Il gruppo carbonile È un gruppo funzionale organico e 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 acido carbonico, H.DueCO3, o in composti organometallici con CO come legante.
Tuttavia, è nella chimica del carbonio, della vita, della biochimica e di altri rami scientifici simili 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.
L'immagine sopra mostra come appare questo gruppo nello scheletro generale di un composto. Nota che è evidenziato dal colore blu, e se rimuovessimo i sostituenti A e B (R o R ', ugualmente validi), rimarrebbe 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..
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Quali sono le caratteristiche strutturali ed elettroniche del gruppo carbonile? Sopra può essere visto, ora usando le lettere R1 e RDue invece di A e B, c'è un angolo di 120 ° C tra i sostituenti e l'atomo di ossigeno; cioè, la geometria attorno a questo gruppo è un piano trigonale.
Affinché tale geometria sia gli atomi di carbonio e ossigeno devono necessariamente avere un'ibridazione chimica spDue; quindi il carbonio avrà tre orbitali spDue per formare semplici legami covalenti con R1 e RDue, e un orbitale p puro per stabilire 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 RDue.
Di conseguenza, viene generato un momento di dipolo permanente, che può essere di grandezza maggiore o minore a seconda della struttura molecolare. Ovunque ci sia un gruppo carbonile, ci saranno momenti di dipolo.
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). Nota che la coppia di elettroni può migrare verso l'orbitale p ossigeno, che lascia l'atomo di carbonio con una carica parziale positiva; un carbocatione.
Entrambe le strutture si susseguono 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 ciò che è noto come attacco nucleofilo, che verrà spiegato in una sezione futura.
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 azotati, doppi o tripli legami, nessuno di essi può portare un numero di localizzatore inferiore a C = O; quindi, la catena più lunga inizia ad essere enumerata 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 '
-Amida, RCONHDue
-Aldeide, RCOH (o RCHO)
-Chetone, RCOR
Sostituendo R e R 'per segmenti molecolari, si originano una miriade di composti carbonilici rappresentati dalle famiglie di cui sopra: acidi carbossilici, esteri, ammidi, ecc. Ognuno ha la sua nomenclatura tradizionale o IUPAC ad esso associata..
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, NH3, 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 approssimarsi con un "fianco" tale che vi sia il minimo ostacolo sterico dai sostituenti R e R '. A seconda di quanto sono voluminosi o delle dimensioni del Nu-, l'attacco avverrà a diverse angolazioni ψ; può essere molto aperto o chiuso.
Una volta che l'attacco avviene, si formerà un composto intermedio, Nu-CRR'-O-; cioè, l'ossigeno viene lasciato con una coppia di elettroni per consentire l'aggiunta di Nu- 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..
L'agente nucleofilo Nu- può essere molte specie. Per ciascuno in particolare, reagendo con il gruppo carbonile, si originano diversi derivati.
Ad esempio, quando detto agente nucleofilo è un'ammina, NHDueR, le immine hanno origine, RDueC = NR; se è idrossilammina, NHDueOH, dà origine a ossime, RR'C = NOH; se è l'anione cianuro, CN-, vengono prodotte cianoidrine, RR'C (OH) CN e così via con altre specie.
All'inizio si diceva che questo gruppo fosse ossigenato e quindi ossidato. Ciò significa che, date le condizioni, può essere ridotto o perdere legami con l'atomo di ossigeno sostituendolo con idrogeni. Per esempio:
C = O => CHDue
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.DueN-NHDue, e un mezzo fortemente basico può essere ridotto al suo rispettivo alcano; Questa reazione è nota come riduzione di Wolff-Kishner:
Se, d'altra parte, la miscela di reazione è costituita da zinco amalgamato e acido cloridrico, la reazione è nota come riduzione di Clemmensen:
Il gruppo carbonile non può solo aggiungere agenti nucleofili Nu-, ma in condizioni acide può anche reagire con gli alcoli attraverso 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 quanto appena menzionato:
RCHO + R3OH g RCHOH (OR3) (Emiacetale) + R4OH g RCH (OR3) (O4) (Acetale)
RCORDue + R3OH g RCORDue(OH) (OR3) (Hemiketal) + R4OH g RCORDue(O3) (O4) (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 (R3 e R4) si legano al carbonio carbonile. Ecco perché vengono aggiunti OR3 e OR4 alla molecola iniziale.
La principale differenza tra un acetale e un chetale è la presenza dell'atomo di idrogeno legato al carbonio. Nota che il chetone manca di questo idrogeno.
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, CnODue. 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.DueCO3 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').
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, in qualsiasi punto della catena.
Ad esempio, nell'immagine sopra il gruppo carbonile si trova 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.
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 si aggiunge una soluzione acida di KDueCrDueO7 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, [Ag (NH3)Due]+, affinchè l'aldeide riduca i cationi Ag+ all'argento metallizzato. E il risultato: la formazione di uno specchio d'argento sul fondo della provetta dove è stato posizionato il campione..
Infine, verranno elencati una serie di esempi di composti carbonilici:
-CH3COOH, acido acetico
-HCOOH, acido formico
-CH3Auto3, propanone
-CH3AutoDueCH3, 2-butanone
-C6H5Auto3, acetofenone
-CH3CHO, etanale
-CH3CHDueCHDueCHDueCHO, pentanale
-C6H5CHO, benzaldeide
-CH3CONHDue, acetamide
-CH3CHDueCHDueCOOCH3, acetato di propile
Ora, se vengono citati esempi di composti che semplicemente possiedono questo gruppo, l'elenco diventerebbe quasi infinito.
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