- Caratteristiche e proprietà del gruppo carbonile
- Strutture di risonanza
- Nomenclatura
- Reattività
- Attacco nucleofilo
- Derivati
- Riduzione
- Formazione di acetali e chetali
- tipi
- Come identificarlo in aldeidi e chetoni
- ID
- Principali esempi
- Riferimenti
Il gruppo carbonile è un gruppo funzionale organico ossigenato che assomiglia alla molecola di monossido di carbonio gassoso. È rappresentato come C = O, e sebbene sia considerato organico, si può trovare anche in composti inorganici; come l'acido carbonico, H 2 CO 3 o in composti organometallici con CO come legante.
Tuttavia, è nella chimica del carbonio, della vita, della biochimica e di altri rami scientifici analoghi che questo gruppo si distingue per la sua enorme importanza. Se non fosse per lui, molte molecole non sarebbero in grado di interagire con l'acqua; proteine, zuccheri, amminoacidi, grassi, acidi nucleici e altre biomolecole non esisterebbero se non fosse per lui.
Gruppo carbonile. Fonte: Jü
L'immagine sopra mostra l'aspetto di questo gruppo nello scheletro generale di un composto. Si noti che è evidenziato dal colore blu, e se dovessimo rimuovere i sostituenti A e B (R o R ', ugualmente validi), ci sarebbe una molecola di monossido di carbonio. La presenza di questi sostituenti definisce un gran numero di molecole organiche.
Se A e B sono atomi diversi dal carbonio, come metalli o elementi non metallici, si possono avere rispettivamente composti organometallici o inorganici. Nel caso della chimica organica, i sostituenti A e B saranno sempre atomi di idrogeno, catene di carbonio, linee, con o senza rami, anelli ciclici o aromatici.
Inizia così a capire perché il gruppo carbonile è abbastanza comune per chi studia scienze naturali o della salute; è ovunque, e senza di essa i meccanismi molecolari che avvengono nelle nostre cellule non si verificherebbero.
Se si potesse riassumere la sua rilevanza, si direbbe che contribuisce a una molecola con polarità, acidità e reattività. Dove c'è un gruppo carbonile, è più che probabile che proprio a quel punto la molecola possa subire una trasformazione. Pertanto, è un sito strategico per sviluppare la sintesi organica attraverso l'ossidazione o gli attacchi nucleofili.
Caratteristiche e proprietà del gruppo carbonile
Caratteristiche strutturali del gruppo carbonile. Fonte: Azaline Gomberg.
Quali sono le caratteristiche strutturali ed elettroniche del gruppo carbonile? Sopra si può vedere, usando ora le lettere R 1 e R 2 invece di A e B, che tra i sostituenti e l'atomo di ossigeno esiste un angolo di 120 ° C; cioè, la geometria attorno a questo gruppo è un piano trigonale.
Perché questa sia la geometria, gli atomi di carbonio e ossigeno devono necessariamente avere ibridazione chimica sp 2 ; quindi, il carbonio avrà tre orbitali sp 2 per formare legami covalenti singoli con R 1 e R 2 e un orbitale p puro per il doppio legame con l'ossigeno.
Questo spiega come può esserci un doppio legame C = O.
Se si osserva l'immagine, si vedrà anche che l'ossigeno ha una densità elettronica maggiore, δ-, rispetto al carbonio, δ +. Ciò è dovuto al fatto che l'ossigeno è più elettronegativo del carbonio, e quindi lo "priva" di densità elettronica; e non solo lui, ma anche i sostituenti R 1 e R 2 .
Di conseguenza, viene generato un momento di dipolo permanente, che può essere di grandezza maggiore o minore a seconda della struttura molecolare. Ovunque sia presente un gruppo carbonile, ci saranno momenti di dipolo.
Strutture di risonanza
Le due strutture di risonanza per questo gruppo organico. Fonte: Mfomich
Un'altra conseguenza dell'elettronegatività dell'ossigeno è che nel gruppo carbonile ci sono strutture di risonanza che definiscono un ibrido (la combinazione delle due strutture nell'immagine in alto). Si noti che la coppia di elettroni può migrare verso l'orbitale p dell'ossigeno, che lascia l'atomo di carbonio con una carica parziale positiva; un carbocatione.
Entrambe le strutture riescono costantemente, quindi il carbonio mantiene una costante carenza di elettroni; cioè, per i cationi che sono molto vicini ad esso, sperimenteranno la repulsione elettrostatica. Ma, se è un anione, o una specie in grado di donare elettroni, sentirai una forte attrazione per questo carbonio.
Quindi si verifica quello che è noto come attacco nucleofilo, che verrà spiegato in una sezione futura.
Nomenclatura
Quando un composto ha il gruppo C = O, si dice che sia carbonile. Pertanto, a seconda della natura del composto carbonilico, ha le sue regole di nomenclatura.
Sebbene, indipendentemente da cosa sia, condividono tutti una regola comune: C = O ha la priorità nella catena del carbonio quando si elencano gli atomi di carbonio.
Ciò significa che se ci sono rami, atomi di alogeno, gruppi funzionali di azoto, doppi o tripli legami, nessuno di essi può portare un numero di localizzatore inferiore a C = O; pertanto, la catena più lunga è elencata il più vicino possibile al gruppo carbonile.
Se, d'altra parte, ci sono diversi C = O nella catena, e uno di loro fa parte di un gruppo funzionale superiore, il gruppo carbonile porterà un localizzatore più grande e sarà menzionato come un sostituente oxo.
E qual è questa gerarchia? Di seguito, dal più alto al più basso:
-Acidi carbossilici, RCOOH
-Ester, RCOOR '
-Amide, RCONH 2
-Aldeide, RCOH (o RCHO)
-Ketone, RCOR
Sostituendo R e R 'per segmenti molecolari, si originano un numero infinito di composti carbonilici rappresentati dalle famiglie sopra: acidi carbossilici, esteri, ammidi, ecc. Ognuno è associato alla sua nomenclatura tradizionale o IUPAC.
Reattività
Attacco nucleofilo
Attacco nucleofilo al gruppo carbonile. Fonte: Benjah-bmm27
L'immagine in alto mostra l'attacco nucleofilo subito dal gruppo carbonile. Il nucleofilo, Nu - , può essere un anione o una specie neutra con coppie di elettroni disponibili; come l'ammoniaca, NH 3 , per esempio. Cerca esclusivamente il carbonio perché, secondo le strutture di risonanza, ha una carica parziale positiva.
La carica positiva attrae Nu - , che cercherà di avvicinarsi da un "fianco" tale che vi sia il minimo ostacolo sterico dai sostituenti R e R '. A seconda di quanto sono ingombranti o delle dimensioni di Nu - stesso , l'attacco avverrà a diverse angolazioni ψ; può essere molto aperto o chiuso.
Una volta che l'attacco si verifica, si formerà un composto intermedio, Nu-CRR'-O - ; cioè, all'ossigeno rimane una coppia di elettroni per consentire a Nu - di aggiungersi al gruppo carbonile.
Questo ossigeno caricato negativamente può intervenire in altre fasi della reazione; protonato come gruppo idrossile, OH, o rilasciato come molecola d'acqua.
I meccanismi coinvolti, così come i prodotti di reazione ottenuti da questo attacco, sono molto vari.
Derivati
L'agente nucleofilo Nu - può essere di molte specie. Per ciascuno in particolare, reagendo con il gruppo carbonile, si originano diversi derivati.
Ad esempio, quando detto agente nucleofilo è un'ammina, NH 2 R, si formano immine R 2 C = NR; se è idrossilammina, NH 2 OH, dà luogo a ossime, RR'C = NOH; se è l'anione cianuro, CN - , cianidrine, RR'C (OH) CN vengono prodotti, e così via con altre specie.
Riduzione
All'inizio si diceva che questo gruppo fosse ossigenato e quindi arrugginito. Ciò significa che, date le condizioni, può essere ridotto o perdere legami con l'atomo di ossigeno sostituendolo con idrogeni. Per esempio:
C = O => CH 2
Questa trasformazione indica che il gruppo carbonile è stato ridotto a un gruppo metilene; c'era un guadagno di idrogeno come risultato della perdita di ossigeno. In termini chimici più appropriati: il composto carbonilico è ridotto ad un alcano.
Se è un chetone, RCOR ', in presenza di idrazina, H 2 N-NH 2 , e un mezzo fortemente basico può essere ridotto al suo rispettivo alcano; Questa reazione è nota come riduzione di Wolff-Kishner:
Riduzione di Wolff-Kishner. Fonte: Jü
Se d'altra parte la miscela di reazione è costituita da zinco amalgamato e acido cloridrico, la reazione è nota come riduzione di Clemmensen:
Riduzione di Clemmensen. Fonte: Wikimedia Commons.
Formazione di acetali e chetali
Il gruppo carbonile non solo può aggiungere agenti nucleofili Nu - , ma in condizioni acide può anche reagire con alcoli mediante meccanismi simili.
Quando un'aldeide o un chetone reagiscono parzialmente con un alcol, vengono prodotti rispettivamente emiacetali o emicetali. Se la reazione è completa, i prodotti sono acetali e chetali. Le seguenti equazioni chimiche riassumono e chiariscono meglio quanto sopra:
RCHO + R 3 OH g RCHOH (OR 3 ) (emiacetale) + R 4 OH g RCH (OR 3 ) (OR 4 ) (acetale)
RCOR 2 + R 3 OH g RCOR 2 (OH) (OR 3 ) (emicetale) + R 4 OH g RCOR 2 (OR 3 ) (OR 4 ) (chetale)
La prima reazione corrisponde alla formazione di emiacetali e acetali da un'aldeide e la seconda di emicetali e chetali da un chetone.
Queste equazioni potrebbero non essere abbastanza semplici per spiegare la formazione di questi composti; Tuttavia, per un primo approccio all'argomento, è sufficiente capire che vengono aggiunti alcoli e che le loro catene laterali R (R 3 e R 4 ) si legano al carbonio carbonilico. Ecco perché OR 3 e OR 4 vengono aggiunti alla molecola iniziale.
La principale differenza tra acetale e chetale è la presenza dell'atomo di idrogeno legato al carbonio. Nota che il chetone manca di questo idrogeno.
tipi
Molto simile come spiegato nella sezione nomenclatura per il gruppo carbonile, i suoi tipi sono una funzione di cui sono i sostituenti A e B, o R e R '. Pertanto, ci sono caratteristiche strutturali che condividono una serie di composti carbonilici oltre l'ordine o il tipo di legami.
Ad esempio, all'inizio è stata menzionata l'analogia tra questo gruppo e il monossido di carbonio, C≡O. Se la molecola è priva di atomi di idrogeno e se ci sono anche due terminali C = O, allora sarà un ossido di carbonio, C n O 2 . Per n uguale a 3 avremo:
O = C = C = C = O
Che è come se ci fossero due molecole di C≡O unite e separate da un carbonio.
I composti carbonilici possono essere derivati non solo dal gas CO, ma anche dall'acido carbonico, H 2 CO 3 o OH- (C = O) -OH. Qui i due OH rappresentano R e R ', e sostituendo uno di loro oi loro idrogeni si ottengono derivati dell'acido carbonico.
E poi ci sono i derivati degli acidi carbossilici, RCOOH, ottenuti cambiando le identità di R, o sostituendo H con un altro atomo o catena R '(che darebbe origine a un estere, RCOOR').
Come identificarlo in aldeidi e chetoni
Differenziazione di chetone e aldeide da una formula strutturale. Fonte: Gabriel Bolívar.
Sia le aldeidi che i chetoni hanno in comune la presenza del gruppo carbonile. Le sue proprietà chimiche e fisiche sono dovute ad esso. Tuttavia, i loro ambienti molecolari non sono gli stessi in entrambi i composti; nel primo è in una posizione terminale, e nel secondo, ovunque nella catena.
Ad esempio, nell'immagine in alto il gruppo carbonile è all'interno di un riquadro blu. Nei chetoni, accanto a questa casella deve esserci un altro segmento di carbonio o catena (in alto); mentre nelle aldeidi può esserci un solo atomo di idrogeno (in basso).
Se C = O è a un'estremità della catena, sarà un'aldeide; questo è il modo più diretto per differenziarlo da un chetone.
ID
Ma come fai a sapere sperimentalmente se un composto sconosciuto è un'aldeide o un chetone? Esistono numerosi metodi, dai test spettroscopici (assorbimento di radiazioni infrarosse, IR), a quelli organici qualitativi.
Per quanto riguarda i test qualitativi, questi si basano su reazioni che, se positive, l'analista osserverà una risposta fisica; un cambiamento di colore, rilascio di calore, formazione di bolle, ecc.
Ad esempio, quando una soluzione acida di K 2 Cr 2 O 7 viene aggiunta al campione, l'aldeide si trasformerà in acido carbossilico, che fa cambiare il colore della soluzione da arancione a verde (test positivo). Nel frattempo, i chetoni non reagiscono e quindi l'analista non osserva alcun cambiamento di colore (test negativo).
Un altro test consiste nell'usare il reagente Tollens, + , in modo che l'aldeide riduca i cationi Ag + ad argento metallico. E il risultato: la formazione di uno specchio d'argento sul fondo della provetta dove è stato posizionato il campione.
Principali esempi
Infine, verranno elencati una serie di esempi di composti carbonilici:
-CH 3 COOH, acido acetico
-HCOOH, acido formico
-CH 3 COCH 3 , propanone
-CH 3 COCH 2 CH 3 , 2-butanone
-C 6 H 5 COCH 3 , acetofenone
-CH 3 CHO, etanale
-CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CHO, pentanale
-C 6 H 5 CHO, benzaldeide
-CH 3 CONH 2 , acetammide
-CH 3 CH 2 CH 2 COOCH 3 , acetato di propile
Ora, se vengono citati esempi di composti che semplicemente possiedono questo gruppo, l'elenco diventerebbe quasi infinito.
Riferimenti
- Morrison, RT e Boyd, R, N. (1987). Chimica organica. 5a edizione. Editoriale Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Chimica organica. (Sesta edizione). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimica organica. Le ammine. (10a edizione.). Wiley Plus.
- Reid Danielle. (2019). Gruppo carbonile: proprietà e panoramica. Studia. Estratto da: study.com
- Sharleen Agvateesiri. (05 giugno 2019). Il gruppo carbonile. Chemistry LibreTexts. Recupero da: chem.libretexts.org
- Wiki Kids Ltd. (2018). Composti carbonilici. Estratto da: simply.science
- Toppr. (Sf). Nomenclatura e struttura del gruppo carbonile. Estratto da: toppr.com
- Clark J. (2015). Ossidazione di aldeidi e chetoni. Estratto da: chemguide.co.uk