KARBONYLOVÁ SKUPINA: VLASTNOSTI, VLASTNOSTI, NOMENKLATURA, REAKTIVITA - CHEMIE - 2025

Karbonylová skupina je okysličená organickou funkční skupinu, která se podobá plynného oxidu uhelnatého molekuly. Je reprezentován jako C = O, a ačkoli je považován za organický, lze jej také nalézt v anorganických sloučeninách; jako kyseliny uhličité, H ₂ CO ₃, nebo v organokovových sloučenin s CO jako pojivo.

Je to však chemie uhlíku, života, biochemie a dalších analogických vědeckých oborů, kde tato skupina vyniká svou nesmírnou důležitost. Kdyby to nebylo pro něj, mnoho molekul by nebylo schopno interagovat s vodou; proteiny, cukry, aminokyseliny, tuky, nukleové kyseliny a další biomolekuly by neexistovaly, kdyby pro něj nebyly.

Karbonylová skupina. Zdroj: Jü

Obrázek nahoře ukazuje, jak tato skupina vypadá v obecné kostře sloučeniny. Všimněte si, že je zvýrazněna modrou barvou, a pokud odstraníme substituenty A a B (R nebo R ', stejně platné), zůstane molekula oxidu uhelnatého. Přítomnost těchto substituentů definuje velké množství organických molekul.

Pokud A a B jsou atomy jiné než uhlík, jako jsou kovy nebo nekovové prvky, lze použít organokovové nebo anorganické sloučeniny. V případě organické chemie budou substituenty A a B vždy buď atomy vodíku, uhlíkové řetězce, linie, s nebo bez větví, cyklické nebo aromatické kruhy.

Takto začíná pochopit, proč je karbonylová skupina běžná pro ty, kdo studují přírodní nebo zdravotní vědy; je to všude a bez ní by nedošlo k molekulárním mechanismům, které se vyskytují v našich buňkách.

Pokud by bylo možné shrnout jeho význam, bylo by řečeno, že k molekule přispívá polaritou, kyselostí a reaktivitou. Tam, kde je karbonylová skupina, je více než pravděpodobné, že právě v tomto bodě může molekula podstoupit transformaci. Proto je strategickým místem pro rozvoj organické syntézy oxidací nebo nukleofilními útoky.

Vlastnosti a vlastnosti karbonylové skupiny

Strukturální charakteristiky karbonylové skupiny. Zdroj: Azaline Gomberg.

Jaké jsou strukturní a elektronické vlastnosti karbonylové skupiny? Nad to je možné vidět, nyní pomocí písmen R ¹ a R ², místo A a B, které existuje mezi substituenty a atom kyslíku v úhlu 120 ° C; to znamená, že geometrie kolem této skupiny je trigonální rovina.

K tomu, aby se geometrie, uhlík a atomy kyslíku, musí nutně mít sp ² chemickou hybridizace; tak, uhlík bude mít tři SP ² orbitaly, že tvoří jedinou kovalentní vazby s R ¹ a R ², a čistý p orbitální na dvojné vazbě s kyslíkem.

To vysvětluje, jak může existovat dvojná vazba C = O.

Je-li obraz pozorován, bude také vidět, že kyslík má vyšší elektronovou hustotu, 5, než uhlík, 5 +. Toto je kvůli skutečnosti, že kyslík je více elektronegative než uhlík, a proto “okrádá” to o hustotě elektronů; a nejen jemu, ale i R ¹ a R ² substituenty.

V důsledku toho se vytváří trvalý dipólový moment, který může mít větší nebo menší velikost v závislosti na molekulární struktuře. Kdekoli je karbonylová skupina, budou existovat dipólové okamžiky.

Rezonanční struktury

Dvě rezonanční struktury pro tuto organickou skupinu. Zdroj: Mfomich

Dalším důsledkem elektronegativity kyslíku je to, že v karbonylové skupině jsou rezonanční struktury, které definují hybrid (kombinace obou struktur na horním obrázku). Všimněte si, že pár elektronů může migrovat směrem k orbitálu kyslíku, který opouští atom uhlíku s kladným částečným nábojem; karbocation.

Obě struktury neustále uspějí, takže uhlík udržuje stálý nedostatek elektronů; to znamená, že u kationtů, které jsou jí velmi blízké, dojde k elektrostatickému odporu. Ale pokud je to anion nebo druh schopný darovat elektrony, budete cítit silnou přitažlivost pro tento uhlík.

Pak nastane tzv. Nukleofilní útok, který bude vysvětlen v další části.

Nomenklatura

Když má sloučenina skupinu C = O, je to karbonyl. V závislosti na povaze karbonylové sloučeniny má tedy svá vlastní pravidla nomenklatury.

Ačkoli bez ohledu na to, co to je, všichni sdílejí společné pravidlo: C = O má v seznamu uhlíkových atomů přednost v uhlíkovém řetězci.

To znamená, že pokud existují větve, atomy halogenu, dusíkaté funkční skupiny, dvojné nebo trojné vazby, žádná z nich nemůže nést lokalizační číslo menší než C = O; proto nejdelší řetězec začíná být uveden co nejblíže karbonylové skupině.

Jestliže na druhé straně je v řetězci několik C = O a jeden z nich je součástí vyšší funkční skupiny, pak karbonylová skupina nese větší lokátor a bude uvedena jako oxo substituent.

A co je tato hierarchie? Následující, od nejvyšší po nejnižší:

- Karboxylové kyseliny, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amid, RCONH ₂

-Aldehyd, RCOH (nebo RCHO)

-Keton, RCOR

Nahrazením R a R 'molekulárními segmenty vznikne nekonečný počet karbonylových sloučenin reprezentovaných výše uvedenými skupinami: karboxylové kyseliny, estery, amidy atd. Každý z nich je spojen se svou tradiční nomenklaturou nebo IUPAC nomenklaturou.

Reaktivita

Nukleofilní útok

Nukleofilní útok na karbonylovou skupinu. Zdroj: Benjah-bmm27

Horní obrázek ukazuje nukleofilní útok, kterým karbonylová skupina trpěla. Nukleofil, Nu ^-, může být anion nebo neutrální druh s dostupnými páry elektronů; jako je amoniak, NH ₃, například. Hledá výhradně uhlík, protože podle rezonančních struktur má kladný částečný náboj.

Pozitivní náboj přitahuje Nu ^-, který se bude snažit přiblížit „bokem“ tak, aby byly substituenty R a R 'nejméně sterické. V závislosti na tom, jak objemné jsou, nebo velikost Nu ^{- samotný} útok se vyskytují v různých úhlech ψ; může být velmi otevřený nebo uzavřený.

Poté, co dojde k útoku, meziprodukt sloučenina, Nu-CRR'-O ^{- se vytvoří}; to znamená, že kyslík je ponechán s párem elektronů, aby mohl Nu ^- přidat se do karbonylové skupiny.

Tento negativně nabitý kyslík může zasahovat do dalších kroků reakce; protonované jako hydroxylová skupina, OH, nebo uvolněné jako molekula vody.

Zapojené mechanismy a reakční produkty získané tímto útokem jsou velmi rozmanité.

Deriváty

Nukleofilní agent Nu ^- může být mnoha druhů. Při každé reakci s karbonylovou skupinou vznikají různé deriváty.

Například, když je nukleofilním činidlem je amin, NH ₂ R, iminy vznikají, R ₂ C = N; v případě, že je hydroxylamin, NH ₂ OH, vede ke vzniku oximů, RR'C = NOH; pokud je to kyanidový anion, produkují se CN ^-, kyanohydriny, RR'C (OH) CN atd. s jinými druhy.

Snížení

Nejprve bylo řečeno, že tato skupina je okysličená, a proto rezavá. To znamená, že za daných podmínek může být snížena nebo ztracena vazba s atomem kyslíku tím, že bude nahrazena vodíky. Například:

C = O => CH ₂

Tato transformace ukazuje, že karbonylová skupina byla redukována na methylenovou skupinu; v důsledku ztráty kyslíku došlo k nárůstu vodíku. Vhodnější chemické výrazy: karbonylová sloučenina je redukována na alkan.

Pokud je keton, Rcor‘, v přítomnosti hydrazinu, H ₂ N-NH ₂, a silně zásaditém prostředí může být snížena v příslušné alkanu; Tato reakce se nazývá Wolff-Kishnerova redukce:

Wolff-Kishnerova redukce. Zdroj: Jü

Pokud se naopak reakční směs skládá z amalgamovaného zinku a kyseliny chlorovodíkové, je reakce známa jako Clemmensenova redukce:

Clemmensenova redukce. Zdroj: Wikimedia Commons.

Tvorba acetalů a ketalů

Karbonylová skupina může přidat nejen nukleofilní činidla Nu ^-, ale za kyselých podmínek může také reagovat s alkoholy podobnými mechanismy.

Když aldehyd nebo keton částečně reaguje s alkoholem, vznikají hemiacetaly nebo hemicetaly. Pokud je reakce kompletní, jedná se o acetaly a ketaly. Následující chemické rovnice shrnují a lépe objasňují výše uvedené:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³) (hemiacetalu) + 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)

První reakce odpovídá tvorbě hemiacetálů a acetalů z aldehydu a druhá hemicetaly a ketaly z ketonu.

Tyto rovnice nemusí být dostatečně jednoduché, aby vysvětlily vznik těchto sloučenin; Nicméně, pro první přístup k předmětu, stačí si uvědomit, že alkoholy jsou přidány, a že jejich R postranními řetězci (R ³ a R ⁴) mohl napojit na karbonylový uhlík. Proto ^jsou k počáteční molekule ^přidány OR ³ a OR ⁴.

Hlavní rozdíl mezi acetalem a ketalem je přítomnost atomu vodíku vázaného na uhlík. Všimněte si, že ketonu tento vodík chybí.

Typy

Velmi podobné, jak je vysvětleno v části nomenklatury pro karbonylovou skupinu, její typy jsou funkcí, které jsou substituenty A a B nebo R a R '. Proto existují strukturální rysy, které sdílejí řadu karbonylových sloučenin nad rámec řádu nebo typu vazeb.

Například byla zmíněna na začátku analogie mezi touto skupinou a oxidem uhelnatým, C≡O. V případě, že molekula postrádá atomy vodíku a v případě, že jsou rovněž dva koncové C = O, pak to bude oxid uhlíku, C _n O ₂. Pro n rovné 3 budeme mít:

O = C = C = C = O

Což je, jako by byly dvě molekuly C≡O spojeny a odděleny uhlíkem.

Karbonylové sloučeniny nelze odvodit pouze z plynu CO, ale také od kyseliny uhličité, H ₂ CO ₃ nebo OH- (C = O) -OH. Zde dva OH představují R a R 'a získají se nahrazením jednoho z nich nebo jejich vodíků deriváty kyseliny uhličité.

A pak existují deriváty karboxylových kyselin, RCOOH, získané změnou identity R nebo nahrazením H jiným atomem nebo řetězcem R '(což by vedlo k vzniku esteru, RCOOR').

Jak ji identifikovat v aldehydech a ketonech

Diferenciace ketonu a aldehydu od strukturního vzorce. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Aldehydy i ketony mají společnou přítomnost karbonylové skupiny. Díky tomu jsou jeho chemické a fyzikální vlastnosti. Jejich molekulární prostředí však v obou sloučeninách není stejné; v prvním případě je v terminálové poloze a v druhém místě kdekoli v řetězci.

Například na horním obrázku je karbonylová skupina uvnitř modrého rámečku. V ketonech musí být vedle této krabice další segment uhlíku nebo řetězce (nahoře); zatímco v aldehydech může existovat pouze jeden atom vodíku (dole).

Pokud je C = O na jednom konci řetězce, bude to aldehyd; to je nejpřímější způsob, jak jej odlišit od ketonu.

ID

Jak ale experimentálně víte, že neznámá sloučenina je aldehyd nebo keton? Existuje celá řada metod, od spektroskopických (absorpce infračerveného záření, IR) nebo kvalitativních organických testů.

Pokud jde o kvalitativní testy, jsou založeny na reakcích, které, pokud jsou pozitivní, analytik pozoruje fyzickou odpověď; změna barvy, uvolňování tepla, tvorba bublin atd.

Například při přidání kyseliny K roztoku ₂ kr ₂ O ₇ na vzorek, se aldehyd se přeměnit karboxylovou kyselinu, která způsobuje barvu řešení změny z oranžové na zelenou (pozitivní test). Mezitím ketony nereagují, a proto analytik nepozoruje žádnou změnu barvy (negativní test).

Další test spočívá v použití Tollenova činidla ⁺, takže aldehyd redukuje kationty Ag ⁺ na kovové stříbro. A výsledek: vytvoření stříbrného zrcadla na dně zkumavky, kde byl vzorek umístěn.

Hlavní příklady

Nakonec bude uvedena řada příkladů karbonylových sloučenin:

CH ₃ COOH, kyselina octová

-HCOOH, kyselina mravenčí

-CH ₃ COCH ₃, propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃, 2-butanon

C ₆ H ₅ COCH ₃, acetofenon

CH ₃ CHO, ethanal

CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanalu

C ₆ H ₅ CHO, benzaldehyd

-CH ₃ CONH ₂, acetamid

CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃, propylacetát

Pokud jsou nyní citovány příklady sloučenin, které tuto skupinu jednoduše obsahují, seznam by byl téměř nekonečný.

Reference

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chemie. 5. vydání. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10. vydání.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Karbonylová skupina: Vlastnosti a přehled. Studie. Obnoveno z: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (5. června 2019). Karbonylová skupina. Chemistry LibreTexts. Obnoveno z: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonylové sloučeniny. Obnoveno z: simply.science
7. Toppr. (sf). Názvosloví a struktura karbonylové skupiny. Obnoveno z: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oxidace aldehydů a ketonů. Obnoveno z: chemguide.co.uk