ลักษณะของกลุ่มคาร์บอนิลคุณสมบัติระบบการตั้งชื่อปฏิกิริยา - เคมี

กลุ่มคาร์บอนิลเป็นออกซิเจนในการทำงานกลุ่มอินทรีย์ที่คล้ายกับก๊าซโมเลกุลก๊าซคาร์บอน มันแสดงเป็น C = O และแม้ว่าจะถือว่าเป็นสารอินทรีย์ แต่ก็สามารถพบได้ในสารประกอบอนินทรีย์ เช่นกรดคาร์บอนิก H ₂ CO ₃หรือในสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกที่มี CO เป็นสารยึดเกาะ

อย่างไรก็ตามมันอยู่ในเคมีของคาร์บอนชีวิตชีวเคมีและสาขาวิทยาศาสตร์เชิงเปรียบเทียบอื่น ๆ ซึ่งกลุ่มนี้มีความสำคัญอย่างมาก ถ้าไม่ใช่สำหรับเขาโมเลกุลจำนวนมากจะไม่สามารถโต้ตอบกับน้ำได้ โปรตีนน้ำตาลกรดอะมิโนไขมันกรดนิวคลีอิกและสารชีวโมเลกุลอื่น ๆ จะไม่มีอยู่สำหรับเขา

กลุ่มคาร์บอนิล. ที่มา: Jü

ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่ากลุ่มนี้มีลักษณะอย่างไรในโครงกระดูกทั่วไปของสารประกอบ สังเกตว่ามันถูกไฮไลต์ด้วยสีฟ้าและถ้าเราเอาสารทดแทน A และ B ออก (R หรือ R 'ถูกต้องเท่ากัน) ก็จะมีโมเลกุลของคาร์บอนมอนอกไซด์ การปรากฏตัวของสารทดแทนเหล่านี้กำหนดโมเลกุลอินทรีย์จำนวนมาก

ถ้า A และ B เป็นอะตอมอื่นที่ไม่ใช่คาร์บอนเช่นโลหะหรือองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะก็สามารถมีสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกหรืออนินทรีย์ได้ตามลำดับ ในกรณีของเคมีอินทรีย์สารทดแทน A และ B จะเป็นอะตอมของไฮโดรเจนโซ่คาร์บอนเส้นมีหรือไม่มีกิ่งวงรอบหรือวงแหวนอะโรมาติก

นี่คือวิธีที่จะเริ่มเข้าใจว่าเหตุใดกลุ่มคาร์บอนิลจึงเป็นเรื่องปกติสำหรับผู้ที่ศึกษาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติหรือวิทยาศาสตร์สุขภาพ มันมีอยู่ทั่วไปและหากปราศจากกลไกระดับโมเลกุลที่เกิดขึ้นในเซลล์ของเราก็จะไม่เกิดขึ้น

หากสามารถสรุปความเกี่ยวข้องได้ก็จะกล่าวได้ว่ามีส่วนก่อให้เกิดความเป็นขั้วความเป็นกรดและปฏิกิริยาต่อโมเลกุล ในกรณีที่มีหมู่คาร์บอนิลมีความเป็นไปได้สูงว่าเมื่อถึงจุดนั้นโมเลกุลสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นจึงเป็นพื้นที่เชิงกลยุทธ์ในการพัฒนาการสังเคราะห์สารอินทรีย์ผ่านการออกซิเดชั่นหรือการโจมตีด้วยนิวคลีโอฟิลิก

ลักษณะและคุณสมบัติของหมู่คาร์บอนิล

ลักษณะโครงสร้างของกลุ่มคาร์บอนิล ที่มา: Azaline Gomberg

ลักษณะโครงสร้างและอิเล็กทรอนิกส์ของกลุ่มคาร์บอนิลคืออะไร? ด้านบนสามารถมองเห็นได้ตอนนี้ใช้ตัวอักษร R ¹และ R ²แทน A และ B ซึ่งมีอยู่ระหว่างอะตอมของสารทดแทนและอะตอมของออกซิเจนที่ทำมุม 120 ° C; นั่นคือเรขาคณิตรอบ ๆ กลุ่มนี้เป็นระนาบตรีโกณมิติ

สำหรับเรื่องนี้จะเป็นรูปทรงเรขาคณิตคาร์บอนและออกซิเจนอะตอมจำเป็นต้องมี SP ²ผสมพันธุ์เคมี; ดังนั้นคาร์บอนจะมีออร์บิทัล sp ^{2 3}วงเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์เดี่ยวกับ R ¹และ R ²และออร์บิทัลบริสุทธิ์เพื่อสร้างพันธะคู่กับออกซิเจน

สิ่งนี้อธิบายว่าพันธะคู่ C = O มีได้อย่างไร

หากสังเกตภาพจะเห็นว่าออกซิเจนมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงกว่าคาร์บอนδ + นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าออกซิเจนเป็นอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าคาร์บอนดังนั้นมันจึง "โรบ" ด้วยความหนาแน่นของอิเล็กตรอน และไม่เพียง แต่เขาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารทดแทน R ¹และ R ²ด้วย

ดังนั้นโมเมนต์ไดโพลถาวรจึงถูกสร้างขึ้นซึ่งอาจมีขนาดมากกว่าหรือน้อยกว่าขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุล ที่ใดก็ตามที่มีหมู่คาร์บอนิลจะมีโมเมนต์ไดโพล

โครงสร้างเรโซแนนซ์

โครงสร้างการสั่นพ้องทั้งสองสำหรับกลุ่มอินทรีย์นี้ ที่มา: Mfomich

ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของอิเล็กโทรเนกาติวิตีของออกซิเจนก็คือในกลุ่มคาร์บอนิลมีโครงสร้างเรโซแนนซ์ที่กำหนดไฮบริด (การรวมกันของโครงสร้างทั้งสองในภาพบน) สังเกตว่าอิเล็กตรอนคู่นี้สามารถเคลื่อนย้ายไปยังออร์บิทัลของออกซิเจนซึ่งทำให้อะตอมของคาร์บอนมีประจุบวกบางส่วน คาร์บอเนต

โครงสร้างทั้งสองประสบความสำเร็จอย่างต่อเนื่องดังนั้นคาร์บอนจึงมีการขาดอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่อง นั่นคือสำหรับไอออนบวกที่อยู่ใกล้กับมันมากพวกเขาจะได้รับแรงผลักจากไฟฟ้าสถิต แต่ถ้าเป็นแอนไอออนหรือสิ่งมีชีวิตที่สามารถบริจาคอิเล็กตรอนได้คุณจะรู้สึกถึงแรงดึงดูดที่แข็งแกร่งสำหรับคาร์บอนนี้

จากนั้นสิ่งที่เรียกว่าการโจมตีของนิวคลีโอฟิลิกจะเกิดขึ้นซึ่งจะอธิบายในส่วนอนาคต

ศัพท์เฉพาะ

เมื่อสารประกอบมีหมู่ C = O แสดงว่าเป็นคาร์บอนิล ดังนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของสารประกอบคาร์บอนิลจึงมีกฎการตั้งชื่อของตัวเอง

แม้ว่าไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตามพวกเขาทั้งหมดมีกฎร่วมกัน: C = O ให้ความสำคัญกับห่วงโซ่คาร์บอนเมื่อแสดงรายการอะตอมของคาร์บอน

ซึ่งหมายความว่าหากมีกิ่งก้านอะตอมฮาโลเจนหมู่ฟังก์ชันไนโตรเจนพันธะคู่หรือสามพันธะไม่มีใครสามารถมีหมายเลขระบุตำแหน่งน้อยกว่า C = O ได้ ดังนั้นโซ่ที่ยาวที่สุดจึงเริ่มถูกระบุว่าใกล้เคียงกับกลุ่มคาร์บอนิลมากที่สุด

ในทางกลับกันหากมี C = O อยู่หลายตัวในโซ่และหนึ่งในนั้นเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มฟังก์ชันที่สูงกว่ากลุ่มคาร์บอนิลจะมีตัวระบุตำแหน่งที่ใหญ่กว่าและจะถูกกล่าวถึงว่าเป็นสารทดแทน oxo

และลำดับชั้นนี้คืออะไร? ต่อไปนี้จากสูงสุดไปต่ำสุด:

- กรดคาร์บอกซิลิก RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyde, RCOH (หรือ RCHO)

-Ketone, RCOR

การแทนที่ R และ R 'สำหรับส่วนของโมเลกุลสารประกอบคาร์บอนิลจำนวนไม่สิ้นสุดมีต้นกำเนิดมาจากตระกูลข้างต้น: กรดคาร์บอกซิลิกเอสเทอร์เอไมด์ ฯลฯ แต่ละคนมีความเกี่ยวข้องกับระบบการตั้งชื่อแบบดั้งเดิมหรือ IUPAC

การเกิดปฏิกิริยา

การโจมตีของนิวคลีโอฟิลิก

นิวคลีโอฟิลิกโจมตีกลุ่มคาร์บอนิล ที่มา: Benjah-bmm27

ภาพบนแสดงการโจมตีของนิวคลีโอฟิลิกที่กลุ่มคาร์บอนิลได้รับความเดือดร้อน นิวคลีโอไฟล์ Nu ^-อาจเป็นแอนไอออนหรือสิ่งมีชีวิตที่เป็นกลางที่มีคู่อิเล็กตรอนที่มีอยู่ เช่นแอมโมเนีย, NH ₃เป็นต้น มีลักษณะเฉพาะสำหรับคาร์บอนเนื่องจากตามโครงสร้างเรโซแนนซ์มีประจุบวกบางส่วน

ประจุบวกดึงดูด Nu ^-ซึ่งจะพยายามเข้าหาโดย "ด้านข้าง" เพื่อให้มีสิ่งกีดขวางน้อยที่สุดจากสารทดแทน R และ R ' ขึ้นอยู่กับว่ามันใหญ่แค่ไหนหรือขนาดของ Nu ^{- ตัวมันเอง}การโจมตีจะเกิดขึ้นในมุมที่ต่างกันψ; สามารถเปิดหรือปิดได้มาก

เมื่อการโจมตีเกิดขึ้นเป็นสารประกอบกลาง Nu-CRR'-O ^{- จะเกิดขึ้น} ; นั่นคือออกซิเจนจะเหลืออิเล็กตรอนคู่หนึ่งเพื่อให้ Nu ^-เพิ่มเข้าไปในหมู่คาร์บอนิล

ออกซิเจนที่มีประจุลบนี้สามารถแทรกแซงในขั้นตอนอื่น ๆ ของปฏิกิริยาได้ โปรตอนเป็นหมู่ไฮดรอกซิล OH หรือปล่อยออกมาเป็นโมเลกุลของน้ำ

กลไกที่เกี่ยวข้องเช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ได้รับจากการโจมตีนี้มีความหลากหลายมาก

สัญญาซื้อขายล่วงหน้า

ตัวแทนนิวคลีโอฟิลิก Nu ^-อาจมีได้หลายชนิด สำหรับแต่ละตัวโดยเฉพาะเมื่อทำปฏิกิริยากับกลุ่มคาร์บอนิลอนุพันธ์ต่างกันจะเกิดขึ้น

ตัวอย่างเช่นเมื่อกล่าวว่าตัวแทนนิวคลีโอฟิลิกเป็นเอมีน NH ₂ R จะเกิด imines ขึ้น R ₂ C = NR; ถ้าเป็นไฮดรอกซิลามีน NH ₂ OH จะก่อให้เกิดออกไซด์ RR'C = NOH; ถ้าเป็นไอออนของไซยาไนด์จะมีการผลิตCN ^- , cyanohydrins, RR'C (OH) CN และอื่น ๆ กับสายพันธุ์อื่น ๆ

การลดลง

ตอนแรกบอกว่ากลุ่มนี้เป็นออกซิเจนจึงเป็นสนิม ซึ่งหมายความว่าตามเงื่อนไขสามารถลดหรือสูญเสียพันธะกับอะตอมของออกซิเจนได้โดยการแทนที่ด้วยไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่น:

C = O => CH ₂

การเปลี่ยนแปลงนี้บ่งชี้ว่ากลุ่มคาร์บอนิลลดลงเป็นกลุ่มเมทิลีน มีการเพิ่มขึ้นของไฮโดรเจนอันเป็นผลมาจากการสูญเสียออกซิเจน ในแง่ทางเคมีที่เหมาะสมกว่า: สารประกอบคาร์บอนิลจะลดลงเป็นอัลเคน

ถ้าเป็นคีโตน RCOR 'ต่อหน้าไฮดราซีน H ₂ N-NH ₂และตัวกลางขั้นพื้นฐานอย่างยิ่งสามารถลดลงเป็นอัลเคนตามลำดับ ปฏิกิริยานี้เรียกว่าการลดลงของ Wolff-Kishner:

การลด Wolff-Kishner ที่มา: Jü

หากในทางกลับกันส่วนผสมของปฏิกิริยาประกอบด้วยสังกะสีที่ผสมและกรดไฮโดรคลอริกปฏิกิริยาจะเรียกว่าการลด Clemmensen:

ลด Clemmensen ที่มา: Wikimedia Commons

การก่อตัวของอะซิทัลและคีทาล

กลุ่มคาร์บอนิลไม่เพียงสามารถเพิ่มสารนิวคลีโอฟิลิก Nu ^-แต่ภายใต้สภาวะที่เป็นกรดมันยังสามารถทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์ด้วยกลไกที่คล้ายกัน

เมื่ออัลดีไฮด์หรือคีโตนบางส่วนทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์จะมีการผลิต hemiacetals หรือ hemicetals ตามลำดับ หากปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ผลิตภัณฑ์คืออะซิทัลและคีทัล สมการทางเคมีต่อไปนี้สรุปและชี้แจงข้างต้นได้ดีขึ้น:

RCHO + R ³ OH g RCHOH (หรือ³ ) (Hemiacetal) + R ⁴ OH g RCH (หรือ³ ) (หรือ⁴ ) (Acetal)

RCOR ² + R ³ OH g RCOR ² (OH) (หรือ³ ) (Hemicetal) + R ⁴ OH g RCOR ² (หรือ³ ) (หรือ⁴ ) (ketal)

ปฏิกิริยาแรกสอดคล้องกับการก่อตัวของ hemiacetals และ acetals จากอัลดีไฮด์และครั้งที่สองของ hemicetals และ ketals จากคีโตน

สมการเหล่านี้อาจไม่ง่ายพอที่จะอธิบายการก่อตัวของสารประกอบเหล่านี้ อย่างไรก็ตามสำหรับแนวทางแรกในเรื่องนี้ก็เพียงพอที่จะเข้าใจว่ามีการเติมแอลกอฮอล์และโซ่ด้านข้าง R (R ³และ R ⁴ ) เชื่อมโยงกับคาร์บอนคาร์บอนิล นั่นคือเหตุผลที่ OR ³และ OR ^{4 ถูกเพิ่ม}เข้าไปในโมเลกุลเริ่มต้น

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างอะซีตัลและคีตัลคือการมีอะตอมของไฮโดรเจนที่ยึดติดกับคาร์บอน สังเกตว่าคีโตนขาดไฮโดรเจนนี้

ประเภท

คล้ายกันมากตามที่อธิบายไว้ในส่วนระบบการตั้งชื่อสำหรับกลุ่มคาร์บอนิลประเภทของมันเป็นฟังก์ชันที่เป็นสารทดแทน A และ B หรือ R และ R ' ดังนั้นจึงมีลักษณะโครงสร้างที่แบ่งชุดของสารประกอบคาร์บอนิลนอกเหนือจากลำดับหรือประเภทของพันธะ

ตัวอย่างเช่นการกล่าวถึงเกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการเปรียบเทียบระหว่างกลุ่มนี้กับคาร์บอนมอนอกไซด์C≡O ถ้าโมเลกุลไร้อะตอมไฮโดรเจนและถ้ายังมีสองขั้ว C = O แล้วมันจะเป็นออกไซด์คาร์บอน C _n O 2สำหรับ n เท่ากับ 3 เราจะมี:

O = C = C = C = O

ซึ่งเหมือนกับว่ามีโมเลกุลC≡Oสองตัวเชื่อมและคั่นด้วยคาร์บอน

สารประกอบคาร์บอนิลไม่เพียง แต่ได้มาจากก๊าซ CO เท่านั้น แต่ยังมาจากกรดคาร์บอนิก H ₂ CO ₃หรือ OH- (C = O) -OH ที่นี่ OH สองตัวแสดงถึง R และ R 'และแทนที่ตัวใดตัวหนึ่งหรือไฮโดรเจนของพวกมันจะได้อนุพันธ์ของกรดคาร์บอนิก

จากนั้นก็มีอนุพันธ์ของกรดคาร์บอกซิลิก RCOOH ที่ได้จากการเปลี่ยนอัตลักษณ์ของ R หรือแทนที่ H สำหรับอะตอมหรือโซ่อื่น R '(ซึ่งจะทำให้เกิดเอสเทอร์ RCOOR')

วิธีระบุในอัลดีไฮด์และคีโตน

ความแตกต่างของคีโตนและอัลดีไฮด์จากสูตรโครงสร้าง ที่มา: Gabriel Bolívar

ทั้งอัลดีไฮด์และคีโตนมีกลุ่มคาร์บอนิลเหมือนกัน คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของมันเกิดจากมัน อย่างไรก็ตามสภาพแวดล้อมทางโมเลกุลของพวกมันไม่เหมือนกันในสารประกอบทั้งสอง ในอดีตมันอยู่ในตำแหน่งเทอร์มินัลและในภายหลังที่ใดก็ได้ในโซ่

ตัวอย่างเช่นในภาพด้านบนกลุ่มคาร์บอนิลจะอยู่ในกล่องสีน้ำเงิน ในคีโตนถัดจากกล่องนี้จะต้องมีส่วนคาร์บอนหรือโซ่อื่น (ด้านบน) ในขณะที่อยู่ในอัลดีไฮด์สามารถมีไฮโดรเจนได้เพียงหนึ่งอะตอมเท่านั้น (ด้านล่าง)

ถ้า C = O อยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของโซ่มันจะเป็นอัลดีไฮด์ นั่นเป็นวิธีที่ตรงที่สุดในการแยกความแตกต่างจากคีโตน

ID

แต่คุณจะรู้ได้อย่างไรว่าสารประกอบที่ไม่รู้จักเป็นอัลดีไฮด์หรือคีโตน? มีหลายวิธีตั้งแต่สเปกโตรสโกปี (การดูดกลืนรังสีอินฟราเรด IR) หรือการทดสอบอินทรีย์เชิงคุณภาพ

เกี่ยวกับการทดสอบเชิงคุณภาพสิ่งเหล่านี้ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาที่นักวิเคราะห์จะสังเกตการตอบสนองทางกายภาพเมื่อเป็นบวก การเปลี่ยนสีการปล่อยความร้อนการก่อตัวของฟอง ฯลฯ

ตัวอย่างเช่นเมื่อเติมสารละลายกรดของ K ₂ Cr ₂ O ₇ลงในตัวอย่างอัลดีไฮด์จะเปลี่ยนเป็นกรดคาร์บอกซิลิกซึ่งทำให้สีของสารละลายเปลี่ยนจากสีส้มเป็นสีเขียว (การทดสอบเชิงบวก) ในขณะเดียวกันคีโตนไม่ทำปฏิกิริยาดังนั้นนักวิเคราะห์จึงไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนสีใด ๆ (การทดสอบเชิงลบ)

การทดสอบอื่นประกอบด้วยการใช้รีเอเจนต์ Tollens, ⁺เพื่อให้อัลดีไฮด์ลด Ag ⁺ cations เป็นโลหะเงิน และผลลัพธ์: การก่อตัวของกระจกสีเงินที่ด้านล่างของหลอดทดลองที่วางตัวอย่าง

ตัวอย่างหลัก

ในที่สุดชุดตัวอย่างของสารประกอบคาร์บอนิลจะแสดงไว้:

-CH ₃ COOH กรดอะซิติก

-HCOOH กรดฟอร์มิก

-CH ₃ COCH ₃โพรพาโนน

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanone

-C ₆ H ₅ COCH _{3 อะ}ซิโตฟีน

-CH ₃ CHO เอทานอล

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO เพนทานัล

-C ₆ H ₅ CHO เบนซาลดีไฮด์

-CH ₃ CONH _{2 อะซิตาไม}ด์

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃โพรพิลอะซิเตต

ตอนนี้หากมีการอ้างถึงตัวอย่างของสารประกอบที่มีกลุ่มนี้อยู่รายการก็จะกลายเป็นที่สิ้นสุด

อ้างอิง

Morrison, RT และ Boyd, R, N. (1987) เคมีอินทรีย์. พิมพ์ครั้งที่ 5. บรรณาธิการ Addison-Wesley Interamericana
แครี่ F. (2008). เคมีอินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่หก). Mc Graw Hill
Graham Solomons TW, Craig B.Fryhle (2011) เคมีอินทรีย์. เอมีน (พิมพ์ครั้งที่ 10.). ไวลีย์พลัส
เรดแดเนียล (2019) กลุ่มคาร์บอนิล: คุณสมบัติและภาพรวม ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
ชาร์ลีนอกวีศิริ. (05 มิถุนายน 2562). กลุ่มคาร์บอนิล เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
Wiki Kids Ltd. (2018). สารประกอบคาร์บอนิล กู้คืนจาก: just.science
Toppr (เอสเอฟ) ระบบการตั้งชื่อและโครงสร้างของกลุ่มคาร์บอนิล สืบค้นจาก: toppr.com
คลาร์กเจ. (2015). ออกซิเดชันของอัลดีไฮด์และคีโตน สืบค้นจาก: chemguide.co.uk

ลักษณะของกลุ่มคาร์บอนิลคุณสมบัติระบบการตั้งชื่อปฏิกิริยา - เคมี - 2026