Características do grupo carbonil, propriedades, nomenclatura, reatividade

Ele Grupo Carbonil É um grupo funcional orgânico e oxigenado que se assemelha à molécula de gás de monóxido de carbono. É representado como C = O e, embora seja considerado orgânico, também pode ser encontrado em compostos inorgânicos; Como ácido carbônico, h₂Co₃, ou em compostos organometálicos com CO como uma ligação.

No entanto, é em química de carbono, vida, bioquímica e outros ramos científicos análogos, onde esse grupo se destaca por sua enorme importância. Se não fosse por ele, muitas moléculas não poderiam interagir com a água; Proteínas, açúcares, aminoácidos, gorduras, ácidos nucleicos e outras biomoléculas não existiriam se não fosse.

Grupo Carbonil. Fonte: Jü [domínio público]

A imagem superior mostra como esse grupo fica no esqueleto geral de um composto. Observe que é destacado pela cor azul e, se removemos as substituições A e B (r ou r ', igualmente válido), haveria uma molécula de monóxido de carbono. A presença desses substituintes define um grande número de moléculas orgânicas.

Se A e B são átomos de carbono, como metais ou elementos não -metálicos, compostos organometálicos ou inorgânicos podem ser feitos. No caso da química orgânica, os substituintes A e B sempre serão ou átomos de hidrogênio, linhas carbonatadas, com ou sem ramificações, anéis cíclicos ou aromáticos.

Assim, começa a entender por que o grupo carbonil é bastante comum para aqueles que estudam ciências naturais ou de saúde; Está em toda parte, e sem ele os mecanismos moleculares que acontecem em nossas células não ocorreriam.

Se sua relevância pudesse ser resumida, seria dito que fornece polaridade, acidez e reatividade a uma molécula. Onde existe um grupo carbonil, é mais do que provável que, naquele momento, a molécula possa sofrer uma transformação. Portanto, é um local estratégico desenvolver a síntese orgânica por meio de oxidações ou ataques nucleofílicos.

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Características e propriedades do grupo carbonil

Características estruturais do grupo carbonil. Fonte: Azaline Gomberg [Domínio Público].

Quais são as características estruturais e eletrônicas do grupo carbonil? Acima¹ e r² em vez de A e B, que existe entre os substituintes e o átomo de oxigênio, um ângulo de 120 ° C; Isto é, a geometria em torno deste grupo é trigonal.

Qual é a geometria como²; Assim, o carbono terá três orbitais de SP² Para formar links covalentes simples com r¹ e r², e um orbital p puro para estabelecer uma ligação dupla com oxigênio.

Dessa maneira, é explicado como pode haver uma ligação dupla C = O.

Se a imagem for observada, também será visto que o oxigênio tem maior densidade eletrônica, Δ- do que carbono, δ+. Isso ocorre porque o oxigênio é mais eletronegativo que o carbono e, portanto, "rouba" a densidade eletrônica; E não apenas para ele, mas também para os substituintes r¹ e r².

Consequentemente, é gerado um momento de dipolo permanente, que pode ter uma magnitude maior ou menor, dependendo da estrutura molecular. Onde há um grupo carbonil, haverá momentos dipolares.

Estruturas de ressonância

As duas estruturas de ressonância para este grupo orgânico. Fonte: Mfomich [CC0]

Outra conseqüência da eletronegatividade do oxigênio é que, no grupo carbonil, existem estruturas de ressonância que definem um híbrido (a combinação das duas estruturas da imagem superior). Observe que o par de elétrons pode migrar para o orbital p de oxigênio, que deixa o átomo de carbono com uma carga parcial positiva; Um carbocalização.

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Ambas as estruturas acontecem constantemente, portanto, o carbono mantém uma deficiência constante de elétrons; isto é, para cátions muito próximos, eles experimentarão uma repulsão eletrostática. Mas, se for um ânion, ou uma espécie capaz de doar elétrons, sentirá uma forte atração por esse carbono.

Então, o que é conhecido como ataque nucleofílico, que será explicado em uma próxima seção.

Nomenclatura

Quando um composto tem o grupo c = o, diz -se que é carbonil. Assim, dependendo da natureza do composto carbonil, ele tem suas próprias regras de nomenclatura.

Embora, independentemente do que é, todos compartilham uma regra em comum: o C = O tem uma prioridade na cadeia carbonatada no momento da listagem de átomos de carbono.

Isso significa que, se houver ramificações, átomos de halogênio, grupos funcionais nitrogênicos, links duplos ou triplos, nenhum deles pode transportar um número menor que C = O; Portanto, a cadeia mais longa começa a ser listada o mais próximo possível do grupo carbonil.

Se, pelo contrário, existem vários c = ou na cadeia, e um deles faz parte de um grupo funcional de maior hierarquia, o grupo carbonil carregará um localizador maior e será mencionado como substituinte oxo.

E o que é dito hierarquia? O seguinte, do mais alto ao menor:

-Ácidos carboxílicos, rcooh

-Estáster, rcoor '

-Amida, RCONH₂

-Aldehyde, RCOH (ou RCHO)

-CETONA, RCOR

Substituindo R e R 'por segmentos moleculares, compostos sem fim carbonil representados por famílias acima: ácidos carboxílicos, ésteres, amidas, etc. Cada um associou sua nomenclatura tradicional ou IUPAC.

Reatividade

Ataque nucleofílico

Ataque nucleofílico ao grupo carbonil. Fonte: Benjah-BMM27 [Domínio Público]

A imagem superior mostra o ataque nucleofílico sofrido pelo grupo carbonil. O nucleófilo, nu^-, Pode ser um ânion ou uma espécie neutra com elétrons disponíveis; Como a amônia, NH₃, por exemplo. Isso parece exclusivamente para o carbono porque, de acordo com as estruturas de ressonância, apresenta uma carga parcial positiva.

Carga positiva atrai Nu^-, que procurará abordar um "flanco" de modo que haja o menor impedimento estérico pelos substituintes r e r '. Dependendo de como eles são volumosos ou do tamanho da mesma nu^-, O ataque ocorrerá a diferentes ângulos ψ; Pode ser muito aberto ou fechado.

Quando o ataque acontecer, um composto intermediário será formado, Nu-Cr'-o^-; isto é, o oxigênio permanece com alguns elétrons para permitir que a NU seja adicionada^- para o grupo carbonil.

Esse oxigênio carregado negativamente pode intervir em outras etapas da reação; Proton como um grupo hidroxila, OH, ou liberação como uma molécula de água.

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Os mecanismos envolvidos, bem como os produtos da reação obtida por este ataque, são muito variados.

Derivados

O agente nublyic nu^- Pode ser muitas espécies. Para cada específico para reagir com o grupo carbonil, diferentes derivados.

Por exemplo, quando o referido agente nucleofílico é uma amina, NH₂A, iminas originam, r₂C = nr; Se for hidroxilamina, NH₂Oh, resulta em oxelos, rr'c = noh; Se é o ânion de cianeto, CN^-, Ciano -hidrinas, rr'c (oh) cn, e assim com outras espécies.

Redução

A princípio foi dito que este grupo está oxigenado e, portanto, enferrujado. Isso significa que, dadas as condições, os links podem ser reduzidos ou a perda de átomo de oxigênio, substituindo -o por hidrogênios. Por exemplo:

C = O => CH₂

Essa transformação indica que o grupo carbonil foi reduzido a um grupo de metileno; Houve ganho de hidrogênio devido à perda de oxigênio. Em termos químicos mais apropriados: o composto carbonil é reduzido a um alcano.

Se for um Cetona, rcor ', na presença de hidraracina, h₂N-NH₂, e um ambiente fortemente básico pode ser reduzido ao seu respectivo alcano; Esta reação é conhecida como redução de Wolff-Kishner:

Redução de Wolff-Kishner. Fonte: Jü [CC0]

Se, por outro lado, a mistura de reação consiste em zinco e ácido clorídrico, a reação é conhecida como redução de Clemmensen:

Redução de Clemmensen. Fonte: Wikimedia Commons.

Treinamento Acetal e Ceal

O grupo carbonil pode não apenas adicionar agentes nucleofílicos Nu^-, mas em condições ácidas, também pode reagir com álcoois através de mecanismos semelhantes.

Quando um aldeído ou Cetona reagem parcialmente com um álcool, hemiacetais ou hemicetais se originam, respectivamente. Se a reação for realizada completamente, os produtos são acetais e cetals. As seguintes equações químicas resumem e esclarecem os recém -mencionados:

Rcho + r³Oh g rchoh (ou³) (Hemiacetal) + R⁴Oh g rch (ou³) (Ou⁴) (Acetal)

Rcor² + R³Oh g rcor²(OH) (ou³) (Hemical) + R⁴Oh g rcor²(Ou³) (Ou⁴) (Ketal)

A primeira reação corresponde à formação de hemiacetais e acetais de um aldeído e o segundo dos hemicetais e cetais de uma cetona.

Essas equações não são simples o suficiente para explicar a formação desses compostos; No entanto, para uma primeira abordagem para o assunto, basta entender que os álcoois são adicionados e que suas cadeias laterais r (r (r³ e r⁴) Eles estão ligados ao carbono carbonil. É por isso³ e ou⁴ Para a molécula inicial.

A principal diferença entre um acetal e cetal é a presença do átomo de hidrogênio ligado ao carbono. Observe que a cetona não possui este hidrogênio.

Pessoal

Muito semelhante ao explicado na seção de nomenclatura para o grupo carbonil, seus tipos são baseados nos substituintes A e B, ou R e R '. Portanto, existem características estruturais que compartilham uma série de compostos carbonila além da ordem ou tipo de links.

Por exemplo, foi feita menção ao princípio da analogia entre este grupo e o monóxido de carbono, C≡O. Se a molécula não for desprovida de átomos de hidrogênio e se houver também dois terminais C = O, será um óxido de carbono, C_nQUALQUER₂. Por n igual a 3, você terá:

Pode atendê -lo: isóbaros

O = C = C = C = O

Que é como se houve.

Os compostos carbonilos podem não apenas derivar de CO, mas também de ácido carbônico, h₂Co₃ ou oh- (c = o) -oh. Aqui os dois OH representam r e r ', e substituindo qualquer um deles, ou seus hidrogênios, os derivados do ácido carbonônico são obtidos.

E há derivados de ácidos carboxílicos, RCOOH, obtidos pela alteração de identidades R ou substituindo H por outro átomo ou cadeia r '(que daria origem a um éster, rcoor').

Como identificá -lo em aldeídos e cetonas

Diferenciação da cetona e aldeído de uma fórmula estrutural. Fonte: Gabriel Bolívar.

Aldeídos e cetonas têm em comum a presença do grupo carbonil. Suas propriedades químicas e físicas são devidas a isso. No entanto, seus ambientes moleculares não são iguais em ambos os compostos; No primeiro, ele está em uma posição terminal e nos segundos, em qualquer lugar da cadeia.

Por exemplo, na imagem superior, o grupo carbonil está dentro de uma caixa azulada. Nas cetonas, ao lado desta caixa, deve haver outro segmento de carbono ou cadeia (de cabeça para baixo); Enquanto estiver nos aldeídos, só pode haver um átomo de hidrogênio (abaixo).

Se o C = O estiver em uma extremidade da cadeia, será um aldeído; Essa é a maneira mais direta de diferenciá -lo de um Cetona.

EU IA

Mas como saber experimentalmente se um composto desconhecido é um aldeído ou uma cetona? Existem numerosos métodos, a partir de espectroscópicos (absorção de radiação infravermelha, IR) ou testes qualitativos orgânicos.

Em relação aos ensaios qualitativos, são baseados em reações que, ao dar positivo, o analista observará uma resposta física; Uma mudança de cor, liberação de calor, formação de bolhas, etc.

Por exemplo, adicionando à amostra uma solução ácida de k₂Cr₂QUALQUER₇ O aldeído será transformado em ácido carboxílico, o que faz com que a cor da solução mude de laranja para verde (teste positivo). Enquanto isso, as cetonas não reagem e, portanto, o analista não observa nenhuma mudança de cor (teste negativo).

Outro estudo é usar o reagente Tollens, [AG (NH₃)₂]⁺, para que o aldeído reduz os cátions⁺ para metal prata. E o resultado: a formação de um espelho de prata na parte inferior do tubo de ensaio, onde a amostra foi colocada.

Principais exemplos

Finalmente, uma série de exemplos de compostos carbonil será listada:

-CH₃COOH, ácido acético

-Hcooh, ácido fórmico

-CH₃Coch₃, Propanona

-CH₃Coch₂CH₃, 2-butanona

-C₆H₅Coch₃, Acetofenona

-CH₃Cho, etanal

-CH₃CH₂CH₂CH₂Cho, Pentanal

-C₆H₅Cho, benzaldeído

-CH₃CONH₂, acetamida

-CH₃CH₂CH₂Cooch₃, Acetato de propil

Agora, se exemplos de compostos forem citados que simplesmente possuem esse grupo, a lista seria quase sem fim.

Referências

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