CARBONYLGROEP: KENMERKEN, EIGENSCHAPPEN, NOMENCLATUUR, REACTIVITEIT - CHEMIE - 2025

De carbonylgroep is een geoxygeneerde organische functionele groep die lijkt op het gasvormige koolmonoxidemolecuul. Het wordt weergegeven als C = O, en hoewel het als organisch wordt beschouwd, kan het ook worden aangetroffen in anorganische verbindingen; zoals koolzuur, H ₂ CO ₃ , of organometaalverbindingen met CO als bindmiddel.

Het is echter in de chemie van koolstof, leven, biochemie en andere analoge wetenschappelijke takken waar deze groep opvalt door zijn enorme belang. Als hij er niet was geweest, zouden veel moleculen niet met water kunnen communiceren; eiwitten, suikers, aminozuren, vetten, nucleïnezuren en andere biomoleculen zouden niet bestaan ​​als hij er niet was.

Carbonylgroep. Bron: Jü

De afbeelding hierboven laat zien hoe deze groep eruitziet in het algemene skelet van een compound. Merk op dat het wordt gemarkeerd door de blauwe kleur, en als we de substituenten A en B (R of R ', even geldig) zouden verwijderen, zou er een koolmonoxidemolecuul zijn. De aanwezigheid van deze substituenten definieert een groot aantal organische moleculen.

Als A en B andere atomen zijn dan koolstof, zoals metalen of niet-metalen elementen, kan men respectievelijk organometallische of anorganische verbindingen hebben. In het geval van organische chemie zijn de substituenten A en B altijd waterstofatomen, koolstofketens, lijnen, met of zonder vertakkingen, cyclische of aromatische ringen.

Dit is hoe het begint te begrijpen waarom de carbonylgroep vrij algemeen is voor degenen die natuur- of gezondheidswetenschappen studeren; het is overal, en zonder dat zouden de moleculaire mechanismen die in onze cellen voorkomen niet plaatsvinden.

Als de relevantie ervan zou kunnen worden samengevat, zou men zeggen dat het polariteit, zuurgraad en reactiviteit aan een molecuul bijdraagt. Als er een carbonylgroep is, is het meer dan waarschijnlijk dat het molecuul juist op dat punt een transformatie kan ondergaan. Daarom is het een strategische plek om organische synthese te ontwikkelen door middel van oxidatie of nucleofiele aanvallen.

Kenmerken en eigenschappen van de carbonylgroep

Structurele kenmerken van de carbonylgroep. Bron: Azaline Gomberg.

Wat zijn de structurele en elektronische kenmerken van de carbonylgroep? Hierboven is te zien, nu met de letters R ¹ en R ² in plaats van A en B, dat er tussen de substituenten en het zuurstofatoom een hoek van 120 ° C; dat wil zeggen, de geometrie rond deze groep is een trigonaal vlak.

Om dit de geometrie te laten zijn, moeten de koolstof- en zuurstofatomen noodzakelijkerwijs sp ² chemische hybridisatie hebben ; dus zal drie koolstofatomen moeten sp ² orbitalen enkelvoudige covalente bindingen vormen R ¹ en R ² en zuiver orbitaal dubbele binding met zuurstof.

Dit verklaart hoe er een dubbele C = O-binding kan zijn.

Als de afbeelding wordt waargenomen, zal ook worden gezien dat zuurstof een hogere elektronendichtheid heeft, δ-, dan koolstof, δ +. Dit komt door het feit dat zuurstof elektronegatiever is dan koolstof en daarom het van elektronendichtheid "berooft"; en hem niet alleen, maar ook de R ¹ en R ² -substituenten .

Bijgevolg wordt een permanent dipoolmoment gegenereerd, dat afhankelijk van de moleculaire structuur van grotere of kleinere omvang kan zijn. Overal waar een carbonylgroep is, zullen dipoolmomenten zijn.

Resonantiestructuren

De twee resonantiestructuren voor deze organische groep. Bron: Mfomich

Een ander gevolg van de elektronegativiteit van zuurstof is dat er in de carbonylgroep resonantiestructuren zijn die een hybride definiëren (de combinatie van de twee structuren in de bovenste afbeelding). Merk op dat het elektronenpaar kan migreren naar de p-orbitaal van zuurstof, die het koolstofatoom met een positieve gedeeltelijke lading verlaat; een carbocation.

Beide structuren slagen constant, dus koolstof behoudt een constant tekort aan elektronen; dat wil zeggen, kationen die er erg dichtbij zijn, zullen elektrostatische afstoting ervaren. Maar als het een anion is, of een soort die elektronen kan afstaan, zul je een sterke aantrekkingskracht voelen voor deze koolstof.

Dan vindt wat bekend staat als nucleofiele aanval plaats, wat in een toekomstige sectie zal worden uitgelegd.

Nomenclatuur

Als een verbinding de groep C = O heeft, wordt er gezegd dat het carbonyl is. Dus, afhankelijk van de aard van de carbonylverbinding, heeft deze zijn eigen nomenclatuurregels.

Hoewel, wat het ook is, ze allemaal een gemeenschappelijke regel delen: C = O heeft prioriteit in de koolstofketen bij het vermelden van koolstofatomen.

Dit betekent dat als er vertakkingen, halogeenatomen, functionele stikstofgroepen, dubbele of drievoudige bindingen zijn, geen van hen een locatornummer lager dan C = O kan dragen; daarom begint de langste keten zo dicht mogelijk bij de carbonylgroep te worden vermeld.

Als, aan de andere kant, er meerdere C = O in de keten zijn, en een van hen maakt deel uit van een hogere functionele groep, dan zal de carbonylgroep een grotere locator dragen en zal worden vermeld als een oxo-substituent.

En wat is deze hiërarchie? Het volgende, van hoog naar laag:

-Carbonzuren, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyde, RCOH (of RCHO)

-Keton, RCOR

Door moleculaire segmenten R en R 'te vervangen, ontstaat een eindeloos aantal carbonylverbindingen, vertegenwoordigd door de bovenstaande families: carbonzuren, esters, amiden, enz. Elk wordt geassocieerd met zijn traditionele of IUPAC-nomenclatuur.

Reactiviteit

Nucleofiele aanval

Nucleofiele aanval op de carbonylgroep. Bron: Benjah-bmm27

De bovenste afbeelding toont de nucleofiele aanval van de carbonylgroep. Het nucleofiel, Nu ^- kan een anion of een neutrale species met elektronenparen beschikbaar zijn; zoals ammoniak, NH ₃ , bijvoorbeeld. Het zoekt uitsluitend naar koolstof omdat het, volgens resonantiestructuren, een positieve deellading heeft.

De positieve lading trekt Nu ^{- aan} , dat zal proberen te benaderen door een "flank" zodat er de minste sterische hinder is van de R- en R'-substituenten. Afhankelijk van hoe omvangrijk ze zijn, of de grootte van Nu ^{- zelf} , zal de aanval plaatsvinden onder verschillende hoeken ψ; het kan heel open of gesloten zijn.

Zodra de aanval plaatsvindt, zal een tussenproduct, Nu-CRR'-O ^{- worden gevormd} ; dat wil zeggen, zuurstof wordt achtergelaten met een paar elektronen zodat Nu ^- kan worden toegevoegd aan de carbonylgroep.

Deze negatief geladen zuurstof kan tussenkomen in andere stappen van de reactie; geprotoneerd als een hydroxylgroep, OH, of afgegeven als een watermolecuul.

De mechanismen die hierbij betrokken zijn, evenals de reactieproducten die door deze aanval worden verkregen, zijn zeer gevarieerd.

Derivaten

Het nucleofiele middel Nu ^- kan van vele soorten zijn. Voor elk specifiek ontstaan ​​bij reactie met de carbonylgroep verschillende derivaten.

Bijvoorbeeld, wanneer het nucleofiel middel een amine, NH ₂ R, iminen ontstaan, R ₂ C = NR; als het hydroxylamine, NH ₂ OH aanleiding geeft tot oximen, RR'C = NOH; als het het cyanide-anion is, worden CN ^- , cyaanhydrinen, RR'C (OH) CN geproduceerd, enzovoort met andere soorten.

Vermindering

In eerste instantie werd gezegd dat deze groep zuurstofrijk is en daarom roestig. Dit betekent dat het, gegeven de omstandigheden, kan worden verminderd of de binding met het zuurstofatoom kan verliezen door het te vervangen door waterstofatomen. Bijvoorbeeld:

C = O => CH ₂

Deze transformatie geeft aan dat de carbonylgroep was gereduceerd tot een methyleengroep; er was waterstofwinst als gevolg van het zuurstofverlies. In meer toepasselijke chemische termen: de carbonylverbinding wordt gereduceerd tot een alkaan.

Als het een keton, RCOR', in aanwezigheid van hydrazine, H ₂ N-NH ₂ en een sterk basisch medium kan worden gereduceerd tot zijn respectieve alkaan; Deze reactie staat bekend als Wolff-Kishner-reductie:

Wolff-Kishner-reductie. Bron: Jü

Als het reactiemengsel daarentegen bestaat uit samengevoegd zink en zoutzuur, staat de reactie bekend als Clemmensen-reductie:

Clemmensen-reductie. Bron: Wikimedia Commons.

Vorming van acetalen en ketalen

De carbonylgroep kan niet alleen maar nucleofiele agentia Nu ^- , maar onder zure omstandigheden kan ook reageren met alcoholen door soortgelijke mechanismen.

Wanneer een aldehyde of keton gedeeltelijk reageert met een alcohol, worden respectievelijk hemiacetalen of hemicetalen geproduceerd. Als de reactie is voltooid, zijn de producten acetalen en ketalen. De volgende chemische vergelijkingen vatten het bovenstaande samen en verduidelijken het beter:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³ ) (Hemiacetaal) + R ⁴ OH g RCH (OR ³ ) (OR ⁴ ) (Acetaal)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (OR ³ ) (Hemicetaal) + R ⁴ OH g RCOR ² (OR ³ ) (OR ⁴ ) (ketaal)

De eerste reactie komt overeen met de vorming van hemiacetalen en acetalen uit een aldehyde, en de tweede van hemicetalen en ketalen uit een keton.

Deze vergelijkingen zijn misschien niet eenvoudig genoeg om de vorming van deze verbindingen te verklaren; Voor een eerste benadering van het onderwerp is het echter voldoende om te begrijpen dat alcoholen worden toegevoegd en dat hun R-zijketens (R ³ en R ⁴ ) worden gekoppeld aan de carbonylkoolstof. Daarom worden OR ³ en OR ^{4 toegevoegd} aan het oorspronkelijke molecuul.

Het belangrijkste verschil tussen acetaal en ketal is de aanwezigheid van het waterstofatoom dat aan de koolstof is gebonden. Merk op dat het keton deze waterstof mist.

Soorten

Zeer vergelijkbaar, zoals uitgelegd in de nomenclatuursectie voor de carbonylgroep, de typen zijn een functie waarvan de substituenten A en B of R en R 'zijn. Daarom zijn er structurele kenmerken die een reeks carbonylverbindingen delen die verder gaan dan alleen de volgorde of het type bindingen.

Zo werd aan het begin van de analogie tussen deze groep en koolmonoxide C≡O genoemd. Als het molecuul geen waterstofatomen bevat en als er ook twee terminale C = O zijn, dan is het een koolstofoxide, C _n O ₂ . Voor n gelijk aan 3 hebben we:

O = C = C = C = O

Dat is alsof er twee C≡O-moleculen zijn verbonden en gescheiden door een koolstofatoom.

Carbonylverbindingen kunnen niet alleen worden afgeleid uit CO-gas, maar ook uit koolzuur, H ₂ CO ₃ of OH- (C = O) -OH. Hier vertegenwoordigen de twee OH's R en R ', en ter vervanging van een van hen of hun waterstofatomen worden derivaten van koolzuur verkregen.

En dan zijn er de derivaten van carbonzuren, RCOOH, verkregen door de identiteit van R te veranderen, of door H te vervangen door een ander atoom of keten R '(wat aanleiding zou geven tot een ester, RCOOR').

Hoe het te identificeren in aldehyden en ketonen

Differentiatie van keton en aldehyde uit een structuurformule. Bron: Gabriel Bolívar.

Zowel aldehyden als ketonen hebben de aanwezigheid van de carbonylgroep gemeen. De chemische en fysische eigenschappen zijn eraan te danken. Hun moleculaire omgeving is echter niet hetzelfde in beide verbindingen; in het eerste bevindt het zich in een eindpositie en in het laatste overal in de keten.

In de bovenste afbeelding bevindt de carbonylgroep zich bijvoorbeeld in een blauw kader. Bij ketonen moet er naast dit vak nog een koolstof- of kettingsegment zijn (boven); terwijl er in aldehyden maar één waterstofatoom kan zijn (onder).

Als de C = O aan het ene uiteinde van de keten zit, is het een aldehyde; dat is de meest directe manier om het te onderscheiden van een keton.

ID kaart

Maar hoe weet je experimenteel of een onbekende verbinding een aldehyde of een keton is? Er zijn talloze methoden, van spectroscopische (absorptie van infraroodstraling, IR) tot kwalitatieve organische tests.

Wat betreft kwalitatieve tests, deze zijn gebaseerd op reacties die, indien positief, de analist een fysieke reactie zal waarnemen; een verandering in kleur, afgifte van warmte, vorming van bellen, enz.

Als u bijvoorbeeld een zure oplossing van K ₂ Cr ₂ O ₇ aan het monster toevoegt, verandert het aldehyde in carbonzuur, waardoor de kleur van de oplossing verandert van oranje in groen (positieve test). Ondertussen reageren ketonen niet en daarom neemt de analist geen kleurverandering waar (negatieve test).

Een andere test bestaat uit het gebruik van het Tollens-reagens, ⁺ , zodat het aldehyde de Ag ⁺ -kationen reduceert tot metallisch zilver. En het resultaat: de vorming van een zilveren spiegel aan de onderkant van de reageerbuis waar het monster werd geplaatst.

Belangrijkste voorbeelden

Ten slotte wordt een reeks voorbeelden van carbonylverbindingen opgesomd:

-CH ₃ COOH, azijnzuur

-HCOOH, mierenzuur

-CH ₃ COCH ₃ , propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanon

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , acetofenon

-CH ₃ CHO, ethanal

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehyde

-CH ₃ CONH ₂ , aceetamide

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propylacetaat

Als er nu voorbeelden worden genoemd van verbindingen die eenvoudigweg deze groep bezitten, zou de lijst bijna eindeloos worden.

Referenties

1. Morrison, RT en Boyd, R, N. (1987). Organische chemie. 5e editie. Redactioneel Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10e editie.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Carbonyl Group: Eigenschappen en overzicht. Studie. Hersteld van: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05 juni 2019). De Carbonyl Group. Chemie LibreTexts. Hersteld van: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Carbonylverbindingen. Hersteld van: gewoon. Wetenschap
7. Toppr. (sf). Nomenclatuur en structuur van Carbonyl Group. Hersteld van: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oxidatie van aldehyden en ketonen. Hersteld van: chemguide.co.uk