Merkmale der Carbonylgruppen, Eigenschaften, Nomenklatur, Reaktivität

Er Carbonylgruppe Es handelt sich um eine organische und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppe, die dem Kohlenmonoxidgasmolekül ähnelt. Es wird als C = O dargestellt und obwohl es als organisch angesehen wird, kann es auch in anorganischen Verbindungen gefunden werden; Wie Kohlensäure, h₂CO₃, oder in organometallischen Verbindungen mit CO als Bindung.

Es liegt jedoch in Kohlenstoffchemie, Leben, Biochemie und anderen analogen wissenschaftlichen Zweigen, in denen diese Gruppe durch ihre enorme Bedeutung auffällt. Ohne ihn könnten viele Moleküle nicht mit Wasser interagieren; Proteine, Zucker, Aminosäuren, Fette, Nukleinsäuren und andere Biomoleküle würden nicht existieren, wenn es nicht dafür wäre.

Carbonylgruppe. Quelle: Jü [Public Domain]

Das obere Bild zeigt, wie diese Gruppe im allgemeinen Skelett einer Verbindung aussieht. Beachten Sie, dass es durch die Farbe Blau hervorgehoben wird und wenn wir die Ersatz A und B (R oder R ', ebenso gültig) entfernt, würde es ein Molekül Kohlenmonoxid geben. Das Vorhandensein dieser Substituenten definiert eine große Anzahl organischer Moleküle.

Wenn A und B Kohlenstoffatome wie Metalle oder nicht -metallische Elemente sind, können organometallische oder anorganische Verbindungen hergestellt werden. Im Falle der organischen Chemie werden Substituenten A und B immer oder Wasserstoffatome, kohlensäurehaltige Linien mit oder ohne Auswirkungen, zyklische oder aromatische Ringe sein.

Daher beginnt es zu verstehen, warum die Carbonylgruppe für diejenigen, die natürliche oder Gesundheitswissenschaften studieren, häufig vorkommt. Es ist überall, und ohne es würden die molekularen Mechanismen, die in unseren Zellen auftreten, nicht auftreten.

Wenn seine Relevanz zusammengefasst werden könnte, würde man sagen, dass es Polarität, Säure und Reaktivität zu einem Molekül bietet. Wo es eine Carbonylgruppe gibt, ist es mehr als wahrscheinlich, dass das Molekül an diesem Punkt eine Transformation erleiden kann. Daher ist es eine strategische Stelle, um organische Synthese durch Oxidationen oder nukleophile Angriffe zu entwickeln.

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Eigenschaften und Eigenschaften der Carbonylgruppe

Strukturelle Merkmale der Carbonylgruppe. Quelle: Azaline Gomberg [Public Domain].

Was sind die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Carbonylgruppe? Hoch¹ und r² anstelle von a und b, was zwischen den Substituenten und dem Sauerstoffatom besteht, ein Winkel von 120 ° C; Das heißt, Geometrie um diese Gruppe ist trigonal flach.

Was ist die Geometrie so?²; Daher hat Carbon drei SP -Orbitale² Einfache kovalente Links mit r zu bilden¹ und r², und ein Orbital P rein, um eine doppelte Bindung mit Sauerstoff herzustellen.

Auf diese Weise wird erklärt, wie es eine Doppelbindung C = O geben kann.

Wenn das Bild beobachtet wird, wird auch ersichtlich, dass Sauerstoff eine größere elektronische Dichte Δ-, als Kohlenstoff, δ aufweist+. Dies liegt daran, dass Sauerstoff elektronegativer ist als Kohlenstoff und daher die elektronische Dichte "stiehlt"; Und nicht nur für ihn, sondern auch zu den Substituenten r¹ und r².

Folglich wird ein dauerhaftes Dipolmoment erzeugt, das je nach Molekularstruktur eine größere oder geringere Größe haben kann. Wo es eine Carbonylgruppe gibt, wird es Dipolmomente geben.

Resonanzstrukturen

Die beiden Resonanzstrukturen für diese organische Gruppe. Quelle: MFomich [CC0]

Eine weitere Folge der Elektronegativität von Sauerstoff ist, dass es in der Carbonylgruppe Resonanzstrukturen gibt, die eine Hybrid definieren (die Kombination der beiden Strukturen des überlegenen Bildes). Beachten Sie, dass das Elektronenpaar auf das Orbital migrieren kann P Sauerstoff, das das Kohlenstoffatom mit einer positiven Teilbelastung verlässt; Eine Carbokation.

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Beide Strukturen treten ständig auf, so dass Kohlenstoff einen konstanten Mangel an Elektronen beibehält; Das heißt, für Kationen, die sehr nahe stehen, werden sie eine elektrostatische Abstoßung erleben. Aber wenn es sich um ein Anion oder eine Art handelt, die Elektronen spenden kann, wird es eine starke Anziehungskraft für diesen Kohlenstoff verspüren.

Dann tritt das, was als nukleophiler Angriff bekannt ist, auf, der in einem nächsten Abschnitt erklärt wird.

Nomenklatur

Wenn eine Verbindung die Gruppe C = O hat, wird gesagt, dass es Carbonyl ist. Daher hat es je nach Art des Carbonylverbinds seine eigenen Nomenklaturregeln.

Unabhängig von dem, was ist, teilt jeder gemeinsam eine Regel mit: Das C = O hat eine Priorität in der kohlensäurehaltigen Kette zum Zeitpunkt der Auflistung von Kohlenstoffatomen.

Dies bedeutet, dass, wenn es Auswirkungen, Halogenatome, stickstofffunktionelle Gruppen, doppelte oder dreifache Verbindungen gibt, keiner von ihnen eine kleinere Zahl als c = o tragen kann; Daher wird die längste Kette so nah wie möglich an der Carbonylgruppe aufgeführt.

Wenn es im Gegenteil mehrere c = oder in der Kette gibt und einer von ihnen Teil einer funktionellen Gruppe größerer Hierarchie ist, wird die Carbonylgruppe einen größeren Locator tragen und als OXO -Substituent erwähnt.

Und was heißt Hierarchie? Das Folgende, von höchster bis minderjähriger:

-Carboxylsäuren, rcooh

-Ester, RCOOR '

-Amida, rconh₂

-Aldehyde, Rcoh (oder RCHO)

-Cetona, Rcor

Ersetzen von R und R 'durch molekulare Segmente, endlose Carbonylverbindungen, die von Familien oben dargestellt werden: Carbonsäuren, Ester, Amidas usw. Jeder hat seine traditionelle Nomenklatur oder IUPAC in Verbindung gebracht.

Reaktivität

Nucleophiler Angriff

Nukleophiler Angriff auf die Carbonylgruppe. Quelle: Benjah-BMM27 [Public Domain]

Das obere Bild zeigt den nucleophilen Angriff, der von der Carbonylgruppe erlitten wurde. Das Nucleophil, nu^-, Es kann ein Anion oder eine neutrale Spezies mit verfügbaren Elektronen sein; Wie das Ammoniak, NH₃, Zum Beispiel. Dies sieht ausschließlich Kohlenstoff aus, da es nach Resonanzstrukturen eine positive Teilbelastung darstellt.

Positive Last zieht Nu an^-, die versuchen wird, sich einer „Flanke“ zu nähern, so dass es das geringste sterische Hindernis durch die Substituenten R und R 'gibt'. Abhängig davon, wie sperrig sie sind oder der Größe derselben NU^-, Der Angriff tritt auf unterschiedliche Winkel ψ auf; Es kann sehr offen oder geschlossen sein.

Sobald der Angriff auftritt, wird eine Zwischenverbindung gebildet, nu-cr'-o^-; Das heißt, Sauerstoff bleibt mit ein paar Elektronen, damit Nu hinzugefügt werden kann^- zur Carbonylgruppe.

Dieser negativ belastete Sauerstoff kann in andere Schritte der Reaktion eingreifen; Proton als Hydroxylgruppe, OH oder wie ein Wassermolekül frei.

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Die beteiligten Mechanismen sowie die Produkte der Reaktion, die durch diesen Angriff erhalten wurden, sind sehr unterschiedlich.

Derivate

Der Nublyic Agent nu^- Es kann viele Arten sein. Für jede spezifische Reaktion mit der Carbonylgruppe verschiedene Derivate.

Zum Beispiel, wenn das nukleophile Mittel ein Amin ist, NH₂A, Iminas stammen aus, r₂C = nr; Wenn es Hydroxylamin ist, NH₂Oh, führt zu Oximas, rr'c = noh; Wenn es das Cyanidanion ist, CN^-, Cianohydrinas, rr'c (OH) CN und damit mit anderen Arten.

Die Ermäßigung

Zuerst wurde gesagt, dass diese Gruppe sauerstoffhaltig und daher rostig ist. Dies bedeutet, dass die Verbindungen angesichts der Bedingungen reduziert werden können oder das Sauerstoffatom verlieren, das es durch Hydrogene ersetzt. Zum Beispiel:

C = o => ch₂

Diese Transformation zeigt, dass die Carbonylgruppe auf eine Methylengruppe reduziert wurde; Es gab Wasserstoffgewinn aufgrund von Sauerstoffverlust. In geeigneterer chemischer Begriffe: Die Carbonylverbindung wird auf ein Alkan reduziert.

Wenn es sich um Cetona, RCOR ', in Gegenwart von Hydraracina, H ist, h₂N-nh₂, und eine stark grundlegende Umgebung kann auf sein jeweiliges Alkan reduziert werden. Diese Reaktion ist als Wolff-Kishner-Reduktion bekannt:

Wolff-Kishner-Reduktion. Quelle: Jü [CC0]

Wenn andererseits das Reaktionsgemisch aus Amalgamatzink und Salzsäure besteht, ist die Reaktion als Clemmensen -Reduktion bekannt:

Clemmensen Reduktion. Quelle: Wikimedia Commons.

Acetal- und Creentraining

Die Carbonylgruppe kann nicht nur nukleophile Mittel nu hinzufügen^-, Unter sauren Bedingungen kann es aber auch mit Alkoholen durch ähnliche Mechanismen reagieren.

Wenn ein Aldehyd oder Cetona teilweise mit Alkohol reagiert. Wenn die Reaktion vollständig durchgeführt wird, handelt es sich bei den Produkten Acetals und Ketalen. Die folgenden chemischen Gleichungen fassen und klären die neu erwähnten:

Rcho + r³Oh g rchoh (oder³) (Hemiacetal) + r⁴Oh g rch (oder³) (Oder⁴) (Acetal)

RCOR² + R³Oh g rcor²(OH) (oder³) (Hemikal) + r⁴Oh g rcor²(Oder³) (Oder⁴) (Ketal)

Die erste Reaktion entspricht der Bildung von Hemiacetalen und Acetalen aus einem Aldehyd und der zweiten Hemicetale und Ketale aus einem Keton.

Diese Gleichungen sind nicht einfach genug, um die Bildung dieser Verbindungen zu erklären. Für eine erste Herangehensweise an das Thema reicht es jedoch aus zu verstehen, dass Alkohole hinzugefügt werden und dass ihre Seitenketten R (R (R³ und r⁴) Sie sind mit Carbonylkohlenstoff verbunden. Deshalb oder oder oder oder³ und oder⁴ Zum anfänglichen Molekül.

Der Hauptunterschied zwischen Acetal und Ketal ist das Vorhandensein des mit Kohlenstoffs verbundenen Wasserstoffatoms. Beachten Sie, dass dem Keton diesen Wasserstoff fehlt.

Leute

Sehr ähnlich, wie im Abschnitt der Nomenklatur für die Carbonylgruppe erläutert, basieren ihre Typen auf den Substituenten A und B oder R und R '. Daher gibt es strukturell.

Zum Beispiel wurde das Analogieprinzip zwischen dieser Gruppe und Kohlenmonoxid, C≡O, erwähnt. Wenn das Molekül keine Wasserstoffatome hat und wenn es auch zwei C = O -Anschlüsse gibt, ist es ein Kohlenoxid, C_NENTWEDER₂. Für n gleich 3 haben Sie:

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O = c = c = c = o

Das ist, als ob es zwei Cigh -O -Moleküle mit einem Kohlenstoff miteinander verbunden und getrennt wären.

Carbonylverbindungen können nicht nur aus CO -Gas, sondern auch aus Carbonsäure, H₂CO₃ oder oh- (c = o) -Oh. Hier repräsentieren die beiden OH R und R 'und ersetzen entweder einen von ihnen oder deren Hydringen, Carbononsäurederivate werden erhalten.

Und dann gibt es Derivate von Carboxsäuren, RCOOH, erhalten durch Ändern von I -Identitäten oder Ersetzen von H durch ein anderes Atom oder eine Kette R '(die zu einem Ester führen würde, RCOOR').

Wie man es in Aldehydos und Ketonen identifiziert

Differenzierung von Keton und Aldehyd aus einer strukturellen Formel. Quelle: Gabriel Bolívar.

Sowohl Aldehydos als auch Ketone haben gemeinsam das Vorhandensein der Carbonylgruppe. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften sind darauf zurückzuführen. Ihre molekularen Umgebungen sind jedoch in beiden Verbindungen nicht gleich; Im ersteren befindet er sich in einer terminalen Position und in den Sekunden, überall in der Kette.

Zum Beispiel im oberen Bild befindet sich die Carbonylgruppe in einer bläulichen Box. In den Ketonen muss neben dieser Box ein weiteres Kohlenstoff- oder Kettensegment (verkehrt herum) sein; Während im Aldehyde kann es nur ein Wasserstoffatom geben (unten).

Wenn sich das C = O an einem Ende der Kette befindet, ist es ein Aldehyd; Das ist der direkteste Weg, um es von einem Cetona zu unterscheiden.

AUSWEIS

Aber wie man experimentell weiß, ob eine unbekannte Verbindung ein Aldehyd oder ein Keton ist? Es gibt zahlreiche Methoden aus spektroskopischen (Infrarotstrahlungsabsorption, IR) oder organischen qualitativen Tests.

In Bezug auf qualitative Aufsätze basieren diese auf Reaktionen, dass der Analyst beim positiven Angeben eine physikalische Reaktion beobachtet. Eine Farbwechsel, Wärmefreisetzung, Blasenbildung usw.

Zum Beispiel zur Probe eine saure Lösung von k hinzufügen₂Cr₂ENTWEDER₇ Der Aldehyd wird in Carboxylsäure umgewandelt, wodurch sich die Farbe der Lösung von orange zu grün ändert (positiver Test). In der Zwischenzeit reagieren die Ketone nicht, und daher beobachtet der Analyst keine Farbänderung (negativer Test).

Ein weiterer Versuch besteht darin, das Tollens -Reagenz [AG (NH) zu verwenden₃)₂]⁺, so dass der Aldehyd die Kationen AG reduziert⁺ zu Metall Silber. Und das Ergebnis: Die Bildung eines Silberspiegels am unteren Rand des Testrohrs, in dem die Probe platziert wurde.

Hauptbeispiele

Schließlich wird eine Reihe von Beispielen für Carbonylverbindungen aufgeführt:

-CH₃Cooh, Essigsäure

-HCOOH, Ameisensäure

-CH₃Coch₃, Propanona

-CH₃Coch₂CH₃, 2-Butanon

-C₆H₅Coch₃, Acetophenon

-CH₃Cho, Etanal

-CH₃CH₂CH₂CH₂Cho, Pentanal

-C₆H₅Cho, Benzaldehyd

-CH₃Conh₂, Acetamid

-CH₃CH₂CH₂Cooch₃, Propylacetat

Wenn nun Beispiele für Verbindungen zitiert werden, die diese Gruppe einfach besitzen, wäre die Liste fast endlos.

Verweise

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