КАРБОНИЛЬНАЯ ГРУППА: ХАРАКТЕРИСТИКА, СВОЙСТВА, НОМЕНКЛАТУРА, РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ - ХИМИЯ - 2024

Карбонильная группа представляет собой окисленный органическую функциональную группу , которая напоминает газовую молекулу окиси углерода. Он представлен как C = O, и хотя он считается органическим, его также можно найти в неорганических соединениях; таких как угольная кислота, H ₂ CO ₃ или в металлоорганических соединениях с CO в качестве связующего.

Однако именно в химии углерода, жизни, биохимии и других подобных научных областях эта группа выделяется своим огромным значением. Если бы не он, многие молекулы не смогли бы взаимодействовать с водой; белки, сахара, аминокислоты, жиры, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы не существовали бы, если бы не он.

Карбонильная группа. Источник: Jü

На изображении выше показано, как эта группа выглядит в общем скелете соединения. Обратите внимание, что он выделен синим цветом, и если бы мы удалили заместители A и B (R или R ', равнозначно), то была бы молекула окиси углерода. Наличие этих заместителей определяет большое количество органических молекул.

Если A и B являются атомами, отличными от углерода, такими как металлы или неметаллические элементы, можно иметь металлоорганические или неорганические соединения соответственно. В случае органической химии заместители A и B всегда будут либо атомами водорода, углеродными цепями, линиями, с разветвлениями или без них, циклическими или ароматическими кольцами.

Так начинается понимание того, почему карбонильная группа довольно обычна для тех, кто изучает естественные науки или науки о здоровье; он есть повсюду, и без него молекулярные механизмы, происходящие в наших клетках, не могли бы возникнуть.

Если бы его значимость можно было резюмировать, можно было бы сказать, что он способствует полярности, кислотности и реакционной способности молекулы. Если есть карбонильная группа, более чем вероятно, что именно в этот момент молекула может претерпеть преобразование. Следовательно, это стратегическое место для развития органического синтеза посредством окисления или нуклеофильных атак.

Характеристики и свойства карбонильной группы

Структурные характеристики карбонильной группы. Источник: Азалин Гомберг.

Каковы структурные и электронные характеристики карбонильной группы? Выше можно увидеть, используя теперь буквы R ¹ и R ² вместо A и B, что между заместителями и атомом кислорода существует угол 120 ° C; то есть геометрия вокруг этой группы представляет собой тригональную плоскость.

Для такой геометрии атомы углерода и кислорода обязательно должны иметь химическую гибридизацию sp ² ; таким образом, углерод будет иметь три sp ² -орбитали для образования одинарных ковалентных связей с R ¹ и R ² и чистую p-орбиталь для двойной связи с кислородом.

Это объясняет, как может быть двойная связь C = O.

Если наблюдать изображение, также будет видно, что кислород имеет более высокую электронную плотность, δ-, чем углерод, δ +. Это связано с тем, что кислород более электроотрицателен, чем углерод, и поэтому «отнимает» у него электронную плотность; и не только он, но также заместители R ¹ и R ² .

Следовательно, создается постоянный дипольный момент, который может иметь большую или меньшую величину в зависимости от молекулярной структуры. Везде, где есть карбонильная группа, будут дипольные моменты.

Резонансные структуры

Две резонансные структуры для этой органической группы. Источник: Мфомич

Другое следствие электроотрицательности кислорода состоит в том, что в карбонильной группе есть резонансные структуры, которые определяют гибрид (комбинация двух структур на верхнем изображении). Обратите внимание, что пара электронов может мигрировать в направлении p-орбитали кислорода, которая оставляет атом углерода с положительным частичным зарядом; карбокатион.

Обе структуры постоянно развиваются, поэтому углерод поддерживает постоянный дефицит электронов; то есть для очень близких к нему катионов они будут испытывать электростатическое отталкивание. Но если это анион или разновидность, способная отдавать электроны, вы почувствуете сильное притяжение к этому углероду.

Затем происходит так называемая нуклеофильная атака, которая будет объяснена в следующем разделе.

Номенклатура

Когда соединение имеет группу C = O, оно называется карбонилом. Таким образом, в зависимости от природы карбонильного соединения для него действуют свои правила номенклатуры.

Хотя, что бы это ни было, все они разделяют общее правило: C = O имеет приоритет в углеродной цепи при перечислении атомов углерода.

Это означает, что если есть разветвления, атомы галогена, функциональные группы азота, двойные или тройные связи, ни одна из них не может нести локаторное число меньше C = O; следовательно, самая длинная цепь начинает указываться как можно ближе к карбонильной группе.

Если, с другой стороны, в цепи есть несколько C = O, и один из них является частью более высокой функциональной группы, то карбонильная группа будет нести более крупный локатор и будет упоминаться как оксозаместитель.

А что это за иерархия? Следующее, от высшего к низшему:

-Карбоновые кислоты, RCOOH

-Эстер, RCOOR '

-Амид, RCONH ₂

-Альдегид, RCOH (или RCHO)

-Кетон, RCOR

Заменяя R и R 'на молекулярные сегменты, возникает бесконечное количество карбонильных соединений, представленных вышеуказанными семействами: карбоновые кислоты, сложные эфиры, амиды и т. Д. Каждый связан со своей традиционной номенклатурой или номенклатурой ИЮПАК.

Реактивность

Нуклеофильная атака

Нуклеофильная атака на карбонильную группу. Источник: Benjah-bmm27

На верхнем изображении показана нуклеофильная атака карбонильной группы. Нуклеофил Nu ^- может быть анионом или нейтральной разновидностью с доступными электронными парами; например, аммиак, NH ₃ . Он ищет исключительно углерод, потому что, согласно резонансным структурам, он имеет положительный частичный заряд.

Положительный заряд притягивает Nu ^- , который будет стремиться приблизиться «флангом», так что существует наименьшее стерическое препятствие со стороны заместителей R и R '. В зависимости от того, как громоздкие они, или размер Nu ^{- сама} атака будет происходить под разными углами ψ; он может быть очень открытым или закрытым.

Как только происходит атака, образуется промежуточное соединение Nu-CRR'-O ^- ; то есть у кислорода остается пара электронов, чтобы позволить Nu ^- присоединиться к карбонильной группе.

Этот отрицательно заряженный кислород может вмешиваться в другие стадии реакции; протонирован как гидроксильная группа, ОН, или высвобожден как молекула воды.

Участвующие механизмы, а также продукты реакции, полученные в результате этой атаки, очень разнообразны.

производные

Нуклеофильный агент Nu ^- может быть многих видов. В частности, для каждого из них при взаимодействии с карбонильной группой возникают разные производные.

Например, когда указанный нуклеофильный агент представляет собой амин, NH ₂ R, возникают имины, R ₂ C = NR; если это гидроксиламин, NH ₂ OH, образует оксимы, RR'C = NOH; если это цианид - анион, CN ^- , циангидрины, RR'C (ОН) CN , производится, и так далее с другими видами.

снижение

Сначала было сказано, что эта группа насыщена кислородом, а потому ржавая. Это означает, что в определенных условиях он может быть восстановлен или потерян связи с атомом кислорода, заменив его атомами водорода. Например:

С = О => СН ₂

Это преобразование указывает на то, что карбонильная группа была восстановлена ​​до метиленовой группы; было увеличение водорода в результате потери кислорода. В более подходящих химических терминах: карбонильное соединение восстанавливается до алкана.

Если это кетон, RCOR ', в присутствии гидразина, H ₂ N-NH ₂ и сильно щелочная среда могут быть восстановлены до соответствующего алкана; Эта реакция известна как восстановление Вольфа-Кишнера:

Редукция Вольфа-Кишнера. Источник: Jü

Если же, с другой стороны, реакционная смесь состоит из амальгамированного цинка и соляной кислоты, реакция известна как восстановление Клемменсена:

Редукция Клемменсена. Источник: Wikimedia Commons.

Образование ацеталей и кеталей

Карбонильная группа может не только добавлять нуклеофильные агенты Nu ^- , но в кислых условиях она также может реагировать со спиртами по аналогичным механизмам.

Когда альдегид или кетон частично реагирует со спиртом, соответственно образуются полуацетали или гемицеталлы. Если реакция завершается, продукты представляют собой ацетали и кетали. Следующие химические уравнения суммируют и лучше поясняют вышеупомянутое:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³ ) (полуацеталь) + R ⁴ OH g RCH (OR ³ ) (OR ⁴ ) (Ацеталь)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (OR ³ ) (гемицеталь) + R ⁴ OH g RCOR ² (OR ³ ) (OR ⁴ ) (кеталь)

Первая реакция соответствует образованию полуацеталей и ацеталей из альдегида, а вторая - гемицеталей и кеталей из кетона.

Эти уравнения могут быть недостаточно простыми, чтобы объяснить образование этих соединений; Однако для первого подхода к предмету достаточно понять, что спирты добавляются и что их боковые цепи R (R ³ и R ⁴ ) становятся связанными с карбонильным углеродом. Поэтому к исходной молекуле ^{добавляются} OR ³ и OR ⁴ .

Основное различие между ацеталем и кеталем - наличие атома водорода, связанного с углеродом. Обратите внимание, что в кетоне этот водород отсутствует.

Типы

Очень похоже на то, что объясняется в разделе номенклатуры для карбонильной группы, ее типы зависят от заместителей A и B или R и R '. Следовательно, есть структурные характеристики, которые разделяют ряд карбонильных соединений, помимо порядка или типа связей.

Например, в начале была сделана аналогия между этой группой и монооксидом углерода C≡O. Если молекула лишена атомов водорода и если есть еще два концевых C = O, то это будет оксид углерода C _n O ₂ . Для n, равного 3, мы будем иметь:

О = С = С = С = О

Это как если бы две молекулы C≡O были соединены и разделены углеродом.

Карбонильные соединения могут быть получены не только из газа CO, но также из угольной кислоты, H ₂ CO ₃ или OH- (C = O) -OH. Здесь два OH представляют собой R и R ', и заменяя один из них или их атомы водорода, получают производные угольной кислоты.

Кроме того, есть производные карбоновых кислот, RCOOH, полученные путем изменения идентификаторов R или замены H на другой атом или цепь R '(что привело бы к образованию сложного эфира, RCOOR').

Как определить его в альдегидах и кетонах

Дифференциация кетона и альдегида по структурной формуле. Источник: Габриэль Боливар.

Как альдегиды, так и кетоны имеют общее присутствие карбонильной группы. Благодаря этому его химические и физические свойства. Однако их молекулярное окружение в обоих соединениях неодинаково; в первом он находится в конечном положении, а во втором - в любом месте цепи.

Например, на верхнем изображении карбонильная группа находится внутри синей рамки. В кетонах рядом с этим прямоугольником должен быть другой углеродный сегмент или сегмент цепи (вверху); в то время как в альдегидах может быть только один атом водорода (внизу).

Если C = O находится на одном конце цепи, это будет альдегид; это самый прямой способ отличить его от кетона.

МНЕ БЫ

Но как узнать экспериментально, является ли неизвестное соединение альдегидом или кетоном? Существует множество методов, от спектроскопических (поглощение инфракрасного излучения, ИК) до качественных органических тестов.

Что касается качественных тестов, они основаны на реакциях, на которые в случае положительного результата аналитик будет наблюдать физическую реакцию; изменение цвета, выделение тепла, образование пузырей и т. д.

Например, при добавлении кислотного раствора K ₂ Cr ₂ O ₇ к образцу альдегид превратится в карбоновую кислоту, что приведет к изменению цвета раствора с оранжевого на зеленый (положительный результат). Между тем, кетоны не реагируют, и поэтому аналитик не наблюдает изменения цвета (отрицательный тест).

Другой тест состоит в использовании реагента Толленса, ⁺ , так что альдегид восстанавливает катионы Ag ⁺ до металлического серебра. И результат: образование серебряного зеркала на дне пробирки, куда помещался образец.

Основные примеры

Наконец, будет перечислен ряд примеров карбонильных соединений:

-CH ₃ COOH, уксусная кислота

-HCOOH, муравьиная кислота

-CH ₃ COCH ₃ , пропанон

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-бутанон

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , ацетофенон

-CH ₃ CHO, этаналь

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, пентаналь

-C ₆ H ₅ CHO, бензальдегид

-CH ₃ CONH ₂ , ацетамид

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , пропилацетат

Теперь, если привести примеры соединений, которые просто обладают этой группой, список стал бы почти бесконечным.

Ссылки

1. Моррисон, Р. Т. и Бойд, Р., Н. (1987). Органическая химия. 5-е издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
3. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10-е изд.). Wiley Plus.
4. Рид Даниэль. (2019). Карбонильная группа: свойства и обзор. Учиться. Получено с: study.com
5. Шарлин Агватисири. (05 июня 2019 г.). Карбонильная группа. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Карбонильные соединения. Получено с: simple.science
7. Toppr. (SF). Номенклатура и структура карбонильной группы. Получено с: toppr.com
8. Кларк Дж. (2015). Окисление альдегидов и кетонов. Получено с: chemguide.co.uk