CARBONYLGRUPPE: EIGENSCHAFTEN, EIGENSCHAFTEN, NOMENKLATUR, REAKTIVITÄT - CHEMIE - 2025

Die Carbonylgruppe ist eine sauerstoffhaltige organische funktionelle Gruppe, die dem gasförmigen Kohlenmonoxidmolekül ähnelt. Es wird als C = O dargestellt und obwohl es als organisch angesehen wird, kann es auch in anorganischen Verbindungen gefunden werden; wie Kohlensäure, H ₂ CO ₃ oder in metallorganischen Verbindungen mit CO als Bindemittel.

In der Chemie von Kohlenstoff, Leben, Biochemie und anderen analogen wissenschaftlichen Zweigen zeichnet sich diese Gruppe jedoch durch ihre enorme Bedeutung aus. Ohne ihn könnten viele Moleküle nicht mit Wasser interagieren. Proteine, Zucker, Aminosäuren, Fette, Nukleinsäuren und andere Biomoleküle würden ohne ihn nicht existieren.

Carbonylgruppe. Quelle: Jü

Das Bild oben zeigt, wie diese Gruppe im allgemeinen Skelett einer Verbindung aussieht. Beachten Sie, dass es durch die blaue Farbe hervorgehoben wird. Wenn wir die Substituenten A und B (R oder R ', gleichermaßen gültig) entfernen würden, gäbe es ein Kohlenmonoxidmolekül. Das Vorhandensein dieser Substituenten definiert eine große Anzahl organischer Moleküle.

Wenn A und B andere Atome als Kohlenstoff sind, wie Metalle oder nichtmetallische Elemente, kann man metallorganische bzw. anorganische Verbindungen aufweisen. Bei der organischen Chemie sind die Substituenten A und B immer entweder Wasserstoffatome, Kohlenstoffketten, Linien mit oder ohne Verzweigungen, cyclische oder aromatische Ringe.

Auf diese Weise beginnt es zu verstehen, warum die Carbonylgruppe für diejenigen, die Natur- oder Gesundheitswissenschaften studieren, durchaus üblich ist. es ist überall und ohne es würden die molekularen Mechanismen, die in unseren Zellen auftreten, nicht auftreten.

Wenn seine Relevanz zusammengefasst werden könnte, würde man sagen, dass es einem Molekül Polarität, Säuregehalt und Reaktivität verleiht. Wenn es eine Carbonylgruppe gibt, ist es mehr als wahrscheinlich, dass das Molekül genau zu diesem Zeitpunkt eine Transformation durchlaufen kann. Daher ist es ein strategischer Ort, um die organische Synthese durch Oxidation oder nukleophile Angriffe zu entwickeln.

Eigenschaften und Eigenschaften der Carbonylgruppe

Strukturelle Eigenschaften der Carbonylgruppe. Quelle: Azaline Gomberg.

Was sind die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Carbonylgruppe? Oben ist unter Verwendung der Buchstaben R ¹ und R ² anstelle von A und B zu sehen, dass zwischen den Substituenten und dem Sauerstoffatom ein Winkel von 120 ° C besteht; Das heißt, die Geometrie um diese Gruppe ist eine trigonale Ebene.

Damit dies die Geometrie ist, müssen die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome notwendigerweise eine chemische sp ² -Hybridisierung aufweisen ; Somit hat Kohlenstoff drei sp ² -Orbitale , um einfache kovalente Bindungen mit R ¹ und R ^{2 zu bilden} , und ein reines p-Orbital, um mit Sauerstoff doppelt zu binden.

Dies erklärt, wie es zu einer C = O-Doppelbindung kommen kann.

Wenn das Bild beobachtet wird, ist auch zu sehen, dass Sauerstoff eine höhere Elektronendichte δ- als Kohlenstoff δ + aufweist. Dies liegt an der Tatsache, dass Sauerstoff elektronegativer als Kohlenstoff ist und ihn daher der Elektronendichte "beraubt"; und nicht nur er, sondern auch die Substituenten R ¹ und R ² .

Folglich wird ein permanentes Dipolmoment erzeugt, das abhängig von der Molekülstruktur mehr oder weniger groß sein kann. Wo immer es eine Carbonylgruppe gibt, gibt es Dipolmomente.

Resonanzstrukturen

Die beiden Resonanzstrukturen für diese organische Gruppe. Quelle: Mfomich

Eine weitere Folge der Elektronegativität von Sauerstoff ist, dass es in der Carbonylgruppe Resonanzstrukturen gibt, die einen Hybrid definieren (die Kombination der beiden Strukturen im oberen Bild). Es ist zu beachten, dass das Elektronenpaar in Richtung des p-Orbitals von Sauerstoff wandern kann, wodurch das Kohlenstoffatom mit einer positiven Teilladung zurückbleibt. eine Carbokation.

Beide Strukturen sind ständig erfolgreich, so dass Kohlenstoff einen konstanten Mangel an Elektronen aufrechterhält. Das heißt, für Kationen, die sehr nahe daran sind, erfahren sie eine elektrostatische Abstoßung. Wenn es sich jedoch um ein Anion oder eine Spezies handelt, die Elektronen abgeben kann, werden Sie eine starke Anziehungskraft für diesen Kohlenstoff spüren.

Dann tritt ein sogenannter nukleophiler Angriff auf, der in einem zukünftigen Abschnitt erläutert wird.

Nomenklatur

Wenn eine Verbindung die Gruppe C = O hat, spricht man von Carbonyl. Abhängig von der Art der Carbonylverbindung hat sie daher ihre eigenen Nomenklaturregeln.

Unabhängig davon, was es ist, haben alle eine gemeinsame Regel: C = O hat in der Kohlenstoffkette Vorrang bei der Auflistung von Kohlenstoffatomen.

Dies bedeutet, dass bei Verzweigungen, Halogenatomen, stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen, Doppel- oder Dreifachbindungen keine von ihnen eine niedrigere Locatorzahl als C = O tragen kann; Daher wird die längste Kette so nahe wie möglich an der Carbonylgruppe aufgeführt.

Wenn andererseits mehrere C = O in der Kette vorhanden sind und eines von ihnen Teil einer höheren funktionellen Gruppe ist, trägt die Carbonylgruppe einen größeren Locator und wird als Oxosubstituent erwähnt.

Und was ist diese Hierarchie? Folgendes vom höchsten zum niedrigsten:

-Carbonsäuren, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyd, RCOH (oder RCHO)

-Keton, RCOR

Wenn R und R 'für molekulare Segmente eingesetzt werden, entsteht eine endlose Anzahl von Carbonylverbindungen, die durch die obigen Familien dargestellt werden: Carbonsäuren, Ester, Amide usw. Jeder ist mit seiner traditionellen oder IUPAC-Nomenklatur verbunden.

Reaktivität

Nucleophiler Angriff

Nucleophiler Angriff auf die Carbonylgruppe. Quelle: Benjah-bmm27

Das obere Bild zeigt den nukleophilen Angriff der Carbonylgruppe. Das Nucleophil Nu ^- kann ein Anion oder eine neutrale Spezies mit verfügbaren Elektronenpaaren sein; wie beispielsweise Ammoniak, NH ₃ . Es sucht ausschließlich nach Kohlenstoff, da es nach Resonanzstrukturen eine positive Teilladung aufweist.

Die positive Ladung zieht Nu ^{- an} , das versucht, sich durch eine "Flanke" zu nähern, so dass die R- und R'-Substituenten am wenigsten sterisch behindert werden. Je nachdem, wie sperrig sie sind oder wie groß Nu ^{- selbst ist} , erfolgt der Angriff in verschiedenen Winkeln ψ; es kann sehr offen oder geschlossen sein.

Sobald der Angriff erfolgt, wird eine Zwischenverbindung, Nu-CRR'-O ^{- gebildet} ; Das heißt, Sauerstoff bleibt mit einem Elektronenpaar zurück, damit Nu ^- zur Carbonylgruppe addieren kann .

Dieser negativ geladene Sauerstoff kann in andere Reaktionsschritte eingreifen; als Hydroxylgruppe protoniert, OH, oder als Wassermolekül freigesetzt.

Die beteiligten Mechanismen sowie die durch diesen Angriff erhaltenen Reaktionsprodukte sind sehr unterschiedlich.

Derivate

Das nukleophile Mittel Nu ^- kann von vielen Arten sein. Für jedes einzelne entstehen bei der Reaktion mit der Carbonylgruppe unterschiedliche Derivate.

Wenn beispielsweise das nukleophile Mittel ein Amin ist, entstehen NH ₂ R, Imine, R ₂ C = NR; wenn es Hydroxylamin ist, führt NH ₂ OH zu Oximen, RR'C = NOH; Wenn es sich um das Cyanidanion handelt, werden CN ^- , Cyanhydrine, RR'C (OH) CN usw. mit anderen Spezies erzeugt.

Die Ermäßigung

Zuerst wurde gesagt, dass diese Gruppe sauerstoffhaltig und daher rostig ist. Dies bedeutet, dass es unter den gegebenen Bedingungen reduziert werden kann oder Bindungen mit dem Sauerstoffatom verlieren kann, indem es durch Wasserstoff ersetzt wird. Beispielsweise:

C = O => CH ₂

Diese Umwandlung zeigt an, dass die Carbonylgruppe zu einer Methylengruppe reduziert wurde; Durch den Sauerstoffverlust kam es zu einem Wasserstoffgewinn. In geeigneterer chemischer Hinsicht: Die Carbonylverbindung wird zu einem Alkan reduziert.

Wenn es sich um ein Keton handelt, kann RCOR 'in Gegenwart von Hydrazin, H ₂ N-NH ₂ und einem stark basischen Medium zu seinem jeweiligen Alkan reduziert werden; Diese Reaktion ist als Wolff-Kishner-Reduktion bekannt:

Wolff-Kishner-Reduktion. Quelle: Jü

Wenn das Reaktionsgemisch andererseits aus amalgamiertem Zink und Salzsäure besteht, spricht man von einer Clemmensen-Reduktion:

Clemmensen-Reduktion. Quelle: Wikimedia Commons.

Bildung von Acetalen und Ketalen

Die Carbonylgruppe kann nicht nur nukleophile Wirkstoffe Nu ^- hinzufügen , sondern unter sauren Bedingungen auch mit Alkoholen durch ähnliche Mechanismen reagieren.

Wenn ein Aldehyd oder Keton teilweise mit einem Alkohol reagiert, entstehen Hemiacetale bzw. Hemicetale. Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, sind die Produkte Acetale und Ketale. Die folgenden chemischen Gleichungen fassen die oben genannten Punkte zusammen und verdeutlichen sie besser:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (OR ³ ) (Halbacetal) + 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 ) (Ketal)

Die erste Reaktion entspricht der Bildung von Halbacetalen und Acetalen aus einem Aldehyd und die zweite von Hemicetalen und Ketalen aus einem Keton.

Diese Gleichungen sind möglicherweise nicht einfach genug, um die Bildung dieser Verbindungen zu erklären. Für eine erste Herangehensweise an das Thema reicht es jedoch zu verstehen, dass Alkohole zugesetzt werden und dass ihre R-Seitenketten (R ³ und R ⁴ ) an den Carbonylkohlenstoff gebunden werden. Deshalb werden OR ³ und OR ⁴ zum Ausgangsmolekül ^hinzugefügt .

Der Hauptunterschied zwischen Acetal und Ketal ist das Vorhandensein des an den Kohlenstoff gebundenen Wasserstoffatoms. Beachten Sie, dass dem Keton dieser Wasserstoff fehlt.

Typen

Sehr ähnlich wie im Abschnitt zur Nomenklatur für die Carbonylgruppe erläutert, sind ihre Typen eine Funktion, von der die Substituenten A und B oder R und R 'abhängen. Daher gibt es strukturelle Merkmale, die eine Reihe von Carbonylverbindungen gemeinsam haben, die über die Reihenfolge oder Art der Bindungen hinausgehen.

Beispielsweise wurde zu Beginn der Analogie zwischen dieser Gruppe und Kohlenmonoxid C≡O erwähnt. Wenn das Molekül keine Wasserstoffatome enthält und es auch zwei terminale C = O gibt, ist es ein Kohlenoxid, C _n O ₂ . Für n gleich 3 haben wir:

O = C = C = C = O.

Das ist, als ob zwei C≡O-Moleküle durch einen Kohlenstoff verbunden und getrennt wären.

Carbonylverbindungen können nicht nur aus CO-Gas, sondern auch aus Kohlensäure, H ₂ CO ₃ oder OH- (C = O) -OH abgeleitet werden. Hier stellen die beiden OHs R und R 'dar, und durch Ersetzen eines von ihnen oder ihrer Wasserstoffatome werden Derivate der Kohlensäure erhalten.

Und dann gibt es die Derivate der Carbonsäuren RCOOH, die durch Ändern der Identität von R oder Ersetzen eines anderen Atoms oder einer anderen Kette R 'durch H erhalten werden (was zu einem Ester RCOOR' führen würde).

Wie man es in Aldehyden und Ketonen identifiziert

Unterscheidung von Keton und Aldehyd von einer Strukturformel. Quelle: Gabriel Bolívar.

Sowohl Aldehyde als auch Ketone haben die Anwesenheit der Carbonylgruppe gemeinsam. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften sind darauf zurückzuführen. Ihre molekularen Umgebungen sind jedoch in beiden Verbindungen nicht gleich; im ersteren befindet es sich in einer Endposition und im letzteren irgendwo in der Kette.

Im oberen Bild befindet sich die Carbonylgruppe beispielsweise in einer blauen Box. Bei Ketonen muss sich neben dieser Box ein weiteres Kohlenstoff- oder Kettensegment befinden (oben). In Aldehyden kann es nur ein Wasserstoffatom geben (unten).

Wenn sich C = O an einem Ende der Kette befindet, handelt es sich um einen Aldehyd. Das ist der direkteste Weg, um es von einem Keton zu unterscheiden.

ICH WÜRDE

Aber woher wissen Sie experimentell, ob eine unbekannte Verbindung ein Aldehyd oder ein Keton ist? Es gibt zahlreiche Methoden, von spektroskopischen (Absorption von Infrarotstrahlung, IR) bis zu qualitativen organischen Tests.

In Bezug auf qualitative Tests basieren diese auf Reaktionen, bei denen der Analytiker, wenn er positiv ist, eine physikalische Reaktion beobachtet. Farbveränderung, Wärmeabgabe, Blasenbildung usw.

Wenn beispielsweise der Probe eine saure Lösung von K ₂ Cr ₂ O ₇ zugesetzt wird, wandelt sich der Aldehyd in Carbonsäure um, wodurch sich die Farbe der Lösung von orange nach grün ändert (positiver Test). In der Zwischenzeit reagieren Ketone nicht und der Analytiker beobachtet daher keine Farbveränderung (negativer Test).

Ein weiterer Test besteht in der Verwendung des Tollens-Reagens ⁺ , so dass der Aldehyd die Ag ⁺ -Kationen zu metallischem Silber reduziert . Und das Ergebnis: die Bildung eines silbernen Spiegels am Boden des Reagenzglases, in dem die Probe platziert wurde.

Hauptbeispiele

Schließlich wird eine Reihe von Beispielen für Carbonylverbindungen aufgeführt:

-CH ₃ COOH, Essigsäure

-HCOOH, Ameisensäure

-CH ₃ COCH ₃ , Propanon

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-Butanon

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , Acetophenon

-CH ₃ CHO, Ethanal

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, Pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, Benzaldehyd

-CH ₃ CONH ₂ , Acetamid

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , Propylacetat

Wenn nun Beispiele für Verbindungen angeführt werden, die einfach diese Gruppe besitzen, würde die Liste fast endlos werden.

Verweise

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