קבוצת קרבוניל: מאפיינים, תכונות, שמות, תגובתיות - כִּימִיָה - 2025

קבוצת קרבוניל היא קבוצה פונקציונאלי אורגנית מחומצן דומת מולקולת תחמוצת הפחמן הגזים. זה מיוצג כ- C = O, ולמרות שהוא נחשב אורגני, אפשר למצוא אותו גם בתרכובות אורגניות; כמו חומצה פחמנית, H ₂ CO ₃ , או בתרכובות אורגנו-מתכתיות עם CO כקלסר.

עם זאת, מדובר בכימיה של פחמן, חיים, ביוכימיה וסניפים מדעיים אנלוגיים אחרים שבהם הקבוצה הזו בולטת בחשיבותה העצומה. אם זה לא היה בשבילו, מולקולות רבות לא היו מסוגלות לתקשר עם מים; לא היו קיימים חלבונים, סוכרים, חומצות אמינו, שומנים, חומצות גרעין ושאר ביולקולקולות אחרות.

קבוצת קרבוניל. מקור: Jü

בתמונה למעלה נראה כיצד נראית קבוצה זו בשלד הכללי של מתחם. שימו לב שהוא מודגש על ידי הצבע הכחול, ואם היינו מסירים את התחליפים A ו- B (R או R ', תקפים באותה מידה), הייתה מולקולת פחמן חד-חמצני. נוכחותם של תחליפים אלה מגדירה מספר רב של מולקולות אורגניות.

אם A ו- B הם אטומים שאינם פחמן, כמו מתכות או אלמנטים לא מתכתיים, יכולים להיות תרכובות אורגנו-מתכתיות או אורגניות, בהתאמה. במקרה של כימיה אורגנית, התחליפים A ו- B יהיו תמיד אטומי מימן, שרשראות פחמן, קווים, עם או בלי ענפים, טבעות מחזוריות או ארומטיות.

כך זה מתחיל להבין מדוע קבוצת הפחמן נפוצה למדי עבור אלו שלומדים מדעי הטבע או הבריאות; הוא נמצא בכל מקום ובלעדיו המנגנונים המולקולריים המתרחשים בתאים שלנו לא היו מתרחשים.

אם ניתן לסכם את הרלוונטיות שלה, נאמר שהיא תורמת קוטביות, חומציות ותגובה למולקולה. במקום שיש קבוצה קרבונילית, סביר להניח כי בדיוק באותה נקודה המולקולה יכולה לעבור טרנספורמציה. לכן זהו אתר אסטרטגי לפיתוח סינתזה אורגנית באמצעות חמצון או התקפות נוקלאופיליות.

מאפיינים ותכונות של קבוצת הקרבוניל

מאפיינים מבניים של קבוצת הקרבוניל. מקור: אזלין גומברג.

מהם המאפיינים המבניים והאלקטרוניים של קבוצת הקרבוניל? מעל ניתן לראות, כיום באמצעות האותיות R ¹ ו- R ² במקום A ו- B, כי קיים בין התחליפים לאטום החמצן זווית של 120 מעלות צלזיוס; כלומר הגיאומטריה סביב קבוצה זו היא מישור טריגונאלי.

כדי שזו תהיה הגאומטריה, אטומי הפחמן והחמצן חייבים בהכרח להיות הכלאה כימית sp ² ; וכך, פחמן יהיה שלוש sp ² אורביטלים ליצירת קשרים קוולנטיים יחידים עם R ¹ ו R ² , וכן טהור p מסלולית כדי קשר כפול עם חמצן.

זה מסביר כיצד יכול להיות קשר כפול C = O.

אם נצפה את התמונה, נראה גם כי לחמצן יש צפיפות אלקטרונים גבוהה יותר, δ, מאשר פחמן, δ +. זה נובע מהעובדה שהחמצן הוא אלקטרונגטיבי יותר מפחמן, ולכן "שודד" אותו מצפיפות אלקטרונים; ולא רק הוא, אלא גם תחליפי R ¹ ו- R ² .

כתוצאה מכך נוצר רגע דיפול קבוע שיכול להיות בעוצמה גדולה יותר או פחות בהתאם למבנה המולקולרי. בכל מקום שיש קבוצה קרבונילית, יהיו רגעי דיפול.

מבני תהודה

שני מבני התהודה לקבוצה אורגנית זו. מקור: מפומיץ '

תוצאה נוספת של האלקטרוניטיביות של חמצן היא שבקבוצת הקרבוניל ישנם מבני תהודה המגדירים הכלאה (השילוב של שני המבנים בתמונה העליונה). שימו לב, זוג האלקטרונים יכולים לנדוד לעבר מסלול החמצן, אשר משאיר לאטום הפחמן מטען חלקי חיובי; קרבוקציה.

שני המבנים מצליחים ללא הרף, ולכן הפחמן שומר על מחסור מתמיד באלקטרונים; כלומר, עבור קטיונים הקרובים מאוד אליו הם יחוו דחייה אלקטרוסטטית. אבל, אם זה אניון, או מין המסוגל לתרום אלקטרונים, תרגישו משיכה חזקה לפחמן זה.

ואז מתרחש מה שמכונה התקף נוקלאופיל, שיוסבר בחלק עתידי.

מִנוּחַ

כאשר לתרכובת יש את הקבוצה C = O, אומרים שהיא קרבוניל. לפיכך, בהתאם לאופי של תרכובת הקרבוניל, יש לה כללי ננומטוריה משלה.

למרות שלא משנה מה זה, כולם חולקים כלל משותף: C = O מקבל עדיפות בשרשרת הפחמן בעת ​​רישום אטומי פחמן.

משמעות הדבר היא שאם ישנם ענפים, אטומי הלוגן, קבוצות חנקניות פונקציונליות, קשרים כפולים או משולשים, אף אחד מהם אינו יכול לשאת מספר איתור נמוך מ- C = O; לפיכך, השרשרת הארוכה ביותר מתחילה להיות רשומה קרוב ככל האפשר לקבוצת הקרבוניל.

אם לעומת זאת, יש כמה C = O בשרשרת, ואחד מהם הוא חלק מקבוצה פונקציונלית גבוהה יותר, אז הקבוצה הקרבונילית תישא איתור גדול יותר ותוזכר כתחליף אוקסו.

ומהי ההיררכיה הזו? להלן, מהגבוה ביותר לנמוך ביותר:

חומצות קרבוקסיליות, RCOOH

-אסטר, RCOOR '

-ממשיך, RCONH ₂

-אלדהייד, RCOH (או RCHO)

-קטון, RCOR

החלפת R ו- R 'עבור מקטעים מולקולריים, מקור אינסופי של תרכובות קרבוניל מיוצג על ידי המשפחות שלמעלה: חומצות קרבוקסיליות, אסטרים, amides וכו'. כל אחת קשורה למינוף המסורתי שלה או ל- IUPAC.

תגובתיות

התקף נוקלאופילי

התקף נוקלאופילי על קבוצת הקרבוניל. מקור: Benjah-bmm27

התמונה העליונה מציגה את ההתקף הנוקלאופילי שספגה קבוצת הפחמן. הנוקלאופיל, נו ^- , יכול להיות אניון או מין ניטרלי עם זוגות אלקטרונים זמינים; כמו אמוניה, NH ₃ , למשל. הוא מחפש פחמן באופן בלעדי מכיוון שלפי מבני התהודה, יש לו מטען חלקי חיובי.

המטען החיובי מושך את Nu ^- , אשר יבקש להתקרב על ידי "אגף" כך שיש את המכשול הפחות סטרילי מתחליפי R ו- R. תלוי כמה הם מגושמים, או בגודל Nu ^{- עצמו} , ההתקפה תתרחש בזוויות שונות ψ; זה יכול להיות מאוד פתוח או סגור.

לאחר הפיגוע מתרחש, תרכובת ביניים, Nu-CRR'-O ^{- תוקם} ; כלומר, החמצן נשאר עם זוג האלקטרונים כדי לאפשר נו ^- כדי להוסיף לקבוצה קרבוניל.

חמצן טעון שלילי יכול להתערב בשלבים אחרים של התגובה; פרוטונציה כקבוצה הידרוקסיל, OH, או משוחררת כמולקולת מים.

המנגנונים המעורבים, כמו גם מוצרי התגובה המתקבלים בהתקפה זו, מגוונים מאוד.

נגזרים

הסוכן הנוקלאופילי Nu ^- יכול להיות ממינים רבים. עבור כל אחת באופן ספציפי, כאשר מגיבים עם קבוצת הקרבוניל, נגזרות נגזרות שונות.

לדוגמה, כאשר אמר הסוכן nucleophilic הוא אמין, NH ₂ R, imines להתעורר, R ₂ C = NR; אם מדובר בהידרוקסילאמין, NH ₂ OH, מוליד oximes, RR'C = NOH; אם זה אניון הציאניד , נוצרים CN ^- , ציאנוהידרינים, RR'C (OH) CN וכן הלאה עם מינים אחרים.

צִמצוּם

תחילה נאמר שהקבוצה הזו מחומצן, ולכן חלודה. משמעות הדבר היא, בהינתן התנאים, ניתן להפחית אותה או לאבד קשרים עם אטום החמצן על ידי החלפתו במיוגן. לדוגמה:

C = O => CH ₂

טרנספורמציה זו מצביעה על כך שקבוצת הקרבוניל הופחתה לקבוצת מתילן; היה עלייה במימן כתוצאה מאובדן החמצן. במונחים כימיים מתאימים יותר: תרכובת הקרבוניל מצטמצמת לאלקן.

אם מדובר בקטון, RCOR ', בנוכחות הידרזין, ניתן להפחית H ₂ N-NH ₂ , ומדיום בסיסי מאוד לאלקן שלו; תגובה זו מכונה צמצום וולף-קישנר:

צמצום וולף-קישנר. מקור: Jü

אם מצד שני תערובת התגובה מורכבת מאבץ מעורבב וחומצה הידרוכלורית, התגובה ידועה כקיצור קלמנסן:

צמצום קלמנסן. מקור: Wikimedia Commons.

היווצרות אצטלים וקטלים

קבוצת הקרבוניל יכולה לא רק להוסיף סוכנים נוקלאופיליים Nu ^- , אלא שבתנאים חומציים היא יכולה גם להגיב עם אלכוהולים על ידי מנגנונים דומים.

כאשר אלדהיד או קטון מגיבים באופן חלקי עם אלכוהול, מייצרים hemiacetals או hemicetals בהתאמה. אם התגובה הושלמה, המוצרים הם אצטלים וקטאלים. המשוואות הכימיות הבאות מסכמות ומבהירות טוב יותר את האמור לעיל:

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 ) (קטאל)

התגובה הראשונה תואמת את היווצרות המיאטתלים והאצטלים מאלדהיד, והשנייה של המיסתלים והקטלים מקטון.

יתכן שמשוואות אלה אינן פשוטות בכדי להסביר את היווצרותם של תרכובות אלה; עם זאת, לגישה ראשונה לנושא, די להבין שמוסיפים אלכוהולים, וכי שרשראות הצד R-R שלהם (R ³ ו- R ⁴ ) נקשרות לפחמן הפחמתי. זו הסיבה ש- OR ³ ו- OR ^{4 מתווספים} למולקולה הראשונית.

ההבדל העיקרי בין אצטל וקטאל הוא נוכחות אטום המימן הקשור לפחמן. שים לב שלקטון חסר מימן זה.

סוגים

דומה מאוד כמוסבר בקטע של המינוף לקבוצת הפחמן, שהסוגים שלו הם התפקידים תחליפים A ו- B, או R ו- R '. לכן, ישנם תכונות מבניות החולקות סדרה של תרכובות קרבוניל מעבר לסדר או לסוג הקשרים.

לדוגמה, הוזכר בתחילת האנלוגיה בין קבוצה זו לבין חד תחמוצת הפחמן, C≡O. אם המולקולה נטולת אטומי מימן ואם יש גם שני סופניים C = O, אז תהיה תחמוצת הפחמן, _Cn O ₂ . עבור n שווה ל 3, יהיה לנו:

O = C = C = C = O

שזה כאילו היו שתי מולקולות C≡O המחוברות ומופרדות על ידי פחמן.

תרכובות פחמימות לא יכולות להיות נגזרות רק מגז CO, אלא גם מחומצה פחמנית, H ₂ CO ₃ או OH- (C = O) -OH. כאן שני OHs מייצגים R ו- R ', ועל ידי החלפת אחד מהם או הידרוגנים שלהם, מתקבלות נגזרות של חומצה פחמית.

וישנן נגזרות של חומצות קרבוקסיליות, RCOOH, המתקבלות על ידי שינוי זהויות של R, או החלפת H עבור אטום אחר או שרשרת R '(שתוליד אסתר, RCOOR').

כיצד לזהות אותו באלדהידים ובקטונים

בידול קטון ואלדהיד מנוסחה מבנית. מקור: גבריאל בוליבר.

משותפים לאלדהידים וקטונים יחד עם נוכחות קבוצת הקרבוניל. תכונותיו הכימיות והפיזיקליות נובעות ממנו. עם זאת, הסביבות המולקולריות שלהם אינן זהות בשני התרכובות; בראשון זה הוא במצב סופני, ובאחרון, בכל מקום בשרשרת.

לדוגמה, בתמונה העליונה הקבוצה הפחמנית נמצאת בתוך קופסה כחולה. בקטונים, ליד תיבה זו חייב להיות עוד קטע פחמן או שרשרת (למעלה); ואילו באלדהידים, יכול להיות רק אטום מימן אחד (התחתון).

אם C = O נמצא בקצה אחד של השרשרת, זה יהיה אלדהיד; זו הדרך הישירה ביותר להבדיל את זה מקטון.

תְעוּדַת זֶהוּת

אבל איך אתה יודע באופן ניסיוני אם תרכובת לא ידועה היא אלדהיד או קטון? ישנן מספר שיטות, החל מבדיקות ספקטרוסקופיות (ספיגת קרינת אינפרא אדום, IR), או בדיקות אורגניות איכותיות.

לגבי בדיקות איכותיות, אלה מבוססים על תגובות שכאשר חיוביות, המטפל ישמור על תגובה פיזית; שינוי צבע, שחרור חום, היווצרות בועה וכו '.

לדוגמא, כאשר מתווספת דגימה תמיסה חומצתית של K ₂ Cr ₂ O ₇ , האלדהיד יהפוך לחומצה קרבוקסילית, מה שגורם לצבע התמיסה להשתנות כתום לירוק (מבחן חיובי). בינתיים קטונים אינם מגיבים, ולכן האנליטיקאי אינו רואה שום שינוי צבע (מבחן שלילי).

בדיקה נוספת מורכבת משימוש במגיב Tollens ⁺ , כך שהאלדהיד מצמצם את הקטיונים Ag ⁺ לכסף מתכתי. והתוצאה: היווצרות של מראה כסופה בתחתית המבחנה בה הוצבה הדגימה.

דוגמאות עיקריות

לבסוף תופיע שורה של דוגמאות לתרכובות קרבוניל:

-CH ₃ COOH, חומצה אצטית

-HCOOH, חומצה פורמית

-CH ₃ COCH ₃ , פרופנון

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanone

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , אצטופנון

-CH ₃ CHO, אתנל

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, פנטנל

-C ₆ H ₅ CHO, בנזלאלדהיד

-CH ₃ CONH ₂ , אצטמיד

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , פרופיל אצטט

כעת, אם מצוטטים דוגמאות לתרכובות שפשוט מחזיקות בקבוצה זו, הרשימה הייתה הופכת כמעט אינסופית.

הפניות

1. מוריסון, RT ובויד, R, N. (1987). כימיה אורגנית. המהדורה החמישית. עורכת אדיסון ווסלי אינטרמריקנה.
2. קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
3. גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. אמינים. (מהדורה 10). וויילי פלוס.
4. ריד דניאלה. (2019). קבוצת קרבוניל: מאפיינים וסקירה כללית. לימוד. התאושש מ: study.com
5. שרלין אגבטסירי. (05 ביוני, 2019). קבוצת הקרבוניל. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). תרכובות קרבוניל. התאושש מ: פשוט. מדע
7. Toppr. (sf). המינוח והמבנה של קבוצת הפחמן. התאושש מ: toppr.com
8. קלארק ג'יי (2015). חמצון של אלדהידים וקטונים. התאושש מ: chemguide.co.uk