KUMPULAN KARBONIL: CIRI, SIFAT, TATANAMA, KEREAKTIFAN - KIMIA - 2025

Kumpulan karbonil adalah kumpulan fungsi organik beroksigen yang menyerupai molekul karbon monoksida gas. Ia dinyatakan sebagai C = O, dan walaupun dianggap organik, ia juga boleh didapati dalam sebatian bukan organik; seperti asid karbonik, H ₂ CO ₃ , atau dalam sebatian organometallic dengan CO sebagai pengikat.

Walau bagaimanapun, terdapat dalam kimia karbon, kehidupan, biokimia dan cabang saintifik lain yang serupa di mana kumpulan ini terkenal dengan kepentingannya. Sekiranya bukan kerana dia, banyak molekul tidak dapat berinteraksi dengan air; protein, gula, asid amino, lemak, asid nukleik dan biomolekul lain tidak akan wujud sekiranya bukan untuknya.

Kumpulan karbonil. Sumber: Jü

Gambar di atas menunjukkan bagaimana bentuk kumpulan ini dalam rangka umum sebatian. Perhatikan bahawa ia diserlahkan dengan warna biru, dan jika kita membuang pengganti A dan B (R atau R ', sama berlaku), akan ada molekul karbon monoksida. Kehadiran substituen ini menentukan sebilangan besar molekul organik.

Sekiranya A dan B adalah atom selain karbon, seperti logam atau unsur bukan logam, seseorang boleh mempunyai sebatian organometallik atau anorganik. Dalam kes kimia organik, pengganti A dan B akan selalu sama ada atom hidrogen, rantai karbon, garis, dengan atau tanpa cabang, lingkaran, atau cincin aromatik.

Ini adalah bagaimana ia mula memahami mengapa kumpulan karbonil cukup biasa bagi mereka yang mempelajari sains semula jadi atau kesihatan; ia ada di mana-mana, dan tanpanya mekanisme molekul yang berlaku di dalam sel kita tidak akan berlaku.

Sekiranya relevansinya dapat diringkaskan, akan dikatakan bahawa ia menyumbang kekutuban, keasidan dan kereaktifan terhadap molekul. Di mana terdapat kumpulan karbonil, kemungkinan besar hanya pada ketika itu molekul dapat mengalami transformasi. Oleh itu, ia adalah tapak strategik untuk mengembangkan sintesis organik melalui pengoksidaan atau serangan nukleofilik.

Ciri dan sifat kumpulan karbonil

Ciri struktur kumpulan karbonil. Sumber: Azaline Gomberg.

Apakah ciri struktur dan elektronik kumpulan karbonil? Di atas dapat dilihat, sekarang menggunakan huruf R ¹ dan R ² dan bukan A dan B, bahawa ada antara substituen dan atom oksigen dengan sudut 120 ° C; iaitu, geometri di sekeliling kumpulan ini ialah satah segitiga.

Untuk menjadi geometri, atom karbon dan oksigen semestinya mempunyai hibridisasi kimia sp ² ; oleh itu, karbon akan mempunyai tiga orbital sp ² untuk membentuk ikatan kovalen tunggal dengan R ¹ dan R ² , dan orbital p murni untuk ikatan berganda dengan oksigen.

Ini menjelaskan bagaimana boleh ada ikatan berganda C = O.

Sekiranya gambar diperhatikan, juga akan dilihat bahawa oksigen mempunyai ketumpatan elektron yang lebih tinggi, δ-, daripada karbon, δ +. Ini disebabkan oleh fakta bahawa oksigen lebih elektronegatif daripada karbon, dan oleh itu "merampas" ketumpatan elektron; dan bukan sahaja dia, tetapi juga pengganti R ¹ dan R ² .

Akibatnya, momen dipol kekal dihasilkan, yang boleh lebih besar atau lebih kecil bergantung pada struktur molekul. Di mana sahaja terdapat kumpulan karbonil, akan ada momen dipol.

Struktur resonans

Dua struktur resonans untuk kumpulan organik ini. Sumber: Mfomich

Akibat lain dari elektronegativiti oksigen adalah bahawa dalam kumpulan karbonil terdapat struktur resonans yang menentukan hibrid (gabungan kedua-dua struktur pada gambar atas). Perhatikan bahawa pasangan elektron dapat berpindah ke arah orbital p oksigen, yang meninggalkan atom karbon dengan muatan separa positif; carbocation.

Kedua-dua struktur sentiasa berjaya, jadi karbon mengekalkan kekurangan elektron yang berterusan; iaitu, untuk kation yang sangat dekat dengannya, mereka akan mengalami tolakan elektrostatik. Tetapi, jika ia adalah anion, atau spesies yang mampu menyumbangkan elektron, anda akan merasakan daya tarikan yang kuat untuk karbon ini.

Kemudian apa yang dikenali sebagai serangan nukleofilik berlaku, yang akan dijelaskan di bahagian yang akan datang.

Tatanama

Apabila sebatian mempunyai kumpulan C = O, ia dikatakan karbonil. Oleh itu, bergantung pada sifat sebatian karbonil, ia mempunyai peraturan penamaannya sendiri.

Walaupun, tidak kira apa itu, mereka semua mempunyai peraturan yang sama: C = O mengutamakan rantai karbon ketika menyenaraikan atom karbon.

Ini bermaksud bahawa jika terdapat cabang, atom halogen, kumpulan berfungsi nitrogen, ikatan dua atau tiga, tidak satu pun dari mereka dapat membawa nombor pencari yang lebih rendah daripada C = O; oleh itu, rantai terpanjang mula disenaraikan sedekat mungkin dengan kumpulan karbonil.

Sekiranya, di sisi lain, terdapat beberapa C = O dalam rantai, dan salah satunya adalah sebahagian daripada kumpulan berfungsi yang lebih tinggi, maka kumpulan karbonil akan membawa pencari yang lebih besar dan akan disebut sebagai pengganti okso.

Dan apakah hierarki ini? Berikut ini, dari tertinggi ke terendah:

-Asid karboksilik, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehid, RCOH (atau RCHO)

-Ketone, RCOR

Menggantikan R dan R 'untuk segmen molekul, sebilangan besar sebatian karbonil berasal dari keluarga di atas: asid karboksilik, ester, amida, dll. Masing-masing dikaitkan dengan tatanama tradisional atau IUPAC.

Kereaktifan

Serangan nukleofilik

Serangan nukleofilik pada kumpulan karbonil. Sumber: Benjah-bmm27

Gambar atas menunjukkan serangan nukleofilik yang dialami oleh kumpulan karbonil. Nukleofil, Nu ^- , boleh menjadi anion atau spesies neutral dengan pasangan elektron yang ada; seperti ammonia, NH ₃ , sebagai contoh. Ia kelihatan eksklusif untuk karbon kerana, menurut struktur resonans, ia mempunyai muatan separa positif.

Cas positif menarik Nu ^- , yang akan berusaha mendekati "sayap" sehingga terdapat halangan sterik paling sedikit dari R dan R 'substituen. Bergantung pada seberapa besar ukurannya, atau ukuran Nu ^{- itu sendiri} , serangan itu akan berlaku pada sudut yang berbeza; ia boleh sangat terbuka atau tertutup.

Setelah serangan berlaku, sebatian perantaraan, Nu-CRR'-O ^{- akan terbentuk} ; iaitu, oksigen dibiarkan dengan sepasang elektron untuk membolehkan Nu ^- bertambah pada kumpulan karbonil.

Oksigen bermuatan negatif ini boleh mengganggu langkah-langkah tindak balas yang lain; diprotonasikan sebagai kumpulan hidroksil, OH, atau dilepaskan sebagai molekul air.

Mekanisme yang terlibat, serta produk reaksi yang diperolehi oleh serangan ini, sangat bervariasi.

Derivatif

Ejen nukleofilik Nu ^- boleh terdiri daripada banyak spesies. Untuk masing-masing secara khusus, ketika bertindak balas dengan kumpulan karbonil, derivatif yang berbeza berasal.

Sebagai contoh, apabila kata ejen nukleofilik adalah amina, NH ₂ R, imines timbul, R ₂ C = NR; jika hidroksiamin, NH ₂ OH, menimbulkan oksim, RR'C = NOH; jika ia adalah anion sianida, CN ^- , sianohidrin, RR'C (OH) CN dihasilkan, dan seterusnya dengan spesies lain.

Pengurangan

Pada mulanya dikatakan bahawa kumpulan ini beroksigen, dan karenanya berkarat. Ini bermaksud, dengan syaratnya, ia dapat dikurangkan atau kehilangan ikatan dengan atom oksigen dengan menggantikannya dengan hidrogen. Sebagai contoh:

C = O => CH ₂

Transformasi ini menunjukkan bahawa kumpulan karbonil diturunkan menjadi kumpulan metilena; terdapat pertambahan hidrogen akibat kehilangan oksigen. Dalam istilah kimia yang lebih sesuai: sebatian karbonil dikurangkan menjadi alkana.

Jika ia adalah ketone, RCOR ', di hadapan hidrazin, H ₂ N-NH ₂ , dan bahan yang kukuh asas boleh dikurangkan kepada alkana masing-masing; Reaksi ini dikenali sebagai pengurangan Wolff-Kishner:

Pengurangan Wolff-Kishner. Sumber: Jü

Jika sebaliknya campuran reaksi terdiri daripada zink dan asid hidroklorik yang digabungkan, tindak balas tersebut dikenali sebagai pengurangan Clemmensen:

Pengurangan Clemmensen. Sumber: Wikimedia Commons.

Pembentukan asetal dan ketal

Kumpulan karbonil bukan sahaja dapat menambahkan agen nukleofilik Nu ^- , tetapi dalam keadaan berasid juga boleh bertindak balas dengan alkohol dengan mekanisme yang serupa.

Apabila aldehid atau keton bertindak balas sebahagiannya dengan alkohol, hemiketal atau hemisetal masing-masing dihasilkan. Sekiranya tindak balas selesai, produknya adalah asetal dan ketal. Persamaan kimia berikut merangkum dan memperjelaskan dengan lebih baik perkara di atas:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (ATAU ³ ) (Hemiacetal) + R ⁴ OH g RCH (ATAU ³ ) (ATAU ⁴ ) (Asetal)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (ATAU ³ ) (Hemicetal) + R ⁴ OH g RCOR ² (ATAU ³ ) (ATAU ⁴ ) (ketal)

Reaksi pertama sesuai dengan pembentukan hememia dan asetal dari aldehid, dan yang kedua hemisetal dan ketal dari keton.

Persamaan ini mungkin tidak cukup mudah untuk menjelaskan pembentukan sebatian ini; Walau bagaimanapun, untuk pendekatan pertama untuk subjek, cukup untuk memahami bahawa alkohol ditambahkan, dan bahawa rantai sampingannya R (R ³ dan R ⁴ ) dihubungkan dengan karbon karbonil. Itulah sebabnya OR ³ dan OR ^{4 ditambahkan} pada molekul awal.

Perbezaan utama antara asetal dan ketal adalah kehadiran atom hidrogen yang terikat pada karbon. Perhatikan bahawa keton kekurangan hidrogen ini.

Jenis-Jenis

Sangat mirip seperti yang dijelaskan dalam bahagian nomenklatur untuk kumpulan karbonil, jenisnya adalah fungsi yang merupakan pengganti A dan B, atau R dan R '. Oleh itu, terdapat ciri-ciri struktur yang berkongsi sebilangan sebatian karbonil yang melebihi urutan atau jenis ikatan.

Sebagai contoh, penyebutan dibuat pada awal analogi antara kumpulan ini dan karbon monoksida, C≡O. Sekiranya molekul itu tidak mengandungi atom hidrogen dan jika terdapat juga dua terminal C = O, maka ia akan menjadi karbon oksida, C _n O ₂ . Untuk n sama dengan 3, kita akan mempunyai:

O = C = C = C = O

Seolah-olah ada dua molekul C≡O yang bergabung dan dipisahkan oleh karbon.

Sebatian karbonil bukan sahaja dapat berasal dari gas CO, tetapi juga dari asid karbonik, H ₂ CO ₃ atau OH- (C = O) -OH. Di sini kedua OH mewakili R dan R ', dan menggantikan salah satu dari mereka atau hidrogennya, terbitan asid karbonik diperoleh.

Dan kemudian terdapat turunan asid karboksilik, RCOOH, yang diperoleh dengan mengubah identiti R, atau menggantikan H dengan atom atau rantai lain R '(yang akan menimbulkan ester, RCOOR').

Cara mengenal pasti dalam aldehid dan keton

Pembezaan keton dan aldehid dari formula struktur. Sumber: Gabriel Bolívar.

Kedua-dua aldehid dan keton mempunyai persamaan kehadiran kumpulan karbonil. Sifat kimia dan fizikalnya disebabkan olehnya. Walau bagaimanapun, persekitaran molekulnya tidak sama pada kedua-dua sebatian tersebut; pada yang pertama ia berada dalam kedudukan terminal, dan yang terakhir, di mana sahaja di rantai.

Sebagai contoh, pada gambar atas kumpulan karbonil berada di dalam kotak biru. Dalam keton, di sebelah kotak ini mesti ada segmen karbon atau rantai lain (atas); sementara di aldehid, hanya ada satu atom hidrogen (bawah).

Sekiranya C = O berada di salah satu hujung rantai, ia akan menjadi aldehid; itulah kaedah paling langsung untuk membezakannya dari keton.

ID

Tetapi bagaimana anda mengetahui secara eksperimen jika sebatian yang tidak diketahui adalah aldehid atau keton? Terdapat banyak kaedah, dari spektroskopi (penyerapan sinaran inframerah, IR), atau ujian organik kualitatif.

Mengenai ujian kualitatif, ini berdasarkan reaksi yang apabila positif, penganalisis akan melihat tindak balas fizikal; perubahan warna, pembebasan haba, pembentukan gelembung, dll.

Sebagai contoh, apabila larutan asid K ₂ Cr ₂ O ₇ ditambahkan ke sampel, aldehid akan berubah menjadi asid karboksilik, yang menyebabkan warna larutan berubah dari oren ke hijau (ujian positif). Sementara itu, keton tidak bertindak balas, dan oleh itu, penganalisis tidak memerhatikan perubahan warna (ujian negatif).

Ujian lain terdiri daripada menggunakan reagen Tollens, ⁺ , sehingga aldehid mengurangkan kation Ag ⁺ menjadi perak logam. Dan hasilnya: pembentukan cermin perak di bahagian bawah tabung uji di mana sampel diletakkan.

Contoh utama

Akhirnya, sebilangan contoh sebatian karbonil akan disenaraikan:

-CH ₃ COOH, asid asetik

-HCOOH, asid formik

-CH ₃ COCH ₃ , propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanon

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , asetofenon

-CH ₃ CHO, etanal

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehid

-CH ₃ CONH ₂ , asetamida

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propil asetat

Sekarang, jika contoh sebatian yang hanya mempunyai kumpulan ini disebutkan, senarai itu hampir tidak akan habis.

Rujukan

1. Morrison, RT dan Boyd, R, N. (1987). Kimia organik. Edisi Ke-5. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Kimia organik. (Edisi keenam). Bukit Mc Graw.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kimia organik. Amines. (Edisi ke-10.) Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Kumpulan Carbonyl: Hartanah & Gambaran Keseluruhan. Kaji. Dipulihkan dari: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05 Jun 2019). Kumpulan Carbonyl. LibreTexts Kimia. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Sebatian karbonil. Dipulihkan dari: Simply.science
7. Toppr. (sf). Tatanama dan Struktur Kumpulan Carbonyl. Dipulihkan dari: toppr.com
8. Clark J. (2015). Pengoksidaan aldehid dan keton. Dipulihkan dari: chemguide.co.uk