KARBONYYLIRYHMÄ: OMINAISUUDET, OMINAISUUDET, NIMIKKEISTÖ, REAKTIIVISUUS - KEMIA - 2025

Karbonyyliryhmä on hapetettu orgaaninen funktionaalinen ryhmä, joka muistuttaa kaasumaista hiilimonoksidia molekyyli. Se esitetään muodossa C = O, ja vaikka sitä pidetään orgaanisena, sitä voidaan löytää myös epäorgaanisissa yhdisteissä; kuten hiilihappo, H ₂ CO ₃, tai organometallisia yhdisteitä CO sideaineena.

Kuitenkin juuri hiilen kemiassa, elämässä, biokemiassa ja muissa vastaavissa tieteenaloissa tämä ryhmä erottuu valtavasta merkityksestään. Jos se ei olisi hänelle, monet molekyylit eivät olisi vuorovaikutuksessa veden kanssa; proteiineja, sokereita, aminohappoja, rasvoja, nukleiinihappoja ja muita biomolekyylejä ei olisi olemassa, jos se ei olisi hänelle.

Karbonyyliryhmä. Lähde: Jü

Yllä oleva kuva näyttää miltä tämä ryhmä näyttää yhdisteen yleisestä luurankosta. Huomaa, että se on korostettu sinisellä värillä, ja jos poistaisimme substituentit A ja B (R tai R ', yhtä pätevät), siellä olisi hiilimonoksidimolekyyli. Näiden substituenttien läsnäolo määrittelee suuren määrän orgaanisia molekyylejä.

Jos A ja B ovat muita atomeja kuin hiiltä, ​​kuten metalleja tai ei-metallisia elementtejä, voi olla vastaavasti metalliorgaanisia tai epäorgaanisia yhdisteitä. Orgaanisen kemian tapauksessa substituentit A ja B ovat aina joko vetyatomeja, hiiliketjuja, viivoja, oksilla tai ilman, syklisiä tai aromaattisia renkaita.

Näin alkaa ymmärtää, miksi karbonyyliryhmä on melko yleinen niille, jotka opiskelevat luonnontieteitä tai terveystieteitä; se on kaikkialla, ja ilman sitä soluissa tapahtuvia molekyylimekanismeja ei esiintyisi.

Jos sen merkitys voitaisiin tiivistää, sanotaan, että se lisää molekyylin polaarisuutta, happamuutta ja reaktiivisuutta. Kun on karbonyyliryhmä, on enemmän kuin todennäköistä, että juuri siinä vaiheessa molekyyli voi käydä läpi muutoksen. Siksi on strateginen paikka kehittää orgaanista synteesiä hapettumisen tai nukleofiilisten hyökkäysten kautta.

Karbonyyliryhmän ominaisuudet ja ominaisuudet

Karbonyyliryhmän rakenteelliset ominaisuudet. Lähde: Azaline Gomberg.

Mitkä ovat karbonyyliryhmän rakenteelliset ja elektroniset ominaisuudet? Edellä olevasta voidaan nähdä, nyt kirjaimilla R ¹ ja R ² sijasta A ja B, että on olemassa välillä substituentit ja happiatomi kulmassa 120 ° C; ts., tämän ryhmän ympärillä oleva geometria on trigonaalitaso.

Tämän olla geometria, hiili- ja happiatomien on välttämättä oltava sp ² kemiallinen hybridisaatio; siten, hiili on kolme sp ² orbitaaleja muodostamiseksi yhden kovalenttisidoksellisia R ¹ ja R ², ja puhdasta p kiertoradan kaksoissidokseen hapen kanssa.

Tämä selittää kuinka C = O-kaksoissidos voi olla.

Jos kuvaa tarkkaillaan, havaitaan myös, että hapella on suurempi elektronitiheys, δ- kuin hiilellä, δ +. Tämä johtuu tosiasiasta, että happi on enemmän elektronegatiivista kuin hiili, ja siksi "ryöstää" sen elektronitiheyden; eikä vain häntä, mutta myös R ¹ ja R ² substituenttia.

Tämän seurauksena syntyy pysyvä dipolimomentti, joka voi olla suurempi tai pienempi suuruus molekyylirakenteesta riippuen. Missä tahansa karbonyyliryhmä on, siellä on dipolimomenteja.

Resonanssirakenteet

Tämän orgaanisen ryhmän kaksi resonanssirakennetta. Lähde: Mfomich

Toinen seuraus hapen elektronegatiivisuudesta on, että karbonyyliryhmässä on resonanssirakenteita, jotka määrittelevät hybridiä (kahden kuvan yhdistelmä yläkuvassa). Huomaa, että elektroniparit voivat siirtyä kohti hapen p-kiertorataa, mikä jättää hiiliatomin positiivisella osittaisella varauksella; hiilisijainti.

Molemmat rakenteet onnistuvat jatkuvasti, joten hiili ylläpitää jatkuvaa elektronien puutosta; ts. kationeille, jotka ovat hyvin lähellä sitä, he kokevat sähköstaattisen vasteen. Mutta jos se on anioni tai laji, joka kykenee luovuttamaan elektroneja, tunnet tämän hiilen voimakkaan vetovoiman.

Sitten tapahtuu niin kutsuttu nukleofiilinen hyökkäys, joka selitetään tulevassa osiossa.

nimistö

Kun yhdisteellä on ryhmä C = O, sen sanotaan olevan karbonyyli. Siten, karbonyyliyhdisteen luonteesta riippuen, sillä on omat nimikkeistösäännöt.

Vaikka heillä on riippumatta siitä, mikä se on, kaikilla on yhteinen sääntö: C = O on tärkeä hiiliketjussa hiiliatomeja lueteltaessa.

Tämä tarkoittaa, että jos haaroissa, halogeeniatomeissa, typpifunktioissa on funktionaalisia ryhmiä, kaksois- tai kolmoissidoksia, mikään niistä ei voi sisältää paikannuslukua, joka on pienempi kuin C = O; siksi pisin ketju alkaa olla luettelossa mahdollisimman lähellä karbonyyliryhmää.

Jos toisaalta ketjussa on useita C = O: ta ja yksi niistä on osa korkeampaa funktionaalista ryhmää, niin karbonyyliryhmällä on suurempi paikannin ja se mainitaan oksosubstituenttina.

Ja mikä tämä hierarkia on? Seuraavat, korkeimmasta alhaimpaan:

-Karboksyylihapot, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amidi, RCONH ₂

-Aldehydi, RCOH (tai RCHO)

-Ketoni, RCOR

Substituoimalla R ja R 'molekyylisegmenteille, syntyy loputon määrä karbonyyliyhdisteitä, joita edustavat yllä olevat ryhmät: karboksyylihapot, esterit, amidit jne. Jokainen liittyy sen perinteiseen tai IUPAC-nimikkeistöön.

reaktiivisuus

Nukleofiilinen hyökkäys

Nukleofiilinen hyökkäys karbonyyliryhmää vastaan. Lähde: Benjah-bmm27

Yläkuva näyttää karbonyyliryhmän kärsimän nukleofiilisen hyökkäyksen. Nukleofiili, Nu ^-, voi olla anioni tai neutraali laji, jossa on saatavissa olevia elektronipareja; kuten ammoniakki, NH ₃, esimerkiksi. Se etsii yksinomaan hiiltä, ​​koska resonanssirakenteiden mukaan sillä on positiivinen osittainen varaus.

Positiivinen varaus houkuttelee Nu ^{-: ta}, joka pyrkii likimain "sivulla" siten, että R- ja R'-substituenteista on vähiten steerisiä esteitä. Hyökkäys tapahtuu eri kulmista on riippuen siitä, kuinka ne ovat tilaa vieviä, tai ^itse Nu: n koosta. se voi olla hyvin avoin tai suljettu.

Kun hyökkäys tapahtuu, välituoteyhdiste, Nu-CRR'-O ^{- muodostetaan}; ts. happea jätetään elektroniparille, jotta Nu ^- voidaan lisätä karbonyyliryhmään.

Tämä negatiivisesti varautunut happi voi puuttua muihin reaktion vaiheisiin; protonoituna hydroksyyliryhmänä, OH, tai vapautuneena vesimolekyylinä.

Kyseiset mekanismit samoin kuin hyökkäyksestä saadut reaktiotuotteet ovat hyvin erilaisia.

johdannaiset

Nukleofiilinen aine Nu ^- voi olla monista lajeista. Jokaiselle spesifisesti, kun reagoidaan karbonyyliryhmän kanssa, eri johdannaiset ovat peräisin.

Esimerkiksi, kun mainittu nukleofiilinen aine on amiini, NH ₂ R, imiinit syntyy, R ₂ C = NR: stä; jos se on hydroksyyliamiini, NH ₂ OH, aiheuttaa oksiimien, RR'C = NOH; jos se on syanidianionin, CN ^-, syanohydriinit, RR'C (OH) CN tuotetaan, ja niin edelleen muiden lajien kanssa.

vähentäminen

Aluksi sanottiin, että tämä ryhmä on hapetettu ja siksi ruosteinen. Tämä tarkoittaa, että olosuhteissa se voi vähentyä tai menettää sidoksia happiatomiin korvaamalla sen vetyillä. Esimerkiksi:

C = O => CH ₂

Tämä muutos osoittaa, että karbonyyliryhmä pelkistettiin metyleeniryhmäksi; hapen menetyksestä saatiin vedyn lisäys. Kemiallisemmin sanoen: karbonyyliyhdiste pelkistetään alkaaniksi.

Jos se on ketoni, RCOR', kun läsnä on hydratsiinia, H ₂ N-NH ₂, ja voimakkaasti emäksinen väliaine voidaan vähentää sen vastaavan alkaanin; Tämä reaktio tunnetaan nimellä Wolff-Kishner-pelkistys:

Wolff-Kishner-alennus. Lähde: Jü

Jos taas reaktioseos koostuu sulautetusta sinkistä ja suolahaposta, reaktio tunnetaan nimellä Clemmensen-pelkistys:

Clemmensenin alennus. Lähde: Wikimedia Commons.

Asetaalien ja ketaalien muodostuminen

Karbonyyliryhmä ei voi vain lisätä nukleofiilisiä aineita Nu ^-, mutta happamissa olosuhteissa se voi myös reagoida alkoholien kanssa samanlaisilla mekanismeilla.

Kun aldehydi tai ketoni reagoi osittain alkoholin kanssa, muodostuu vastaavasti puoliasetaalit tai puoliasetaalit. Jos reaktio on mennyt loppuun, tuotteet ovat asetaalit ja ketaalit. Seuraavat kemialliset yhtälöt tekevät yhteenvedon ja selventävät paremmin edellä mainittua:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³) (hemiasetaali) + R ⁴ OH g RCH (OR ³) (OR ⁴) (asetaali)

Rcor ² + R ³ OH g Rcor ² (OH) (OR ³) (Hemicetal) + R ⁴ OH g Rcor ² (OR ³) (OR ⁴) (ketaali)

Ensimmäinen reaktio vastaa hemiasetaalien ja asetaalien muodostumista aldehydistä, ja toinen hemicetalien ja ketaalien muodostumista ketonista.

Nämä yhtälöt eivät välttämättä ole tarpeeksi yksinkertaisia ​​selittämään näiden yhdisteiden muodostumista; Kuitenkin ensimmäinen lähestymistapa aiheeseen, se riittää ymmärtää, että alkoholit lisätään, ja että niiden sivuketjut R (R ³ ja R ⁴) kytkeytyneet karbonyylihiileen. Siksi OR ³ ja OR ^{4 lisätään} alkuperäiseen molekyyliin.

Tärkein ero asetaalin ja ketaalin välillä on hiileen sitoutuneen vetyatomin läsnäolo. Huomaa, että ketonista puuttuu tämä vety.

Tyypit

Hyvin samanlainen kuin karbonyyliryhmän nimikkeistöosastossa selitetään, sen tyypit ovat funktio, jonka substituentit ovat A ja B tai R ja R '. Siksi on rakenteellisia piirteitä, jotka jakavat sarjan karbonyyliyhdisteitä pidemmälle kuin vain sidosten tyyppi tai tyyppi.

Esimerkiksi mainittiin tämän ryhmän ja hiilimonoksidin, C20, välisen analogian alussa. Jos molekyylissä ei ole vetyatomeja ja jos siellä on myös kaksi terminaalista C = O, niin se on hiilioksidi, C _n O ₂. Jos n on yhtä suuri kuin 3, meillä on:

O = C = C = C = O

Mikä on kuin olisi kaksi C20-molekyyliä, jotka olisivat liittyneet ja erottaneet hiilellä.

Karbonyyliyhdisteiden voi vain olla peräisin CO-kaasun, mutta myös hiilihapon, H ₂ CO ₃ tai OH- (C = O) -OH. Tässä kaksi OH: ta edustavat R: tä ja R ': ta ja korvaamalla jompikumpi niistä tai niiden vety, saadaan hiilihapon johdannaisia.

Ja sitten on karboksyylihappojen johdannaisia, RCOOH, jotka saadaan muuttamalla R: n identiteettejä tai korvaamalla H toisella atomilla tai ketjulla R '(mikä johtaisi esteriin, RCOOR').

Kuinka tunnistaa se aldehydeissä ja ketoneissa

Ketonin ja aldehydin erottelu rakennekaavasta. Lähde: Gabriel Bolívar.

Sekä aldehydeillä että ketoneilla on yhteinen karbonyyliryhmän läsnäolo. Sen kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet johtuvat siitä. Niiden molekyyliympäristöt eivät kuitenkaan ole samat molemmissa yhdisteissä; ensimmäisessä se on pääteasennossa ja jälkimmäisessä missä tahansa ketjun kohdalla.

Esimerkiksi yläkuvassa karbonyyliryhmä on sinisen ruudun sisällä. Ketoneissa tämän laatikon vieressä on oltava toinen hiili- tai ketjusegmentti (yläosa); kun taas aldehydeissä voi olla vain yksi vetyatomi (pohja).

Jos C = O on ketjun yhdessä päässä, se on aldehydi; se on suorin tapa erottaa se ketonista.

ID

Mutta kuinka tiedät kokeellisesti, jos tuntematon yhdiste on aldehydi tai ketoni? On olemassa lukuisia menetelmiä, spektroskopisista (infrapunasäteilyn absorptio, IR) tai laadullisista orgaanisista testeistä.

Laadullisten testien perusteella nämä perustuvat reaktioihin, joiden tultua positiivisia analyytikko havaitsee fyysisen vasteen; värinmuutos, lämmön vapautuminen, kuplien muodostuminen jne.

Esimerkiksi, kun lisätään näytteeseen K ₂ Cr ₂ O ₇ -happoliuosta, aldehydi muuttuu karboksyylihapoksi, mikä saa liuoksen värin muuttumaan oranssista vihreäksi (positiivinen testi). Samaan aikaan ketonit eivät reagoi, ja siksi analyytikko ei havaitse mitään värimuutoksia (negatiivinen testi).

Toinen testi koostuu Tollens-reagenssin ^{+ käytöstä} siten, että aldehydi pelkistää Ag ⁺ -kationit metalliseksi hopeiseksi. Ja tulos: hopeapeilin muodostuminen koeputken alaosaan, johon näyte asetettiin.

Tärkeimmät esimerkit

Lopuksi luetellaan sarja esimerkkejä karbonyyliyhdisteistä:

CH ₃ COOH, etikkahappo

-HCOOH, muurahaishappo

CH ₃ COCH ₃, propanoni

CH ₃ COCH ₂ CH ₃, 2-butanoni

C ₆ H ₅ COCH ₃, asetofenoni

CH ₃ CHO, etanolin

CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanaalia

C ₆ H ₅ CHO, bentsaldehydi

CH ₃ CONH ₂, asetamidi

CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃, propyyliasetaatti

Nyt, jos mainitaan esimerkkejä yhdisteistä, joilla on yksinkertaisesti tämä ryhmä, luettelosta tulisi melkein loputon.

Viitteet

1. Morrison, RT ja Boyd, R, N. (1987). Orgaaninen kemia. 5. painos. Toimituksellinen Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Orgaaninen kemia. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Orgaaninen kemia. Amiineja. (10. painos.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Carbonyl Group: Ominaisuudet ja yleiskatsaus. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (5. kesäkuuta 2019). Karbonyyliryhmä. Kemia LibreTexts. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Karbonyyliyhdisteet. Palautettu: yksinkertaisesti.tiede
7. Toppr. (SF). Karbonyyliryhmän nimikkeistö ja rakenne. Palautettu osoitteesta: toppr.com
8. Clark J. (2015). Aldehydien ja ketonien hapettuminen. Palautettu: kemguide.co.uk