o legătură dublă C = O.

Dacă imaginea este observată, se va vedea, de asemenea, că oxigenul are o densitate mai mare de electroni, δ-, decât carbonul, δ +. Acest lucru se datorează faptului că oxigenul este mai electronegativ decât carbonul și, prin urmare, îl „fură” de densitatea electronilor; și nu numai el, ci și R ¹ și R ² substituenți .

În consecință, este generat un moment dipol permanent, care poate fi de o magnitudine mai mare sau mai mică în funcție de structura moleculară. Oriunde există o grupare carbonil, vor exista momente dipolice.

Structuri de rezonanță

Cele două structuri de rezonanță pentru acest grup organic. Sursa: Mfomich

O altă consecință a electronegativității oxigenului este că în grupul carbonil există structuri de rezonanță care definesc un hibrid (combinația celor două structuri din imaginea superioară). Rețineți că perechea de electroni poate migra spre orbitalul p de oxigen, care lasă atomul de carbon cu o sarcină parțială pozitivă; o carbocare.

Ambele structuri au succes continuu, astfel că carbonul menține o deficiență constantă de electroni; adică pentru cationii care sunt foarte apropiați de ei, vor experimenta repulsie electrostatică. Dar, dacă este un anion, sau o specie capabilă să doneze electroni, veți simți o atracție puternică pentru acest carbon.

Atunci are loc ceea ce este cunoscut sub numele de atac nucleofil, care va fi explicat într-o secțiune viitoare.

Nomenclatură

Când un compus are grupa C = O, se spune că este carbonil. Astfel, în funcție de natura compusului carbonil, are propriile sale reguli de nomenclatură.

Deși, indiferent de ce este vorba, toți au o regulă comună: C = O are prioritate în lanțul de carbon atunci când listează atomii de carbon.

Aceasta înseamnă că dacă există ramuri, atomi de halogen, grupuri funcționale de azot, legături duble sau triple, niciunul dintre ei nu poate purta un număr de localizator mai mic decât C = O; prin urmare, cel mai lung lanț începe să fie listat cât mai aproape de grupul carbonil.

Dacă, pe de altă parte, există mai mulți C = O în lanț, iar unul dintre ei face parte dintr-o grupă funcțională superioară, atunci grupa carbonil va purta un localizator mai mare și va fi menționată ca un substituent oxo.

Și ce este această ierarhie? Următoarele, de la cea mai mare la cea mai mică:

-Acizi carboxilici, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehida, RCOH (sau RCHO)

-Ketone, RCOR

Substituind R și R 'pentru segmente moleculare, un număr nesfârșit de compuși carbonilici au originea reprezentată de familiile de mai sus: acizi carboxilici, esteri, amide etc. Fiecare este asociat cu nomenclatura sa tradițională sau IUPAC.

reactivitatea

Atacul nucleofil

Atacul nucleofil asupra grupării carbonil. Sursa: Benjah-bmm27

Imaginea superioară arată atacul nucleofil suferit de grupul carbonil. Nucleofilul, Nu ^- , poate fi un anion sau o specie neutră cu perechi de electroni disponibili; ca amoniacul, NH ₃ , de exemplu. Arată exclusiv carbonul, deoarece, conform structurilor de rezonanță, are o încărcare parțială pozitivă.

Încărcarea pozitivă atrage Nu ^- , care va căuta să se apropie de un "flanc", astfel încât să existe cea mai mică piedică sterică de la substituenții R și R '. În funcție de cât de voluminoase sunt sau de dimensiunea lui Nu ^{- în sine} , atacul va avea loc în unghiuri diferite ψ; poate fi foarte deschis sau închis.

După ce are loc atacul, un compus intermediar, Nu-CRR'-O ^{- va fi format} ; adică oxigenul este lăsat cu o pereche de electroni pentru a permite Nu ^- să se adauge la gruparea carbonil.

Acest oxigen încărcat negativ poate interveni în alte etape ale reacției; protonat ca o grupare hidroxil, OH, sau eliberat ca o moleculă de apă.

Mecanismele implicate, precum și produsele de reacție obținute prin acest atac, sunt foarte variate.

Instrumente financiare derivate

Agentul nucleofil Nu ^- poate fi din multe specii. Pentru fiecare în mod specific, atunci când reacționează cu gruparea carbonilă, apar diferiți derivați.

De exemplu, atunci când respectivul agent nucleofil este o amină, NH ₂ R, apar imine, R ₂ C = NR; dacă este hidroxilamină, NH ₂ OH, dă naștere la oxime, R'R'C = NOH; dacă este anionul cianuric, CN ^- , se produc cianohidrine, RR'C (OH) CN și așa mai departe cu alte specii.

Reducere

La început s-a spus că acest grup este oxigenat și, prin urmare, ruginit. Acest lucru înseamnă că, având în vedere condițiile, acesta poate fi redus sau poate pierde legături cu atomul de oxigen prin înlocuirea acestuia cu hidrogeni. De exemplu:

C = O => CH ₂

Această transformare indică faptul că gruparea carbonil a fost redusă la o grupare metilen; a existat un câștig de hidrogen ca urmare a pierderii de oxigen. În termeni chimici mai potriviți: compusul carbonil este redus la un alcan.

Dacă este o cetonă, RCOR“, în prezența hidrazinei, H ₂ N-NH ₂ , și un mediu puternic bazic poate fi redusă la alean respectivă; Această reacție este cunoscută sub numele de reducere a Wolff-Kishner:

Reducere Wolff-Kishner. Sursa: Jü

Dacă, pe de altă parte, amestecul de reacție este format din zinc amalgamat și acid clorhidric, reacția este cunoscută sub numele de reducerea Clemmensenului:

Reducere Clemmensen. Sursa: Wikimedia Commons.

Formarea acetalelor și cetalelor

Grupul carbonil nu poate adăuga numai agenți nucleofili Nu ^- , dar în condiții acide, poate reacționa și cu alcooli prin mecanisme similare.

Atunci când o aldehidă sau cetonă reacționează parțial cu un alcool, se produc hemiacetale sau hemicetale. Dacă reacția este completă, produsele sunt acetale și cetale. Următoarele ecuații chimice rezumă și clarifică mai bine cele menționate mai sus:

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 ) (cetal)

Prima reacție corespunde formării hemiacetalelor și acetalelor dintr-o aldehidă, iar a doua a hemicetalelor și cetalelor dintr-o cetonă.

Este posibil ca aceste ecuații să nu fie suficient de simple pentru a explica formarea acestor compuși; Cu toate acestea, pentru o primă abordare a subiectului, este suficient să înțelegem că se adaugă alcooli și că lanțurile lor laterale R (R ³ și R ⁴ ) sunt legate de carbonul carbonil. De aceea, OR ³ și OR ^{4 sunt adăugate} la molecula inițială.

Principala diferență între acetal și cetal este prezența atomului de hidrogen legat de carbon. Rețineți că cetonei le lipsește acest hidrogen.

Tipuri

Foarte asemănător după cum se explică în secțiunea nomenclaturii pentru gruparea carbonil, tipurile sale sunt o funcție a căreia sunt substituenții A și B sau R și R '. Prin urmare, există caracteristici structurale care împărtășesc o serie de compuși carbonilici dincolo de ordinea sau tipul de legături.

De exemplu, a fost menționată la începutul analogiei dintre acest grup și monoxidul de carbon, C≡O. Dacă molecula este lipsită de atomi de hidrogen și dacă există și două terminale C = O, atunci va fi un oxid de carbon, C _n O ₂ . Pentru n egal cu 3, vom avea:

O = C = C = C = O

Ceea ce este ca și cum ar exista două molecule C≡O unite și separate de un carbon.

Compușii carbonilici nu pot fi derivate numai din CO gaz, dar și de la acidul carbonic, H ₂ CO ₃ sau OH- (C = O) -OH. Aici cele două OH-uri reprezintă R și R 'și se înlocuiesc fie unul dintre ei, fie hidrogenii lor, derivați ai acidului carbonic.

Și apoi există derivații acizilor carboxilici, RCOOH, obținuți prin schimbarea identităților R sau substituirea lui H cu un alt atom sau lanț R '(ceea ce ar da naștere unui ester, RCOOR').

Cum se identifică în aldehide și cetone

Diferențierea cetonei și aldehidei de la o formulă structurală. Sursa: Gabriel Bolívar.

Atât aldehidele cât și cetonele au în comun prezența grupării carbonil. Proprietățile sale chimice și fizice sunt datorate acesteia. Cu toate acestea, mediile lor moleculare nu sunt aceleași în ambii compuși; în prima se află într-o poziție terminală, iar în cea de a doua, oriunde în lanț.

De exemplu, în imaginea superioară grupul carbonil se află în interiorul unei cutii albastre. În cetone, lângă această casetă trebuie să existe un alt segment de carbon sau lanț (de sus); în timp ce în aldehide, poate exista un singur atom de hidrogen (de jos).

Dacă C = O se află la un capăt al lanțului, va fi o aldehidă; acesta este cel mai direct mod de a-l diferenția de o cetonă.

ID-ul

Dar cum știți experimental dacă un compus necunoscut este o aldehidă sau o cetonă? Există numeroase metode, de la spectroscopic (absorbția radiațiilor infraroșii, IR) sau teste organice calitative.

În ceea ce privește testele calitative, acestea se bazează pe reacții care, atunci când sunt pozitive, analistul va observa un răspuns fizic; o schimbare de culoare, eliberarea căldurii, formarea de bule etc.

De exemplu, atunci când se adaugă o soluție de acid de K ₂ Cr ₂ O ₇ la probă, aldehida se va transforma în acid carboxilic, care determină culoarea soluției la schimbarea de la portocaliu la verde (test pozitiv). Între timp, cetonele nu reacționează și, prin urmare, analistul nu observă nicio schimbare de culoare (test negativ).

Un alt test constă în utilizarea reactivului Tollens, ⁺ , astfel încât aldehida reduce cationii Ag ⁺ la argint metalic. Și rezultatul: formarea unei oglinzi argintii în partea de jos a epruvetei unde s-a plasat proba.

Exemple principale

În final, vor fi enumerate o serie de exemple de compuși carbonilici:

CH ₃ COOH, acid acetic

-HCOOH, acid formic

-CH ₃ COCH ₃ , propanonă

CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanonă

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , acetofenona

CH ₃ CHO, etanalul

CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehida

CH ₃ CONH ₂ , acetamidă

CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propil acetat

Acum, dacă sunt menționate exemple de compuși care dețin pur și simplu acest grup, lista ar deveni aproape nesfârșită.

Referințe

1. Morrison, RT și Boyd, R, N. (1987). Chimie organica. Ediția a V-a. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. (Ediția a 10-a.) Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Grupul carbonil: proprietăți și prezentare generală. Studiu. Recuperat din: studiu.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05 iunie 2019). Grupul Carbonil. Chimie LibreTexturi. Recuperat din: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Compuși carbonilici. Recuperat din: pur și simplu știință
7. Toppr. (Sf). Nomenclatura și structura grupului carbonil. Recuperat de la: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oxidarea aldehidelor și cetonelor. Recuperat din: chemguide.co.uk