De carbonylgroep Het is een organische en zuurstofrijke functionele groep die lijkt op het gasvormige koolmonoxidemolecuul. Het wordt weergegeven als C = O, en hoewel het als organisch wordt beschouwd, kan het ook in anorganische verbindingen worden aangetroffen; als koolzuur, HtweeCO3, of in organometaalverbindingen met CO als bindmiddel.
Het is echter in de chemie van koolstof, leven, biochemie en andere soortgelijke wetenschappelijke takken waar deze groep opvalt door zijn enorme belang. Als hij er niet was geweest, zouden veel moleculen geen interactie met water kunnen aangaan; eiwitten, suikers, aminozuren, vetten, nucleïnezuren en andere biomoleculen zouden niet bestaan als hij er niet was.
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 overblijven. De aanwezigheid van deze substituenten definieert een groot aantal organische moleculen.
Als A en B andere atomen zijn dan koolstof, zoals metalen of niet-metallische 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 plaatsvinden 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..
Artikel index
Wat zijn de structurele en elektronische kenmerken van de carbonylgroep? Hierboven is te zien, nu met de letters R1 en Rtwee in plaats van A en B is er een hoek van 120 ° C tussen de substituenten en het zuurstofatoom; dat wil zeggen, de geometrie rond deze groep is een trigonaal vlak.
Om een dergelijke geometrie te laten zijn, moeten de koolstof- en zuurstofatomen noodzakelijkerwijs sp chemische hybridisatie hebbentweedus koolstof zal drie sp-orbitalen hebbentwee om eenvoudige covalente bindingen te vormen met R1 en Rtwee, en een orbitaal p puur om de dubbele binding met zuurstof tot stand te brengen.
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 "berooft" het van elektronendichtheid; en niet alleen hem, maar ook de R-substituenten1 en Rtwee.
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 er dipoolmomenten zijn.
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 paar elektronen naar de orbitaal kan migreren p zuurstof, dat het koolstofatoom verlaat met een positieve gedeeltelijke lading; een carbocation.
Beide structuren volgen elkaar constant op, dus koolstof behoudt een constant tekort aan elektronen; dat wil zeggen, voor kationen die er heel dicht bij zijn, zullen ze elektrostatische afstoting ervaren. Maar als het een anion is, of een soort die elektronen kan afstaan, zul je een sterke aantrekkingskracht voor deze koolstof voelen..
Dan vindt wat bekend staat als de nucleofiele aanval plaats, wat in een toekomstige sectie zal worden uitgelegd.
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, stikstofhoudende functionele groepen, dubbele of drievoudige bindingen zijn, geen van hen een locatornummer lager dan C = O kan dragen; daarom begint de opsomming van de langste keten zo dicht mogelijk bij de carbonylgroep.
Als er aan de andere kant meerdere C = O's in de keten zijn, en een daarvan maakt deel uit van een hogere functionele groep, dan zal de carbonylgroep een grotere locator dragen en zal worden vermeld als een oxosubstituent..
En wat is deze hiërarchie? Het volgende, van hoog naar laag:
-Carbonzuren, RCOOH
-Ester, RCOOR '
-Amida, RCONHtwee
-Aldehyde, RCOH (of RCHO)
-Keton, RCOR
Als vervanging van R en R 'voor moleculaire segmenten, zijn een groot aantal carbonylverbindingen ontstaan, vertegenwoordigd door de bovenstaande families: carbonzuren, esters, amiden, enz. Elk daarvan heeft zijn traditionele of IUPAC-nomenclatuur die eraan is gekoppeld..
De bovenste afbeelding toont de nucleofiele aanval van de carbonylgroep. De nucleofiel, Nu-, het kan een anion zijn of een neutrale soort met beschikbare elektronenparen; zoals ammoniak, NH3, bijvoorbeeld. Het zoekt uitsluitend naar koolstof omdat het, volgens resonantiestructuren, een positieve deellading heeft.
Positieve lading trekt Nu aan-, die zullen proberen te benaderen door een "flank" zodat er de minste sterische hindernis is van de R- en R'-substituenten. Afhankelijk van hoe omvangrijk ze zijn, of de grootte van de Nu-, de aanval zal plaatsvinden vanuit verschillende hoeken ψ; kan heel open of gesloten zijn.
Zodra de aanval plaatsvindt, wordt een tussenproduct gevormd, Nu-CRR'-O-dat wil zeggen, zuurstof wordt achtergelaten met een paar elektronen zodat Nu kan worden toegevoegd- carbonylgroep.
Deze negatief geladen zuurstof kan tussenkomen in andere stappen van de reactie; geprotoneerd als een hydroxylgroep, OH, of afgegeven als een watermolecuul.
De betrokken mechanismen, evenals de reactieproducten die door deze aanval worden verkregen, zijn zeer gevarieerd..
Het nucleofiele middel Nu- het kunnen veel soorten zijn. Voor elk specifiek ontstaan bij reactie met de carbonylgroep verschillende derivaten.
Wanneer het nucleofiele middel bijvoorbeeld een amine is, NHtweeR, imines ontstaan, RtweeC = NR; als het hydroxylamine is, NHtweeOH, geeft aanleiding tot oximen, RR'C = NOH; als het het cyanide-anion is, CN-, cyaanhydrinen worden geproduceerd, RR'C (OH) CN, enzovoort met andere soorten.
In eerste instantie werd gezegd dat deze groep zuurstofrijk is, en dus geoxideerd. Dit betekent dat het, gegeven de omstandigheden, kan worden verminderd of banden met het zuurstofatoom kan verliezen door het te vervangen door waterstofatomen. Bijvoorbeeld:
C = O => CHtwee
Deze transformatie geeft aan dat de carbonylgroep was gereduceerd tot een methyleengroep; er was een aanwinst van waterstof als gevolg van het zuurstofverlies. In meer toepasselijke chemische termen: de carbonylverbinding wordt gereduceerd tot een alkaan.
Als het een keton is, RCOR ', in aanwezigheid van hydrazine, HtweeN-NHtwee, en een sterk basisch medium kan worden gereduceerd tot zijn respectievelijke alkaan; Deze reactie staat bekend als Wolff-Kishner-reductie:
Als het reactiemengsel daarentegen uit samengevoegd zink en zoutzuur bestaat, staat de reactie bekend als Clemmensen-reductie:
De carbonylgroep kan niet alleen nucleofiele middelen Nu toevoegen-, maar onder zure omstandigheden kan het ook reageren met alcoholen via 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 en verduidelijken wat zojuist is genoemd:
RCHO + R3OH g RCHOH (OF3) (Hemiacetaal) + R4OH g RCH (OF3) (OF4) (Acetaal)
RCORtwee + R3OH g RCORtwee(OH) (OF3) (Hemiketaal) + R4OH g RCORtwee(OF3) (OF4) (ketal)
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 zijketens R (R3 en R4) worden gebonden aan carbonylkoolstof. Daarom worden OR toegevoegd3 en OR4 naar het oorspronkelijke molecuul.
Het belangrijkste verschil tussen een acetaal en een ketaal is de aanwezigheid van het waterstofatoom dat aan de koolstof is gebonden. Merk op dat het keton deze waterstof mist.
Zeer vergelijkbaar, zoals uitgelegd in de nomenclatuursectie voor de carbonylgroep, de typen ervan 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 in het begin melding gemaakt van de analogie tussen deze groep en koolmonoxide, CO. Als het molecuul geen waterstofatomen bevat en als er ook twee terminale C = O zijn, dan is het een koolstofoxide, CnOFtwee. 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 van CO-gas, maar ook van koolzuur, HtweeCO3 of OH- (C = O) -OH. Hier vertegenwoordigen de twee OH R en R ', en als ze een van hen of hun waterstofatomen vervangen, 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').
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 terminale positie en in het laatste overal in de keten.
In de afbeelding hierboven bevindt de carbonylgroep zich bijvoorbeeld in een blauw vak. 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 C = O zich aan het ene uiteinde van de keten bevindt, is het een aldehyde; dat is de meest directe manier om het te onderscheiden van een keton.
Maar hoe weet je experimenteel of een onbekende verbinding een aldehyde of een keton is? Er zijn talloze methoden, van spectroscopisch (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..
Bijvoorbeeld bij het toevoegen van een zure oplossing van KtweeCrtweeOF7 het aldehyde verandert in carbonzuur, waardoor de kleur van de oplossing verandert van oranje naar groen (positieve test). Ondertussen reageren de ketonen niet en daarom neemt de analist geen kleurverandering waar (negatieve test).
Een andere test bestaat uit het gebruik van het Tollens-reagens, [Ag (NH3twee+, voor het aldehyde om Ag-kationen te verminderen+ tot metallic zilver. En het resultaat: de vorming van een zilveren spiegel aan de onderkant van de reageerbuis waar het monster werd geplaatst..
Ten slotte wordt een reeks voorbeelden van carbonylverbindingen opgesomd:
-CH3COOH, azijnzuur
-HCOOH, mierenzuur
-CH3Auto3, propanon
-CH3AutotweeCH3, 2-butanon
-C6H.5Auto3, acetofenon
-CH3CHO, ethanal
-CH3CHtweeCHtweeCHtweeCHO, pentanal
-C6H.5C H O, benzaldehyde
-CH3CONHtwee, aceetamide
-CH3CHtweeCHtweeCOOCH3, propylacetaat
Als er nu voorbeelden worden genoemd van verbindingen die eenvoudigweg deze groep bezitten, zou de lijst bijna eindeloos worden.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.