КАРБОНІЛЬНА ГРУПА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВЛАСТИВОСТІ, НОМЕНКЛАТУРА, РЕАКЦІЙНА ЗДАТНІСТЬ - ХІМІЯ - 2025

Карбонільна група являє собою окислений органічну функціональну групу , яка нагадує газову молекулу окису вуглецю. Він представлений у вигляді С = О, і хоча він вважається органічним, його також можна знайти в неорганічних сполуках; як вуглекисла кислота, H ₂ CO ₃ , або в металоорганічних сполуках з СО в якості сполучного.

Однак саме в галузі хімії вуглецю, життя, біохімії та інших подібних наукових галузей ця група виділяється своїм величезним значенням. Якби не він, багато молекул не змогли б взаємодіяти з водою; білків, цукрів, амінокислот, жирів, нуклеїнових кислот та інших біомолекул не існувало б, якби не він.

Карбонільна група. Джерело: Jü

Зображення вище показує, як виглядає ця група у загальному скелеті сполуки. Зауважте, що він виділяється синім кольором, і якби ми видаляли заступники A і B (R або R ', однаково справедливі), виникла б молекула чадного газу. Наявність цих заступників визначає велику кількість органічних молекул.

Якщо A і B є атомами, крім вуглецю, такими як метали або неметалічні елементи, можна мати відповідно металоорганічні або неорганічні сполуки. Що стосується органічної хімії, заступники A і B завжди будуть або атомами водню, вуглецевими ланцюгами, лініями, з гілками або без них, циклічними або ароматичними кільцями.

Ось так воно починає розуміти, чому карбонільна група досить поширена для тих, хто вивчає природні науки або науки про здоров'я; воно є скрізь, і без нього молекулярні механізми, що виникають у наших клітинах, не відбулися б.

Якщо її релевантність можна було б підсумувати, можна сказати, що вона сприяє полярності, кислотності та реакційній здатності молекули. Там, де є карбонільна група, більш ніж ймовірно, що саме в цей момент молекула може зазнати трансформації. Тому це стратегічне місце для розвитку органічного синтезу шляхом окислення або нуклеофільних атак.

Характеристика та властивості карбонільної групи

Структурні характеристики карбонільної групи. Джерело: Азалін Гомберг.

Які структурні та електронні характеристики карбонільної групи? Вище видно, тепер, використовуючи букви R ¹ і R ² замість A і B, існує між заступниками та атомом кисню кут 120 ° C; тобто геометрія навколо цієї групи є трикутною площиною.

Щоб це було геометрією, атоми вуглецю та кисню обов'язково повинні мати sp ² хімічну гібридизацію ; таким чином, вуглець матиме три орбіталі sp ² для утворення одинарних ковалентних зв'язків з R ¹ і R ² , а чистий p орбітал - подвійний зв'язок з киснем.

Це пояснює, як може бути подвійний зв’язок C = O.

Якщо зображення спостерігається, також буде видно, що кисень має більшу щільність електронів, δ-, ніж вуглець, δ +. Це пов’язано з тим, що кисень є електронегативнішим, ніж вуглець, і тому «позбавляє» його електронної щільності; і не тільки він, але і заступники R ¹ і R ² .

Отже, генерується постійний дипольний момент, який може бути більшої або меншої величини залежно від молекулярної структури. Де б не була карбонільна група, будуть дипольні моменти.

Резонансні структури

Дві резонансні структури для цієї органічної групи. Джерело: Мфоміч

Іншим наслідком електронегативності кисню є те, що в карбонільній групі є резонансні структури, що визначають гібрид (поєднання двох структур на верхньому зображенні). Зауважимо, що пара електронів може мігрувати в бік орбіталі кисню, що залишає атом вуглецю з позитивним частковим зарядом; карбокація.

Обидві структури постійно досягають успіху, тому вуглець підтримує постійний дефіцит електронів; тобто для катіонів, які йому дуже близькі, вони відчуватимуть електростатичне відштовхування. Але, якщо це аніон або вид, здатний дарувати електрони, ви відчуєте сильний потяг до цього вуглецю.

Тоді відбувається те, що відомо як нуклеофільна атака, що буде пояснено в майбутньому розділі.

Номенклатура

Коли сполука має групу C = O, вона вважається карбонільною. Таким чином, залежно від природи карбонільної сполуки, вона має свої правила номенклатури.

Хоча, як би це не було, всі вони діють загальним правилом: C = O має пріоритет у ланцюзі вуглецю при переліку атомів вуглецю.

Це означає, що якщо є гілки, атоми галогену, азотисті функціональні групи, подвійні чи потрійні зв’язки, жодна з них не може мати номер локатора, менший ніж C = O; тому найдовший ланцюг починає перераховуватися як можна ближче до карбонільної групи.

Якщо, з іншого боку, у ланцюзі є декілька C = O, і один з них є частиною вищої функціональної групи, то карбонільна група матиме більший локатор і буде згадуватися як заступник оксо.

І що це за ієрархія? Наступні, від найвищої до найнижчої:

-Карбонові кислоти, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Алдегід, RCOH (або RCHO)

-Кетон, RCOR

Замінюючи R і R 'молекулярними сегментами, виникає нескінченна кількість карбонільних сполук, представлених сім'ями вище: карбонові кислоти, ефіри, аміди тощо. Кожен з них асоціюється зі своєю традиційною номенклатурою IUPAC.

Реактивність

Нуклеофільна атака

Нуклеофільна атака на карбонільну групу. Джерело: Benjah-bmm27

На верхньому зображенні показана нуклеофільна атака, яку зазнала карбонільна група. Нуклеофіл Nu ^- може бути аніоном або нейтральним видом з наявними електронними парами; наприклад, аміак, NH ₃ , наприклад. Він виглядає виключно на вуглець, оскільки, за резонансними структурами, має позитивний частковий заряд.

Позитивний заряд притягує Nu ^- , який намагатиметься наблизитись «флангом» таким чином, щоб було найменше стеричне перешкода від замісників R і R '. Залежно від того, наскільки вони об’ємні, або від розміру самої Nu ^- , напад відбуватиметься під різними кутами ψ; він може бути дуже відкритим або закритим.

Як тільки відбувається атака, утворюється проміжне з'єднання Nu-CRR'-O ^- ; тобто кисень залишається з парою електронів, щоб Nu ^- додавався до карбонільної групи.

Цей негативно заряджений кисень може втручатися в інші етапи реакції; протонірован у вигляді гідроксильної групи, ОН або вивільняється у вигляді молекули води.

Задіяні механізми, а також продукти реакції, отримані в результаті цієї атаки, дуже різноманітні.

Похідні

Нуклеофільний агент Nu ^- може бути багатьох видів. Для кожного конкретно при взаємодії з карбонільною групою виникають різні похідні.

Наприклад, коли зазначеним нуклеофільним агентом є амін, NH ₂ R, виникають іміни, R ₂ C = NR; якщо це гідроксиламін, NH ₂ OH, викликає оксими, RR'C = NOH; якщо це аніон ціаніду, з іншими видами утворюються CN ^- , ціаногідрини, RR'C (OH) CN.

Зменшення

Спочатку говорилося, що ця група киснева, а отже, іржава. Це означає, що, враховуючи умови, його можна зменшити або втратити зв’язки з атомом кисню, замінивши його на водень. Наприклад:

C = O => CH ₂

Це перетворення вказує на те, що карбонільна група була відновлена ​​до метиленової групи; відбулося надходження водню внаслідок втрати кисню. Більш відповідним хімічним виразом: карбонільна сполука зводиться до алкану.

Якщо це кетон, RCOR ', у присутності гідразину, H ₂ N-NH ₂ та сильно основна середовище можуть бути відновлені до відповідного алкану; Ця реакція відома як відновлення Вольфа-Кішнера:

Скорочення Вольфа-Кішнера. Джерело: Jü

Якщо, з іншого боку, реакційна суміш складається з об'єднаного цинку та соляної кислоти, реакція відома як відновлення Клемменсена:

Зниження Клемменсена. Джерело: Wikimedia Commons.

Утворення ацеталів і кеталів

Карбонільна група може не тільки додавати нуклеофільні агенти Nu ^- , але і в кислих умовах вона також може реагувати зі спиртами за аналогічними механізмами.

Коли альдегід або кетон частково реагують на спирт, утворюються геміацетали або геміцетали відповідно. Якщо реакція завершена, продукти - це ацетали та кеталі. Наступні хімічні рівняння узагальнюють та краще уточнюють вищезгадане:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³ ) (геміацеталь) + 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 ) (кетал)

Перша реакція відповідає утворенню геміацеталів і ацеталів з альдегіду, а друга - геміцеталів і кеталів з кетону.

Ці рівняння можуть бути недостатньо простими для пояснення утворення цих сполук; Однак для першого підходу до теми досить зрозуміти, що додаються спирти, і що їх бічні ланцюги R (R ³ і R ⁴ ) з’єднуються з карбонільним вуглецем. Ось чому OR ³ і OR ^{4 додаються} до початкової молекули.

Основна відмінність ацеталу від кеталу - наявність атома водню, зв’язаного з вуглецем. Зауважте, що кетону не вистачає цього водню.

Типи

Дуже схоже, як пояснено в розділі номенклатури карбонільної групи, її типи є функцією яких є заступники A і B, або R і R '. Тому існують структурні особливості, які поділяють низку карбонільних сполук, що виходять за межі просто порядку чи типу зв’язків.

Наприклад, на початку згадувались аналогії між цією групою та оксидом вуглецю, C≡O. Якщо молекула позбавлена ​​атомів водню і якщо також є два кінцевих C = O, то це буде оксид вуглецю, C _n O ₂ . Для n, рівних 3, у нас буде:

O = C = C = C = O

Це як би дві молекули C≡O, з'єднані і розділені вуглецем.

Карбонільні сполуки можуть бути одержані не тільки з газу CO, але і з вуглекислоти, H ₂ CO ₃ або OH- (C = O) -OH. Тут два ОН являють собою R і R ', і замінюючи або один з них, або їхні водень, отримують похідні вуглекислоти.

А потім є похідні карбонових кислот, RCOOH, отримані шляхом зміни тотожності R або заміни H на інший атом або ланцюг R '(що призвело б до виникнення ефіру, RCOOR').

Як визначити його за альдегідів та кетонів

Диференціація кетону та альдегіду від структурної формули. Джерело: Габріель Болівар.

І альдегіди, і кетони мають загальну присутність карбонільної групи. Його хімічні та фізичні властивості обумовлені цим. Однак їх молекулярні середовища неоднакові в обох сполуках; в першому він знаходиться в кінцевому положенні, а в другому - в будь-якому місці ланцюга.

Наприклад, у верхньому зображенні карбонільна група знаходиться всередині синього поля. У кетонах поруч із цим полем повинен бути ще один вуглецевий або ланцюговий сегмент (верхній); тоді як в альдегідів може бути лише один атом водню (дно).

Якщо C = O знаходиться на одному кінці ланцюга, це буде альдегід; це найбільш прямий спосіб відрізнити його від кетону.

Посвідчення особи

Але як ви експериментально дізнаєтесь, чи невідома сполука - це альдегід або кетон? Існують численні методи - від спектроскопічних (поглинання інфрачервоного випромінювання, ІЧ) або якісних органічних тестів.

Щодо якісних тестів, то вони ґрунтуються на реакціях, які, коли позитивний, аналітик буде спостерігати фізичну реакцію; зміна кольору, виділення тепла, утворення міхурів тощо.

Наприклад, коли до зразка додають розчин кислоти K ₂ Cr ₂ O ₇ , альдегід перетвориться на карбонову кислоту, через що колір розчину зміниться від оранжевого до зеленого (позитивний тест). Тим часом кетони не реагують, а отже, аналітик не спостерігає жодної зміни кольору (негативний тест).

Інший тест полягає у використанні реагенту Толленса ⁺ , так що альдегід знижує катіони Ag ⁺ до металевого срібла. І результат: утворення срібного дзеркала в нижній частині пробірки, куди поміщали зразок.

Основні приклади

Нарешті, буде наведено низку прикладів карбонільних сполук:

-CH ₃ COOH, оцтова кислота

-HCOOH, мурашина кислота

-CH ₃ COCH ₃ , пропанон

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-бутанон

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , ацетофенон

-CH ₃ CHO, етанал

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, п'ятикутний

-C ₆ H ₅ CHO, бензальдегід

-CH ₃ CONH ₂ , ацетамід

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , пропілацетат

Тепер, якщо навести приклади сполук, які просто володіють цією групою, список стане майже нескінченним.

Список літератури

1. Моррісон, RT та Бойд, R, N. (1987). Органічна хімія. 5-е видання. Редакція Addison-Wesley Interamericana.
2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10-е видання.). Wiley Plus.
4. Рейд Даніель. (2019). Карбонільна група: Властивості та огляд. Вивчення. Відновлено з: study.com
5. Шарлін Agvateesiri. (05 червня 2019 р.). Карбонільна група. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
6. ТОВ «Wiki Kids Ltd.» (2018). Карбонільні сполуки. Відновлено: просто.наука
7. Топпр. (sf). Номенклатура та структура карбонільної групи. Відновлено з: toppr.com
8. Кларк Дж. (2015). Окислення альдегідів і кетонів. Відновлено з: chemguide.co.uk