- Característiques i propietats de el grup carbonil
- Estructures de ressonància
- Nomenclatura
- reactivitat
- atac nucleofílic
- derivats
- reducció
- Formació de acetals i cetales
- tipus
- Com identificar-lo en aldehids i cetones
- identificació
- principals exemples
- referències
El grup carbonil és un grup funcional orgànic i oxigenat que s'assembla a la molècula gasosa de monòxid de carboni. Es representa com C = O, i encara que es considera orgànic, pot trobar-se-també en compostos inorgànics; com l'àcid carbònic, H 2 CO 3, o en compostos organometàl·lics amb el CO com lligant.
Tanmateix, és en la química de l'carboni, de la vida, bioquímica i altres anàlogues branques científiques en on aquest grup destaca per la seva enorme importància. Si no fos per ell, moltes molècules no podrien interactuar amb l'aigua; les proteïnes, sucres, aminoàcids, greixos, els àcids nucleics i altres biomolècules no existirien de no ser per ell.
Grup carbonil. Font: Dj
A la imatge superior es mostra com llueix aquest grup en l'esquelet general d'un compost. Cal notar que està ressaltat pel color blau, i si retirásemos els substituents A i B (R o R ', igualment vàlids), quedaria una molècula de monòxid de carboni. La presència d'aquests substituents defineix un nombre gran de molècules orgàniques.
Si A i B són àtoms diferents a l'carboni, com metalls o elements no metàl·lics, pot tenir compostos organometàl·lics o inorgànics, respectivament. En el cas de la química orgànica, els substituents A i B sempre seran o àtoms d'hidrogen, cadenes carbonades línies, amb o sense ramificacions, cícliques, o anells aromàtics.
És així que comença comprendre per què el grup carbonil és bastant comú per als que estudien ciències naturals o de la salut; és a tot arreu, i sense ell els mecanismes moleculars que succeeixen en les nostres cèl·lules no ocorrerien.
Si es pogués resumir la seva rellevància es diria que aporta polaritat, acidesa i reactivitat a una molècula. On hi hagi un grup carbonil, és més que probable que just en aquest punt la molècula pugui patir una transformació. Per tant, és un lloc estratègic per a desenvolupar síntesis orgàniques a través d'oxidacions o atacs nucleofílics.
Característiques i propietats de el grup carbonil
Característiques estructurals de el grup carbonil. Font: Azaline Gomberg.
Quines són les característiques estructurals i electròniques de el grup carbonil? A dalt es pot apreciar, ara utilitzant les lletres R 1 i R 2 en lloc de A i B, que existeix entre els substituents i l'àtom d'oxigen un angle de 120 ° C; és a dir, que la geometria entorn a aquest grup és pla trigonal.
Perquè tal sigui la geometria dels àtoms de carboni i oxigen necessàriament han de tenir hibridació química sp 2; així, el carboni tindrà tres orbitals sp 2 per formar enllaços covalents simples amb R 1 i R 2, i un orbital p pur per establir el doble enllaç amb l'oxigen.
D'aquesta manera s'explica com pot haver-hi un doble enllaç C = O.
Si s'observa la imatge es veurà a més que l'oxigen presenta major densitat electrònica, δ-, que el carboni, δ +. Això es deu al fet que l'oxigen és més electronegatiu que el carboni, i per tant li "roba" densitat electrònica; i no només a ell, sinó fins i tot també als substituents R 1 i R 2.
En conseqüència, es genera un moment dipolar permanent, el qual pot ser de major o menor magnitud depenent de l'estructura molecular. On hi hagi un grup carbonil, hi haurà moments dipolars.
Estructures de ressonància
Les dues estructures de ressonància per a aquest grup orgànic. Font: Mfomich
Una altra conseqüència de l'electronegativitat de l'oxigen és que en el grup carbonil hagi estructures de ressonància que defineixen un híbrid (la combinació de les dues estructures de la imatge superior). Cal notar que el parell d'electrons pot migrar cap al orbital p de l'oxigen, la qual cosa deixa a l'àtom de carboni amb una càrrega parcial positiva; 1 carbocatió.
Les dues estructures es succeeixen constantment, de manera que el carboni manté una deficiència constant d'electrons; és a dir, que per als cations que estiguin molt a prop seu experimentaran una repulsió electrostàtica. Però, si es tracta d'un anió, o una espècie capaç de donar electrons, sentirà una atracció forta per aquest carboni.
Llavors passa el que es coneix com l'atac nucleofílic, la qual cosa s'explicarà en un pròxim apartat.
Nomenclatura
Quan un compost posseeix el grup C = O, es diu que és carbonílic. Així, depenent de la naturalesa de l'compost carbonílic, aquest posseeix les seves pròpies regles de nomenclatura.
Encara que, sense importar quina sigui, tots comparteixen una regla en comú: el C = O té prioritat en la cadena carbonada a l'hora d'enumerar els àtoms de carboni.
Això vol dir que si hi ha ramificacions, àtoms d'halògens, grups funcionals nitrogenats, dobles o triples enllaços, cap d'ells pot portar un nombre localitzador menor que el C = O; per tant, es comença a enumerar la cadena més llarga el més proper possible a el grup carbonil.
Si per contra hi ha diversos C = O a la cadena, i un d'ells forma part d'un grup funcional de major jerarquia, llavors el grup carbonil de portar un localitzador major i s'esmentarà com un substituent oxo.
¿I quina és aquesta jerarquia? La següent, de major a menor:
-Àcids carboxílics, RCOOH
-Ester, RCOOR '
-Amida, RCONH 2
-Aldehído, RCOH (o RCHO)
-Cetona, RCOR
Substituint R i R 'per segments moleculars, s'originen una infinitat de compostos carbonílics representats per les famílies de dalt: àcids carboxílics, èsters, amides, etc. Cada un té associat el seu nomenclatura tradicional o IUPAC.
reactivitat
atac nucleofílic
Atac nucleofílic a el grup carbonil. Font: Benjah-bmm27
A la imatge superior es mostra l'atac nucleofílic que pateix el grup carbonil. El nucleòfil, Nu -, pot ser un anió o una espècie neutra amb parells d'electrons disponibles; com l'amoníac, NH 3, per exemple. Aquest busca exclusivament a l'carboni perquè, d'acord a les estructures de ressonància, presenta una càrrega parcial positiva.
La càrrega positiva atrau Nu -, el qual buscarà aproximar per un "flanc" tal que hi hagi el menor impediment estèric per part dels substituents R i R '. Depenent de com de voluminosos siguin, o de la mida de la mateixa Nu -, l'atac passarà a diferents angles ψ; pot ser molt obert o tancat.
Una vegada que succeeixi l'atac, es formarà un compost intermediari, Nu-CRR'-O -; és a dir, l'oxigen es queda amb un parell d'electrons per permetre que s'addicioni Nu - a el grup carbonil.
Aquest oxigen carregat negativament pot intervenir en altres passos de la reacció; protonarse com a grup hidroxil, OH, o alliberar-com una molècula d'aigua.
Els mecanismes implicats, així com els productes de la reacció obtinguts per aquest atac, són molt variats.
derivats
L'agent nucleofílic Nu - pot tractar-se de moltes espècies. Per a cada un en específic a l'reaccionar amb el grup carbonil origina diferents derivats.
Per exemple, quan l'agent nucleofílic és una amina, NH 2 R, s'originen imines, R 2 C = NR; si és la hidroxilamina, NH 2 OH, dóna lloc a les oximes, RR'C = NOH; si és l'anió cianur, CN -, es produeixen cianohidrines, RR'C (OH) CN, i així amb altres espècies.
reducció
A el principi es va dir que aquest grup està oxigenat, i per tant, oxidat. Això vol dir que, donades les condicions, pot reduir-se o perdre enllaços amb l'àtom d'oxigen reemplaçant amb hidrògens. Per exemple:
C = O => CH 2
Aquesta transformació indica que el grup carbonil es va reduir a un grup metilè; hi va haver guany d'hidrogen arran de la pèrdua de l'oxigen. En termes químics més apropiats: el compost carbonílic es redueix a un alcà.
Si es tracta d'una cetona, RCOR ', en presència d'hidrazina, H 2 N-NH 2, i un mitjà fortament bàsic pot reduir-se al seu respectiu alcà; aquesta reacció es coneix com reducció de Wolff-Kishner:
Reducció de Wolff-Kishner. Font: Dj
Si d'altra banda la barreja de reacció consisteix de zinc amalgamat i àcid clorhídric, la reacció es coneix com reducció de Clemmensen:
Reducció de clemmensen. Font: Wikimedia Commons.
Formació de acetals i cetales
El grup carbonil no només pot addicionar agents nucleofílics Nu -, sinó que en condicions àcides pot reaccionar més amb els alcohols mitjançant mecanismes similars.
Quan un aldehid o cetona reaccionen parcialment amb un alcohol, s'originen hemiacetals o hemicetales, respectivament. Si la reacció es porta a terme completament, els productes són acetals i cetales. Les següents equacions químiques resum i aclareixen millor el recentment esmentat:
RCHO + R 3 OH g RCHOH (OR 3) (hemiacetal) + R 4 OH g RCH (OR 3) (OR 4) (Acetal)
RCOR 2 + R 3 OH g RCOR 2 (OH) (OR 3) (hemicetal) + R 4 OH g RCOR 2 (OR 3) (OR 4) (cetal)
La primera reacció correspon a la formació d'hemiacetals i acetals a partir d'un aldehid, i la segona de hemicetales i cetales a partir d'una cetona.
Aquestes equacions potser no siguin prou senzilles per explicar la formació d'aquests compostos; però, per a un primer acostament al tema n'hi ha prou amb entendre que els alcohols s'addicionen, i que les seves cadenes laterals R (R 3 i R 4) passen a enllaçar-se a l'carboni carbonílic. És per això que s'addicionen OR 3 i OR abril a la molècula inicial.
La principal diferència entre un acetal i cetal, és la presència de l'àtom d'hidrogen enllaçat a l'carboni. Cal notar que la cetona manca d'aquest hidrogen.
tipus
Molt similar com es va explicar en l'apartat de nomenclatura per al grup carbonil, els seus tipus estan en funció de quins són els substituents A i B, o R i R '. Per tant, hi ha característiques estructurals que comparteixen una sèrie de compostos carbonílics més enllà que només l'ordre o tipus d'enllaços.
Per exemple, es va fer esment a el principi de l'analogia entre aquest grup i el monòxid de carboni, C≡O. Si la molècula està desproveïda d'àtoms d'hidrogen i si a més hi ha dos C = O terminals, es tractarà llavors d'un òxid de carboni, C n O 2. Per n igual a 3, es tindrà:
O = C = C = C = O
Que és com si hi hagués dues molècules de C≡O unides i separades per un carboni.
Els compostos carbonílics no només poden derivar d'el gas CO, sinó també de l'àcid carbònic, H 2 CO 3 o OH- (C = O) -OH. Aquí els dos OH representen a R i R ', i reemplaçant bé sigui a un d'ells, o als seus hidrògens, s'obtenen derivats de l'àcid carbònic.
I després hi ha els derivats d'àcids carboxílics, RCOOH, obtinguts a l'canviar les identitats de R, o substituir H per un altre àtom o cadena R '(la qual cosa donaria lloc a un èster, RCOOR').
Com identificar-lo en aldehids i cetones
Diferenciació de la cetona i l'aldehid des d'una fórmula estructural. Font: Gabriel Bolívar.
Tant els aldehids com les cetones tenen en comú la presència de el grup carbonil. Les seves propietats químiques i físiques es deuen a ell. No obstant això, els seus entorns moleculars no són iguals en tots dos compostos; en els primers es troba en una posició terminal, i en els segons, en qualsevol lloc de la cadena.
Per exemple, a la imatge superior el grup carbonil està dins d'un requadre blau. A les cetones, a la banda d'aquest requadre hi ha d'haver un altre carboni o segment de cadena (part de dalt); mentre que en els aldehids, només hi pot haver un àtom d'hidrogen (part de baix).
Si el C = O està en un extrem de la cadena, es tractarà d'un aldehid; aquesta és la manera més directa per diferenciar d'un cetona.
identificació
Però, com saber experimentalment si un compost desconegut és un aldehid o una cetona? Existeixen nombrosos mètodes, des espectroscòpics (absorció de radiació infraroja, IR), o assajos qualitatius orgànics.
Pel que fa als assajos qualitatius, aquests es fonamenten en reaccions que a el donar positives l'analista observarà una resposta física; un canvi de color, alliberament de calor, formació de bombolles, etc.
Per exemple, a l'afegir a la mostra una solució àcida de K 2 Cr 2 O 7 l'aldehid es transformarà en àcid carboxílic, la qual cosa fa que el color de la solució canviï de taronja a verd (prova positiva). Mentrestant, les cetones no reaccionen, i per tant, l'analista no s'observa cap canvi de color (prova negativa).
Un altre assaig consisteix d'utilitzar el reactiu de Tollens, +, perquè l'aldehid redueixi els cations Ag + a plata metàl·lica. I el resultat: la formació d'un mirall de plata en el fons de l'tub d'assaig on es va col·locar la mostra.
principals exemples
Per finalitzar s'enlistaran una sèrie d'exemples de compostos carbonílics:
-CH 3 COOH, àcid acètic
-HCOOH, àcid fòrmic
-CH 3 COCH 3, propanona
-CH 3 COCH 2 CH 3, 2-butanona
-C 6 H 5 COCH 3, acetofenona
-CH 3 CHO, etanal
-CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CHO, pentanal
-C 6 H 5 CHO, benzaldehid
-CH 3 CONH 2, acetamida
-CH 3 CH 2 CH 2 Cooch 3, acetat de propil
Ara bé, de citar-se exemples de compostos que simplement posseeixen aquest grup, la llista es faria gairebé interminable.
referències
- Morrison, RT i Boyd, R, N. (1987). Química Orgànica. 5a Edició. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
- Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10th edition.). Wiley Plus.
- Reid Danielle. (2019). Carbonyl Group: Properties & Overview. Study. Recuperat de: study.com
- Sharleen Agvateesiri. (5 juny 2019). The Carbonyl Group. Chemistry LibreTexts. Recuperat de: chem.libretexts.org
- Wiki Kids Ltd (2018). Carbonyl compounds. Recuperat de: simply.science
- Toppr. (Sf). Nomenclature and Structure of Carbonyl Group. Recuperat de: toppr.com
- Clark J. (2015). Oxidation of aldehydes and ketones. Recuperat de: chemguide.co.uk