КАРБОНИЛНА ГРУПА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СВОЙСТВА, НОМЕНКЛАТУРА, РЕАКТИВНОСТ - ХИМИЯ - 2025

На карбонилната група е окислен органична функционална група, която прилича на газообразен молекулата на въглероден окис. Той е представен като С = О, и въпреки че се счита за органичен, той може да се намери и в неорганични съединения; като въглена киселина, H ₂ CO ₃, или органометални съединения с СО като свързващо вещество.

В тази химия на въглерода, живота, биохимията и други аналогични научни отрасли обаче тази група се откроява с огромното си значение. Ако не беше той, много молекули нямаше да могат да взаимодействат с водата; протеини, захари, аминокиселини, мазнини, нуклеинови киселини и други биомолекули не биха съществували, ако не беше той.

Карбонилна група. Източник: Ю

Изображението по-горе показва как изглежда тази група в общия скелет на съединение. Обърнете внимание, че той е подчертан от синия цвят и ако трябва да премахнем заместителите A и B (R или R ', еднакво валидни), ще има молекула въглероден оксид. Наличието на тези заместители определя голям брой органични молекули.

Ако А и В са атоми, различни от въглерод, като метали или неметални елементи, може да има съответно органични метални или неорганични съединения. В случая на органична химия заместителите А и В винаги ще бъдат или водородни атоми, въглеродни вериги, линии, със или без клонове, циклични или ароматни пръстени.

Така започва да се разбира защо карбонилната група е доста често срещана за тези, които изучават естествени или здравни науки; тя е навсякъде и без нея не биха се появили молекулярните механизми, които се срещат в нашите клетки.

Ако нейната значимост може да бъде обобщена, ще се каже, че тя допринася за полярност, киселинност и реактивност на молекула. Когато има карбонилна група, е повече от вероятно, че точно в този момент молекулата може да претърпи трансформация. Следователно, това е стратегическо място за развиване на органичен синтез чрез окисляване или нуклеофилни атаки.

Характеристики и свойства на карбонилната група

Структурни характеристики на карбонилната група. Източник: Азалин Гомберг.

Какви са структурните и електронните характеристики на карбонилната група? Над него може да се види, сега се използва буквите R ¹ и R ² вместо А и Б, че съществува между заместителите и кислородния атом ъгъл от 120 ° С; тоест геометрията около тази група е триъгълна равнина.

За да бъде геометрията, въглеродът и кислородни атоми трябва непременно SP ² химически хибридизация; по този начин, въглероден ще има три SP ² орбитали да образуват единични ковалентни връзки с R ¹ и R ² и чист р орбитала с двойна връзка с кислород.

Това обяснява как може да има C = O двойна връзка.

Ако изображението се наблюдава, също ще се види, че кислородът има по-висока плътност на електроните, δ-, отколкото въглерода, δ +. Това се дължи на факта, че кислородът е по-електроотрицателен от въглерода и затова го „грабва“ с електронна плътност; и не само него, но и R ¹ и R ² заместителите.

Следователно се генерира постоянен диполен момент, който може да бъде с по-голяма или по-малка величина в зависимост от молекулната структура. Където и да има карбонилна група, ще има диполни моменти.

Резонансни структури

Двете резонансни структури за тази органична група. Източник: Мфомич

Друго следствие от електроотрицателността на кислорода е, че в карбонилната група има резонансни структури, които определят хибрид (комбинацията от двете структури в горното изображение). Обърнете внимание, че двойката електрони може да мигрира към p орбиталата на кислорода, което оставя въглеродния атом с положителен частичен заряд; карбокация.

И двете структури непрекъснато успяват, така че въглеродът поддържа постоянен дефицит на електрони; тоест за катиони, които са много близки до него, те ще изпитат електростатично отблъскване. Но ако това е анион или вид, способен да дарява електрони, ще почувствате силно привличане на този въглерод.

Тогава се случва това, което е известно като нуклеофилна атака, което ще бъде обяснено в следващ раздел.

номенклатура

Когато съединението има група С = О, се казва, че е карбонил. По този начин, в зависимост от естеството на карбонилното съединение, той има свои правила за номенклатура.

Въпреки че, независимо какво представлява, всички те имат общо правило: C = O има приоритет във въглеродната верига при изброяване на въглеродни атоми.

Това означава, че ако има клонове, халогенни атоми, азотни функционални групи, двойни или тройни връзки, никоя от тях не може да носи номер на локатор, по-малък от C = O; следователно, най-дългата верига започва да бъде изброена възможно най-близо до карбонилната група.

Ако, от друга страна, има няколко С = О във веригата и единият от тях е част от по-висша функционална група, тогава карбонилната група ще носи по-голям локатор и ще бъде спомената като оксо заместител.

И каква е тази йерархия? Следното, от най-високото до най-ниското:

-Карбоксилни киселини, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Алдехид, RCOH (или RCHO)

-Кетон, RCOR

Замествайки R и R 'за молекулни сегменти, възниква безкраен брой карбонилни съединения, представени от семействата по-горе: карбоксилни киселини, естери, амиди и др. Всеки от тях е свързан с традиционната си номенклатура или IUPAC.

реактивност

Нуклеофилна атака

Нуклеофилна атака върху карбонилната група. Източник: Benjah-bmm27

Горното изображение показва нуклеофилната атака, претърпяна от карбонилната група. Нуклеофилът Nu ^- може да бъде анион или неутрален вид с налични електронни двойки; като амоняк, NH ₃, например. Изглежда изключително за въглерод, тъй като според резонансните структури има положителен частичен заряд.

Положителният заряд привлича Nu ^-, който ще се стреми да се приближи с "фланг", така че да има най-малко стерилно затруднение от заместителите на R и R '. В зависимост от това колко обемисти са те или от размера на Nu ^{- самата}, атаката ще се случи под различни ъгли ψ; може да бъде много отворен или затворен.

След като атаката се случи, ^{ще се образува} междинно съединение, Nu-CRR'-O; това означава, че кислородът се оставя с двойка електрони, за да позволи Nu ^- да се добави към карбонилната група.

Този отрицателно зареден кислород може да се намеси в други етапи на реакцията; протониран като хидроксилна група, ОН или освободен като водна молекула.

Механизмите, които участват, както и реакционните продукти, получени при тази атака, са много разнообразни.

Дериватите

Нуклеофилният агент Nu ^- може да бъде от много видове. За всеки конкретно, когато реагира с карбонилната група, възникват различни производни.

Например, когато споменатият нуклеофилен агент е амин, NH ₂ R, възникват имини, R ₂ C = NR; ако е хидроксиламин, NH ₂ OH, поражда оксими, RR'C = NOH; ако това е цианидният анион, се получават CN ^-, цианохидрини, RR'C (OH) CN и други други видове.

намаление

В началото се казваше, че тази група е кислородна и следователно ръждива. Това означава, че предвид условията, той може да бъде намален или да загуби връзки с кислородния атом, като го замести с водород. Например:

С = О => СН ₂

Тази трансформация показва, че карбонилната група е редуцирана до метиленова група; имаше печалба на водород в резултат на загубата на кислород. В по-подходящ химичен план: карбонилното съединение се редуцира до алкан.

Ако е кетон, RCOR ', в присъствието на хидразин, Н ₂ N-NH ₂, и силно алкална среда може да се редуцира до съответния алкан; Тази реакция е известна като редукция на Волф-Кишнер:

Намаляване на Уолф-Кишнер. Източник: Ю

Ако от друга страна, реакционната смес се състои от обединен цинк и солна киселина, реакцията е известна като редукция на Клемменсен:

Намаление на Клемменсен. Източник: Wikimedia Commons.

Образуване на ацетали и кетали

Карбонилната група може не само да добави нуклеофилни агенти Nu ^-, но при киселинни условия може да реагира и с алкохоли по подобни механизми.

Когато алдехид или кетон частично реагира с алкохол, се получават съответно хемиацетали или хемицетали. Ако реакцията е завършена, продуктите са ацетали и кетали. Следните химични уравнения обобщават и изясняват по-добре горното:

RCHO + R ³ ОН г RCHOH (OR ³) (полуацетал) + R ⁴ ОН г RCH (OR ³) (OR ⁴) (ацетал)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (OR ³) (Hemicetal) + R ⁴ OH g RCOR ² (OR ³) (OR ⁴) (кетал)

Първата реакция съответства на образуването на хемиацетали и ацетали от алдехид, а втората на хемицетали и кетали от кетон.

Тези уравнения може да не са достатъчно прости, за да обяснят образуването на тези съединения; Въпреки това, за първи подход на субекта, достатъчно е да се разбере, че се добавят алкохоли и техните R странични вериги (R ³ и R ⁴) стават свързани с карбонилния въглерод. Ето защо OR ³ и OR ^{4 се добавят} към първоначалната молекула.

Основната разлика между ацетал и кетал е наличието на водородния атом, свързан с въглерода. Обърнете внимание, че на кетона липсва този водород.

Видове

Много подобно, както е обяснено в секцията за номенклатурата на карбонилната група, нейните типове са функция на които са заместителите А и В, или R и R '. Следователно има структурни характеристики, които споделят серия от карбонилни съединения извън просто реда или вида на връзките.

Например в началото се споменава аналогията между тази група и въглеродния оксид, C2O. Ако молекулата е лишен от водородни атоми и ако има и две терминал С = О, тогава той ще бъде въглероден оксид, С _п О ₂. За n, равно на 3, ще имаме:

O = C = C = C = O

Което е сякаш има две C0O молекули, свързани и разделени с въглерод.

Карбонилните съединения могат да бъдат получени не само от въглероден газ, но и от въглеродна киселина, H ₂ CO ₃ или OH- (С = О) -ОН. Тук двата ОН представляват R и R ', и замествайки един от тях или техните водород, се получават производни на въглеродна киселина.

И тогава има производни на карбоксилни киселини, RCOOH, получени чрез промяна на идентичността на R или заместване на Н с друг атом или верига R '(което би породило естер, RCOOR').

Как да го идентифицираме в алдехиди и кетони

Диференциране на кетон и алдехид от структурна формула. Източник: Габриел Боливар.

И алдехидите, и кетоните имат общо присъствието на карбонилната група. Химическите и физичните му свойства се дължат на него. Въпреки това, техните молекулни среди не са еднакви и в двете съединения; в първия той е в терминално положение, а във втория - навсякъде по веригата.

Например, в горното изображение карбонилната група е вътре в синьо поле. В кетоните до това поле трябва да има друг въглероден или верижен сегмент (отгоре); докато в алдехидите може да има само един водороден атом (дъно).

Ако С = О е в единия край на веригата, това ще бъде алдехид; това е най-прекият начин да се разграничи от кетон.

документ за самоличност

Но как да разберете експериментално дали неизвестно съединение е алдехид или кетон? Има многобройни методи - от спектроскопски (абсорбция на инфрачервено лъчение, инфрачервено лъчение) или качествени органични тестове.

Що се отнася до качествените тестове, те се основават на реакции, които, когато са положителни, аналитикът ще наблюдава физически отговор; промяна в цвета, отделяне на топлина, образуване на мехурчета и т.н.

Например, при добавяне на киселина Разтвор на К ₂ Cr ₂ O ₇ към пробата, алдехидът да се превърне в карбоксилна киселина, която причинява цветът на разтвора за промяна от оранжев в зелен (положителен тест). Междувременно кетоните не реагират и следователно аналитикът не наблюдава промяна в цвета (отрицателен тест).

Друг тест се състои в използване на толенов реагент, ⁺, така че алдехидът да намали Ag ⁺ катионите до метално сребро. И резултатът: образуването на сребърно огледало в долната част на епруветката, където е поставена пробата.

Основни примери

Накрая ще бъдат изброени серия от примери на карбонилни съединения:

-СН ₃ СООН, оцетна киселина

-HCOOH, мравчена киселина

-СН ₃ COCH ₃, пропанон

-СН ₃ COCH ₂ СН ₃, 2-бутанон

-С ₆ Н ₅ COCH ₃, ацетофенон

-СН ₃ СНО, етанал

-СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СНО, пентанал

-С ₆ Н ₅ СНО, бензалдехид

-СН ₃ CONH ₂, ацетамид

-СН ₃ СН ₂ СН ₂ СООСНз ₃, пропил ацетат

Сега, ако се цитират примери за съединения, които просто притежават тази група, списъкът ще стане почти безкраен.

Препратки

1. Morrison, RT и Boyd, R, N. (1987). Органична химия. 5-то издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10-то издание.) Wiley Plus.
4. Рейд Даниел. (2019). Карбонилна група: Свойства и преглед. Изследване. Възстановено от: study.com
5. Шарлин Agvateesiri. (05 юни 2019 г.). Карбонилната група. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Карбонилни съединения. Възстановена от: просто.наука
7. Toppr. (SF). Номенклатура и структура на карбонилната група. Възстановено от: toppr.com
8. Кларк Дж. (2015). Окисляване на алдехиди и кетони. Възстановено от: chemguide.co.uk