KARBONYLOVÁ SKUPINA: CHARAKTERISTIKA, VLASTNOSTI, NÁZVOSLOVIE, REAKTIVITA - CHÉMIA - 2026

Karbonylová skupina je okysličená organickou funkčnú skupinu, ktorá sa podobá plynného oxidu uhoľnatého molekuly. Je predstavovaná ako C = O, a hoci sa považuje za organickú, môže sa vyskytovať aj v anorganických zlúčeninách; ako je kyselina uhličitá, H ₂ CO ₃ , alebo v organokovových zlúčenín s CO ako spojivo.

Je to však chémia uhlíka, života, biochémie a ďalších podobných vedeckých odborov, kde táto skupina vyniká svojou nesmiernou dôležitosťou. Keby to nebolo pre neho, mnoho molekúl by nebolo schopné interagovať s vodou; proteíny, cukry, aminokyseliny, tuky, nukleové kyseliny a iné biomolekuly by neexistovali, keby to nebolo pre neho.

Karbonylová skupina. Zdroj: Jü

Obrázok hore ukazuje, ako vyzerá táto skupina vo všeobecnej kostre zlúčeniny. Všimnite si, že je zvýraznená modrou farbou a ak by sme odstránili substituenty A a B (R alebo R ', rovnako platné), zostala by molekula oxidu uhoľnatého. Prítomnosť týchto substituentov definuje veľké množstvo organických molekúl.

Ak A a B sú atómy iné ako uhlík, ako sú kovy alebo nekovové prvky, je možné použiť organokovové alebo anorganické zlúčeniny. V prípade organickej chémie, substituenty A a B budú vždy buď atómy vodíka, uhlíkové reťazce, línie, s alebo bez vetiev, cyklické alebo aromatické kruhy.

Takto začína chápať, prečo je karbonylová skupina bežná pre tých, ktorí študujú prírodné alebo zdravotné vedy; je to všade a bez nej by nedošlo k molekulárnym mechanizmom, ktoré sa vyskytujú v našich bunkách.

Ak by sa dala zhrnúť jej relevantnosť, povedalo by sa, že k molekule prispieva polaritou, kyslosťou a reaktivitou. Ak existuje karbonylová skupina, je viac ako pravdepodobné, že práve v tomto bode môže molekula prejsť transformáciou. Preto je strategickým miestom na rozvoj organickej syntézy oxidáciou alebo nukleofilnými útokmi.

Charakteristiky a vlastnosti karbonylovej skupiny

Štrukturálne charakteristiky karbonylovej skupiny. Zdroj: Azaline Gomberg.

Aké sú štruktúrne a elektronické vlastnosti karbonylovej skupiny? Nad to je možné vidieť, teraz pomocou písmen R ¹ a R ² , miesto A a B, ktoré existuje medzi substituentami a atóm kyslíka v uhle 120 ° C; to znamená, že geometria okolo tejto skupiny je trigonálna rovina.

K tomu, aby sa geometria, uhlík a atómy kyslíka, musí nutne mať sp ² chemickú hybridizácia ; tak, uhlík bude mať tri SP ² orbitály , že tvoria jedinú kovalentnej väzby s R ¹ a R ² , a čistý p orbitálne na dvojitej väzbe s kyslíkom.

Toto vysvetľuje, ako môže existovať dvojitá väzba C = O.

Ak je obraz pozorovaný, bude tiež zrejmé, že kyslík má vyššiu elektrónovú hustotu, 8- ako uhlík, 5 +. Je to kvôli skutočnosti, že kyslík je viac elektronegatívny ako uhlík, a preto ho „okráda“ o hustotu elektrónov; a nielen jemu, ale aj R ¹ a R ² substituenty .

V dôsledku toho sa vytvára permanentný dipólový moment, ktorý môže mať väčšiu alebo menšiu veľkosť v závislosti od molekulárnej štruktúry. Kdekoľvek je karbonylová skupina, objavia sa dvojpólové momenty.

Rezonančné štruktúry

Dve rezonančné štruktúry pre túto organickú skupinu. Zdroj: Mfomich

Ďalším dôsledkom elektronegativity kyslíka je to, že v karbonylovej skupine sú rezonančné štruktúry, ktoré definujú hybrid (kombinácia dvoch štruktúr na hornom obrázku). Všimnite si, že pár elektrónov môže migrovať smerom k kyslíku, ktorý opúšťa atóm uhlíka s kladným čiastočným nábojom; karbocation.

Obe štruktúry sú stále úspešné, takže uhlík udržuje konštantný nedostatok elektrónov; to znamená, že v prípade katiónov, ktoré sú veľmi blízko, dôjde k elektrostatickému odporu. Ale ak je to anión alebo druh schopný darovať elektróny, budete cítiť silnú príťažlivosť tohto uhlíka.

Potom nastane tzv. Nukleofilný atak, ktorý bude vysvetlený v ďalšej časti.

názvoslovie

Keď zlúčenina má skupinu C = O, hovorí sa o karbonyle. Teda, v závislosti od povahy karbonylovej zlúčeniny, má svoje vlastné pravidlá nomenklatúry.

Bez ohľadu na to, čo to je, všetci zdieľajú spoločné pravidlo: C = O má pri uvádzaní atómov uhlíka v uhlíkovom reťazci prednosť.

To znamená, že ak existujú vetvy, atómy halogénu, dusíkaté funkčné skupiny, dvojité alebo trojité väzby, žiadna z nich nemôže niesť lokalizačné číslo nižšie ako C = O; preto sa najdlhší reťazec začína uvádzať čo najbližšie ku karbonylovej skupine.

Pokiaľ je na druhej strane v reťazci niekoľko C = 0 a jeden z nich je súčasťou vyššej funkčnej skupiny, potom karbonylová skupina nesie väčší lokátor a bude uvedená ako oxo substituent.

A čo je táto hierarchia? Nasledujúce, od najvyššej po najnižšiu:

- Karboxylové kyseliny, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amid, RCONH ₂

-Aldehyd, RCOH (alebo RCHO)

-Ketón, RCOR

Nahradením R a R 'za molekulárne segmenty vznikne nekonečné množstvo karbonylových zlúčenín predstavovaných vyššie uvedenými skupinami: karboxylové kyseliny, estery, amidy atď. Každá z nich je spojená s tradičnou nomenklatúrou alebo názvoslovím IUPAC.

reaktivita

Nukleofilný útok

Nukleofilný útok na karbonylovú skupinu. Zdroj: Benjah-bmm27

Horný obrázok ukazuje nukleofilný atak, ktorý utrpel karbonylová skupina. Nukleofil, Nu ^- , môže byť anión alebo neutrálny druh s dostupnými pármi elektrónov; ako je amoniak, NH ₃ , napríklad. Hľadá výlučne uhlík, pretože podľa rezonančných štruktúr má kladný čiastočný náboj.

Pozitívny náboj priťahuje Nu ^- , ktorý sa bude snažiť priblížiť sa „bokom“ tak, aby boli najmenšie stérické prekážky zo substituentov R a R '. V závislosti na tom, ako objemné sú, alebo veľkosť Nu ^{- samotný} útok sa vyskytujú v rôznych uhloch ψ; môže byť veľmi otvorený alebo zatvorený.

Potom, čo dôjde k útoku, medziprodukt zlúčenina, Nu-CRR'-O ^{- sa vytvorí} ; to znamená, že kyslík zostáva s párom elektrónov, aby sa umožnilo Nu ^- pridať sa do karbonylovej skupiny.

Tento negatívne nabitý kyslík môže zasahovať do ďalších krokov reakcie; protónovaná ako hydroxylová skupina, OH alebo uvoľnená ako molekula vody.

Príslušné mechanizmy, ako aj reakčné produkty získané týmto útokom, sú veľmi rôzne.

deriváty

Nukleofilné činidlo Nu ^- môže byť z mnohých druhov. Pri každej reakcii s karbonylovou skupinou vznikajú rôzne deriváty.

Napríklad, keď je nukleofilním činidlom je amin, NH ₂ R, Imíny vznikajú, R ₂ C = N; v prípade, že je hydroxylamín, NH ₂ OH, vedie k vzniku oxím, RR'C = NOH; v prípade, že je kyanid anión, CN ^- , kyanhydriny, RR'C (OH) CN sa vyrábajú, a tak ďalej s inými druhmi.

redukcia

Spočiatku sa hovorilo, že táto skupina je okysličená, a preto hrdzavá. To znamená, že za daných podmienok sa môže znížiť alebo stratiť väzby s atómom kyslíka tým, že sa nahradí vodíkom. Napríklad:

C = O => CH ₂

Táto transformácia naznačuje, že karbonylová skupina bola redukovaná na metylénovú skupinu; v dôsledku straty kyslíka sa získal vodík. Vhodnejšie chemické výrazy: karbonylová zlúčenina sa redukuje na alkán.

Ak je ketón, Rcor ', v prítomnosti hydrazínu, H ₂ N-NH ₂ , a silne zásaditom prostredí môže byť znížená v príslušnej alkánov; Táto reakcia sa nazýva Wolff-Kishnerova redukcia:

Wolff-Kishnerova redukcia. Zdroj: Jü

Ak na druhej strane reakčná zmes pozostáva z amalgamovaného zinku a kyseliny chlorovodíkovej, je táto reakcia známa ako redukcia Clemmensenu:

Clemmensen redukcia. Zdroj: Wikimedia Commons.

Tvorba acetálov a ketálov

Karbonylová skupina môže nielen pridávať nukleofilné činidlá Nu ^- , ale v kyslých podmienkach môže tiež reagovať s alkoholmi podobnými mechanizmami.

Keď aldehyd alebo ketón čiastočne reaguje s alkoholom, vznikajú hemiacetály alebo hemicetaly. Ak je reakcia úplná, produktmi sú acetály a ketaly. Nasledujúce chemické rovnice sumarizujú a lepšie objasňujú vyššie uvedené:

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

Prvá reakcia zodpovedá tvorbe hemiacetálov a acetálov z aldehydu a druhá hemicetálov a ketálov z ketónu.

Tieto rovnice nemusia byť dosť jednoduché na to, aby vysvetlili tvorbu týchto zlúčenín; Avšak, pre prvý prístup k predmetu, stačí si uvedomiť, že alkoholy sú pridané, a že ich R postrannými reťazcami (R ³ a R ⁴ ) mohol napojiť na karbonylové uhlík. To je dôvod, prečo OR ³ a OR ^{sú pridané 4} do pôvodnej molekuly.

Hlavný rozdiel medzi acetalom a ketalom je v prítomnosti atómu vodíka viazaného na uhlík. Všimnite si, že ketónu chýba tento vodík.

druhy

Veľmi podobné, ako je vysvetlené v sekcii nomenklatúry pre karbonylovú skupinu, jej typy sú funkciou ktorých substituentov A a B alebo R a R '. Preto existujú štruktúrne znaky, ktoré zdieľajú celý rad karbonylových zlúčenín nad rámec poradia alebo typu väzieb.

Napríklad bolo spomenuté na začiatku analógie medzi touto skupinou a oxidom uhoľnatým, C≡O. V prípade, že molekula postráda atómy vodíka a v prípade, že sú tiež dva koncové C = O, potom to bude oxid uhlíka, C _n O ₂ . Pre n rovné 3 budeme mať:

O = C = C = C = O

Čo je ako keby boli dve molekuly C≡O spojené a oddelené uhlíkom.

Karbonylové zlúčeniny nemožno odvodiť len z plynu CO, ale aj od kyseliny uhličitej, H ₂ CO ₃ alebo OH- (C = O) -OH. Tu dva OH znamenajú R a R 'a získajú sa nahradením jedného z nich alebo ich vodíkov deriváty kyseliny uhličitej.

A potom existujú deriváty karboxylových kyselín, RCOOH, získané zmenou identity R alebo nahradením H iným atómom alebo reťazcom R '(čo by viedlo k vzniku esteru, RCOOR').

Ako ju identifikovať v aldehydoch a ketónoch

Odlíšenie ketónu a aldehydu od štruktúrneho vzorca. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Aldehydy aj ketóny majú spoločnú prítomnosť karbonylovej skupiny. Vďaka tomu sú jeho chemické a fyzikálne vlastnosti. Avšak ich molekulárne prostredie nie je v oboch zlúčeninách rovnaké; v prvom prípade je v koncovej polohe av druhom mieste kdekoľvek v reťazci.

Napríklad na hornom obrázku je karbonylová skupina v modrom rámčeku. V ketónoch musí byť vedľa tohto políčka ďalší segment uhlíka alebo reťazca (hore); zatiaľ čo v aldehydoch môže existovať iba jeden atóm vodíka (spodná časť).

Pokiaľ C = O je na jednom konci reťazca, bude to aldehyd; to je najpriamejší spôsob, ako ho odlíšiť od ketónu.

ID

Ako však viete experimentálne, ak neznámou zlúčeninou je aldehyd alebo ketón? Existuje mnoho metód, od spektroskopických (absorpcia infračerveného žiarenia, IR) alebo kvalitatívnych organických testov.

Pokiaľ ide o kvalitatívne testy, sú založené na reakciách, ktoré v prípade pozitívneho výsledku pozorovania pozoruje analytik fyzickú reakciu; zmena farby, uvoľnenie tepla, tvorba bublín atď.

Napríklad pri pridaní kyseliny K roztoku ₂ Kr ₂ O ₇ na vzorku, sa aldehyd sa premeniť karboxylovú kyselinu, ktorá spôsobuje farbu riešenie zmeny z oranžovej na zelenú (pozitívny test). Medzitým ketóny nereagujú, a preto analytik nepozoruje žiadnu zmenu farby (negatívny test).

Ďalší test spočíva v použití Tollenovho činidla ⁺ , takže aldehyd redukuje katióny Ag ⁺ na kovové striebro. A výsledok: vytvorenie strieborného zrkadla na spodku skúmavky, kde bola vzorka umiestnená.

Hlavné príklady

Nakoniec bude uvedený zoznam príkladov karbonylových zlúčenín:

CH ₃ COOH, kyselina octová

-HCOOH, kyselina mravčia

-CH ₃ COCH ₃ , propanón

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanón

C ₆ H ₅ COCH ₃ , acetofenón

CH ₃ CHO, etanál

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

Ak sa teraz citujú príklady zlúčenín, ktoré jednoducho obsahujú túto skupinu, zoznam by sa stal takmer nekonečný.

Referencie

1. Morrison, RT a Boyd, R., N. (1987). Organická chémia. 5. vydanie. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organická chémia. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Karbonylová skupina: Vlastnosti a prehľad. Štúdia. Obnovené z: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (5. júna 2019). Karbonylová skupina. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonylové zlúčeniny. Získané z: simply.science
7. Toppr. (SF). Nomenklatúra a štruktúra karbonylovej skupiny. Obnovené z: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oxidácia aldehydov a ketónov. Získané z: chemguide.co.uk