KARBONYLGRUPP: EGENSKAPER, EGENSKAPER, NOMENKLATUR, REAKTIVITET - KEMI - 2026

Den karbonylgrupp är en oxygenerad organisk funktionell grupp som liknar den gasformiga kolmonoxiden molekyl. Det representeras som C = O, och även om det betraktas som organiskt, kan det också hittas i oorganiska föreningar; såsom kolsyra, H ₂ CO ₃ , eller i metallorganiska föreningar med Co som bindemedel.

Det är emellertid inom kemi av kol, liv, biokemi och andra analoga vetenskapliga grenar där denna grupp utmärker sig för sin enorma betydelse. Om det inte vore för honom, skulle många molekyler inte kunna interagera med vatten; proteiner, sockerarter, aminosyror, fetter, nukleinsyror och andra biomolekyler skulle inte existera om det inte var för honom.

Karbonylgrupp. Källa: Jü

Bilden ovan visar hur denna grupp ser ut i det allmänna skelettet hos en förening. Observera att den är markerad med den blå färgen, och om vi skulle ta bort substituenterna A och B (R eller R ', lika giltiga), skulle det finnas en kolmonoxidmolekyl. Närvaron av dessa substituenter definierar ett stort antal organiska molekyler.

Om A och B är andra atomer än kol, såsom metaller eller icke-metalliska element, kan man ha organometalliska eller oorganiska föreningar. När det gäller organisk kemi kommer substituenterna A och B alltid att vara antingen väteatomer, kolkedjor, linjer, med eller utan grenar, cykliska eller aromatiska ringar.

Så här börjar det förstå varför karbonylgruppen är ganska vanlig för dem som studerar naturvetenskap eller hälsovetenskap; det är överallt, och utan det skulle de molekylära mekanismerna som förekommer i våra celler inte uppstå.

Om dess relevans kunde sammanfattas skulle det sägas att det bidrar med polaritet, surhet och reaktivitet till en molekyl. Där det finns en karbonylgrupp är det mer än troligt att molekylen just vid den tidpunkten kan genomgå en transformation. Därför är det en strategisk plats att utveckla organisk syntes genom oxidation eller nukleofila attacker.

Egenskaper och egenskaper hos karbonylgruppen

Strukturella egenskaper hos karbonylgruppen. Källa: Azaline Gomberg.

Vilka är de strukturella och elektroniska egenskaperna hos karbonylgruppen? Ovan kan det ses, nu med hjälp av bokstäverna R ¹ och R ² i stället för A och B, att det finns mellan substituenterna och syreatomen en vinkel av 120 ° C; det vill säga geometrien runt denna grupp är ett trigonalt plan.

För att detta skall vara den geometri, det kol och syreatomer måste nödvändigtvis sp ^två kemisk hybridisering ; sålunda, kommer kol har tre sp ² orbitaler för att bilda enstaka kovalenta bindningar med R ¹ och R ² , och ett rent p orbital till dubbelbindning med syre.

Detta förklarar hur det kan finnas en C = O dubbelbindning.

Om bilden observeras kommer det också att ses att syre har en högre elektrondensitet, 5- än kol, 5 +. Detta beror på det faktum att syre är mer elektronegativt än kol, och därför "berövar" det av elektrondensitet; och inte bara honom, men också de R ¹ och R ² substituenter .

Följaktligen genereras ett permanent dipolmoment, vilket kan ha större eller mindre storlek beroende på molekylstrukturen. Där det finns en karbonylgrupp kommer det att vara dipolmoment.

Resonansstrukturer

De två resonansstrukturerna för denna organiska grupp. Källa: Mfomich

En annan konsekvens av syreets elektronegativitet är att det i karbonylgruppen finns resonansstrukturer som definierar en hybrid (kombinationen av de två strukturerna i den övre bilden). Observera att paret av elektroner kan vandra mot p-syrebanan, vilket lämnar kolatomen med en positiv delladdning; en carbocation.

Båda strukturerna lyckas ständigt, så kol upprätthåller en konstant brist på elektroner; det vill säga för katjoner som är mycket nära den kommer de att uppleva elektrostatisk avstötning. Men om det är en anjon, eller en art som kan ge elektroner, kommer du att känna en stark attraktion för detta kol.

Sedan inträffar det som kallas nukleofil attack, vilket kommer att förklaras i ett framtida avsnitt.

Nomenklatur

När en förening har gruppen C = O sägs den vara karbonyl. Beroende på karbonylföreningens art har den således sina egna nomenklaturregler.

Även oavsett vad det är så delar de alla en gemensam regel: C = O har prioritet i kolkedjan när man listar kolatomer.

Detta betyder att om det finns grenar, halogenatomer, kvävefunktionella grupper, dubbel- eller trippelbindningar, kan ingen av dem ha ett lokaliseringsnummer som är mindre än C = O; därför börjar den längsta kedjan listas så nära karbonylgruppen som möjligt.

Om det å andra sidan finns flera C = O i kedjan, och en av dem är en del av en högre funktionell grupp, kommer karbonylgruppen att ha en större lokalisering och kommer att nämnas som en oxosubstituent.

Och vad är den här hierarkin? Följande, från högsta till lägsta:

-Karboxylsyror, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyde, RCOH (eller RCHO)

-Ketone, RCOR

Genom att ersätta R och R 'för molekylära segment, kommer ett oändligt antal karbonylföreningar att representeras av familjerna ovan: karboxylsyror, estrar, amider, etc. Var och en är associerad med sin traditionella eller IUPAC-nomenklatur.

Reaktivitet

Nukleofil attack

Nukleofil attack mot karbonylgruppen. Källa: Benjah-bmm27

Den övre bilden visar den nukleofila attacken som karbonylgruppen lidit. Nukleofilen, Nu ^- , kan vara en anjon eller en neutral art med tillgängliga elektronpar; som ammoniak, NH ₃ , till exempel. Den letar uteslutande efter kol eftersom den enligt resonansstrukturer har en positiv partiell laddning.

Den positiva laddningen lockar Nu ^- , som kommer att försöka närma sig av en "flank" så att det finns det minst steriska hindret från R- och R-substituenterna. Beroende på hur skrymmande de är, eller storleken på Nu ^{- själv} , kommer attacken att ske i olika vinklar ψ; det kan vara mycket öppet eller stängt.

När attacken inträffar kommer en mellanförening, Nu-CRR'-O ^{- att bildas} ; det vill säga, syre sitter kvar med ett par elektroner för att Nu ^- ska kunna lägga till karbonylgruppen.

Detta negativt laddade syre kan ingripa i andra steg i reaktionen; protonerad som en hydroxylgrupp, OH, eller frisatt som en vattenmolekyl.

De involverade mekanismerna, såväl som reaktionsprodukterna erhållna genom denna attack är mycket varierande.

derivat

Det nukleofila medlet Nu ^- kan vara av många arter. För var och en specifikt, när man reagerar med karbonylgruppen, härstammar olika derivat.

Till exempel, när nämnda nukleofila medel är en amin, NH ₂ R, iminer uppstår, R ₂ C = NR; om det är hydroxylamin, NH ₂ OH, ger upphov till oximer, RR'C = NOH; om det är cyanidanjonen produceras CN ^- , cyanohydriner, RR'C (OH) CN, och så vidare med andra arter.

Minskning

Först sades att denna grupp är syresatt och därför rostig. Detta innebär att det med tanke på förhållandena kan reduceras eller förlora bindningar med syreatomen genom att ersätta den med väten. Till exempel:

C = O => CH ₂

Denna transformation indikerar att karbonylgruppen reducerades till en metylengrupp; det fanns en väteförstärkning till följd av förlusten av syre. I mer lämpliga kemiska termer: karbonylföreningen reduceras till en alkan.

Om det är en keton, RCOR', i närvaro av hydrazin, H ₂ N-NH ₂ , och en starkt basiskt medium kan reduceras till dess respektive alkan; Denna reaktion är känd som Wolff-Kishner-reduktion:

Wolff-Kishner-reduktion. Källa: Jü

Om å andra sidan reaktionsblandningen består av amalgamerad zink och saltsyra, är reaktionen känd som Clemmensen reduktion:

Clemmensen reduktion. Källa: Wikimedia Commons.

Bildning av acetaler och ketaler

Karbonylgruppen kan inte bara lägga till nukleofila medel Nu ^- utan under sura förhållanden kan den också reagera med alkoholer med liknande mekanismer.

När en aldehyd eller keton delvis reagerar med en alkohol, produceras hemiacetaler respektive hemicetaler. Om reaktionen är klar är produkterna acetaler och ketaler. Följande kemiska ekvationer sammanfattar och förtydligar ovan nämnda:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (ELLER ³ ) (Hemiacetal) + R ⁴ OH g RCH (ELLER ³ ) (ELLER 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)

Den första reaktionen motsvarar bildandet av hemiacetals och acetaler från en aldehyd och den andra av hemicetals och ketals från en keton.

Dessa ekvationer kanske inte är enkla för att förklara bildningen av dessa föreningar; Emellertid, för en första förhållningssätt till ämnet, är det tillräckligt att förstå att alkoholer tillsätts, och att deras sidokedjor R (R ³ och R ⁴ ) bli kopplad till karbonylkolet. Därför ^läggs OR ³ och OR ⁴ till den initiala molekylen.

Den största skillnaden mellan acetal och ketal är närvaron av väteatomen bunden till kolet. Observera att ketonen saknar väte.

typer

Mycket likt, såsom förklaras i nomenklatursektionen för karbonylgruppen, dess typer är en funktion av vilka substituenterna A och B, eller R och R '. Därför finns det strukturella egenskaper som delar en serie karbonylföreningar utöver bara ordning eller typ av bindningar.

Till exempel nämndes i början av analogin mellan denna grupp och kolmonoxid, C0O. Om molekylen saknar väteatomer och om det finns också två terminala C = O, så kommer det att vara en koloxid, C _n O ₂ . För n lika med 3 kommer vi att ha:

O = C = C = C = O

Vilket är som om det fanns två C0O-molekyler förenade och separerade med ett kol.

Karbonylföreningar kan inte bara vara härledda från CO-gas, men också från kolsyra, H ₂ CO ₃ eller OH- (C = O) -OH. Här representerar de två OH: erna R och R 'och genom att ersätta antingen en av dem eller deras väten erhålles derivat av kolsyra.

Och sedan finns derivat av karboxylsyror, RCOOH, erhållna genom att ändra identiteten på R, eller genom att ersätta H med en annan atom eller kedja R '(vilket skulle ge upphov till en ester, RCOOR').

Hur man identifierar det i aldehyder och ketoner

Differentiering av keton och aldehyd från en strukturell formel. Källa: Gabriel Bolívar.

Både aldehyder och ketoner har gemensamt närvaron av karbonylgruppen. Dess kemiska och fysiska egenskaper beror på det. Men deras molekylära miljöer är inte desamma i båda föreningarna; i det förstnämnda är det i ett terminalläge, och i det senare, var som helst i kedjan.

Till exempel, i den övre bilden är karbonylgruppen i en blå ruta. I ketoner måste bredvid denna ruta finnas ett annat kol- eller kedjesegment (övre); i aldehyder kan det bara finnas en väteatom (botten).

Om C = O är i ena änden av kedjan, kommer det att vara en aldehyd; det är det mest direkta sättet att skilja det från en keton.

ID

Men hur vet du experimentellt om en okänd förening är en aldehyd eller en keton? Det finns många metoder, från spektroskopisk (absorption av infraröd strålning, IR) eller kvalitativa organiska tester.

Beträffande kvalitativa test är dessa baserade på reaktioner som, när de är positiva, kommer analytikern att observera ett fysiskt svar; en förändring i färg, frisättning av värme, bubbelbildning etc.

Till exempel, när tillsats av en sur lösning av K ₂ Cr ₂ O ₇ till provet, kommer aldehyden förvandlas till karboxylsyra, som orsakar att lösningens färg till förändring från orange till grön (positivt test). Under tiden reagerar ketoner inte, och därför observerar inte analytikern någon färgförändring (negativt test).

Ett annat test består av att använda Tollens-reagenset ⁺ så att aldehyden reducerar Ag ⁺ -katjonerna till metalliskt silver. Och resultatet: bildandet av en silverspegel längst ned i provröret där provet placerades.

Huvudexempel

Slutligen kommer en serie exempel på karbonylföreningar att listas:

-CH ₃ COOH, ättiksyra

-HCOOH, myrsyra

-CH ₃ COCH ₃ , propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanon

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , acetofenon

-CH ₃ CHO, etanol

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, bensaldehyd

-CH ₃ CONH ₂ , acetamid

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propylacetat

Om exempel på föreningar som helt enkelt har denna grupp citeras skulle listan bli nästan oändlig.

referenser

1. Morrison, RT och Boyd, R, N. (1987). Organisk kemi. 5: e upplagan. Redaktionell Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjätte upplagan). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10: e upplagan.) Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Carbonyl Group: Egenskaper & Översikt. Studie. Återställd från: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05 juni 2019). Carbonyl-gruppen. Kemi LibreTexts. Återställd från: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonylföreningar. Återställd från: helt enkelt.vetenskap
7. Toppr. (Sf). Nomenklatur och struktur för karbonylgruppen. Återställd från: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oxidation av aldehyder och ketoner. Återställd från: chemguide.co.uk