Bild:“ Chemistry “ von Quinn Dombrowski. Lizenz: CC BY-SA 2.0
Carbonylverbindungen
Carbonylverbindungen sind in der organischen Chemie eine funktionelle Gruppe, die aus einem Kohlenstoffatom mit Doppelbindung zu einem Sauerstoffatom besteht., Viele verschiedene Arten von Carbonylverbindungen sind in der Natur vorhanden. Sie alle enthalten eine Acylgruppe (R-C=O) mit einem anderen daran befestigten Substituenten. Der R-Teil der Struktur kann ein beliebiges Alkyl, Alkphenyl oder Alkynyl sein oder andere funktionelle Gruppen aufweisen.
An die andere Seite der Acylgruppe gebunden ist entweder Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder ein Halogen. Abhängig von den verschiedenen Substituenten, die an die Acylgruppe gebunden sind, können verschiedene Arten von Verbindungen gebildet werden.,acid
(Table was prepared by Mark Xavier Bailon)
Carbonyl compounds are generally divided into 2 groups., Eine Kategorie besteht aus den Aldehyden und Ketonen, die andere aus den Carbonsäuren und ihren Derivaten. Diese beiden Gruppen unterscheiden sich im Allgemeinen in ihren Arten von Chemie und Reaktionen.
Aldehyde und Ketone sind Funktionen im zweiten Oxidationsgrad. Sie gelten als Derivate eines Kohlenwasserstoffs mit Substitution von 2 Wasserstoffatomen im selben Kohlenstoff für einen von Sauerstoff, was zu einer Oxo-Gruppe (=O) führt. Wenn die Substitution an einem Primärkohlenstoff stattfindet, ist die resultierende Verbindung ein Aldehyd und wird mit der Endung-al benannt., Wenn die Substitution auf einem Sekundärkohlenstoff stattfindet, ist es ein Keton und wird mit dem Suffix-one benannt.
Aldehyde und Ketone mit einer H-oder A-C-Bindung an die Acylgruppe können nicht an nukleophilen Substitutionsreaktionen teilnehmen, da diese beiden Atome eine negative Ladung nicht stabilisieren können. Diese Substituenten können aufgrund ihrer Unfähigkeit, negative Ladungen zu stabilisieren, nicht als Kerngruppe an nukleophilen Substitutionsreaktionen teilnehmen.,
Für Carbonsäure und ihre Derivate kann das Atom, das direkt an die Acylgruppe (Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Halogen) gebunden ist, negative Ladungen stabilisieren und kann daher an nukleophilen Substitutionsreaktionen teilnehmen.
Carbonylstruktur
Die Carbonylgruppe ist eine funktionelle Gruppe, die aus Kohlenstoff-und Sauerstoffatomen besteht, die durch eine Doppelbindung verbunden sind. Die Hybridisierung des Kohlenstoffatoms ist sp2 und bildet daher drei σ-Bindungen und eine π-Bindung. Das Sauerstoffatom hingegen bildet eine σ – und π-Bindung mit dem Carbonylkohlenstoff und hat 2 nicht bindende Elektronenpaare.,
Die Differenz zwischen den Elektronegativitätswerten von Kohlenstoff und Sauerstoff erzeugt eine stark polarisierte Doppelbindung. Das Sauerstoffatom ist elektronegativer und neigt daher dazu, Elektronen anzuziehen, wodurch ein teilweise negatives Ende entsteht. Im Gegenzug wird das Kohlenstoffatom durch den Zug der Elektronen zum Sauerstoffatom teilweise positiv.
Nomenklatur von Aldehyden und Ketonen
Bei der Benennung von Aldehyden und Ketonen wird das Terminal –e des entsprechenden Alkans durch –al bzw. Bei Aldehyden sollte die übergeordnete Kette die Gruppe –CHO enthalten., Wenn die Aldehydfunktionsgruppe die funktionelle Gruppe mit der höchsten Priorität ist, wird der Carbonylkohlenstoff als Kohlenstoff 1 zugeordnet. Zum Beispiel im Fall von Propan, wenn zwei der Wasserstoffatome auf dem Endkohlenstoff durch ein Sauerstoffatom ersetzt werden, das doppelt an das Kohlenstoffatom gebunden ist, ist der Name des beschriebenen Aldehyds Propanal.
Ein zyklischer Aldehyd ist eine Verbindung, bei der eine Aldehydgruppe direkt an einen Ring gebunden ist. Bei der Benennung dieser Arten von Verbindungen wird dem Namen der zyklischen Verbindung das Suffix-Carbaldehyd hinzugefügt., Zum Beispiel wird ein Cyclopentan mit einer daran befestigten Aldehydgruppe Cyclopentanecarbaldehyd genannt. Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Aldehydverbindungen mit ihren Namen:
“ Strukturen und Namen einiger Aldehyde.“von Mark Xavier Bailon
Ketone werden benannt, indem das Terminal –e des übergeordneten Kohlenwasserstoffs durch –one ersetzt wird. Für Verbindungen, die Keton als funktionelle Gruppe höchster Priorität enthalten, ist die übergeordnete Kette die längste Kette, die die Ketonfunktionsgruppe enthält., Die Zuordnung einer Kohlenstoffzahl verläuft in der Richtung, die dem Carbonylkohlenstoff die niedrigstmögliche Zahl gibt. Im neuen System der Benennung der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) wird die Ortsnummer vor das Suffix gesetzt.
Die Elternverbindung ist Pentan, da es ein 5-Kohlenstoff-Alkan ist. Die niedrigstmögliche Zahl für den Carbonylkohlenstoff ist 2, wenn die Zählung vom rechten Kohlenstoffatom aus gestartet wird. In diesem Fall lautet der Name der Verbindung pent-2-one.,
Nukleophile Addition
Ein nukleophiles ist jede chemische Spezies, die eine hohe Elektronendichte aufweist und von einem elektrophilen Atom in einem anderen Molekül angezogen wird, wie die niedrige Elektronendichte des Carbonylkohlenstoffs.
Die Carbonylgruppe bietet eine Stelle für die nukleophile Addition (auch bekannt als nukleophiler Angriff) und erhöht den Säuregehalt der an Alpha-Kohlenstoff gebundenen Wasserstoffatome. Diese beiden Effekte stimmen mit der Struktur der Carbonylgruppen überein und sind auf die Fähigkeit von Sauerstoff zurückzuführen, eine negative Ladung aufzunehmen.,
Reaktionen von Aldehyden und Ketonen sind nur auf nucleophile Additionsreaktionen beschränkt. Der Angriff des Nukleophilen erfolgt durch das elektrophile Kohlenstoffatom des Zielmoleküls. Das elektrophile Kohlenstoffatom wird aufgrund der Anziehung von Elektronen zu den Sauerstoffatomen etwas elektronenarm. Aus diesem Grund wird der Carbonylkohlenstoff sehr anfällig für einen nukleophilen Angriff. Die einzige Zugabe des Nukleophils erfolgt, da das H-und C-Atom im Substituenten keine gute Ausgangsgruppe ist.,
Beim Anheften wird die Doppelbindung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff entfernt und eine lokalisierte negative Ladung auf das Sauerstoffatom übertragen, das ein Alkoxid-Zwischenprodukt bildet. Die Protonierung des Zwischenprodukts führt zur Bildung eines neutralen Alkoholzusatzprodukts. Unten ist der Mechanismus der nukleophilen Additionsreaktion:
“ Mechanismus der nukleophilen Additionsreaktion von Aldehyd.“von Mark Xavier Bailon
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind eine wichtige Carbonylverbindung, die in der Natur vorkommt., Sie bestehen aus einer langen Kohlenstoffkette sowie einer Carbonylgruppe oder-gruppe und werden hauptsächlich durch einen Prozess namens Photosynthese synthetisiert. Bei der Photosynthese erleichtern Pflanzen die Reaktion zwischen Kohlendioxid und Wasser in Gegenwart von Sonnenenergie durch Enzyme, die in den Pflanzenzellen vorhanden sind und Kohlenhydrate und Sauerstoffmoleküle produzieren.
Kohlenhydrate sind eine breite Klasse von polyhydroxylierten Aldehyden und Ketonen und werden allgemein als Zucker bezeichnet., Der Begriff Kohlenhydrat wurde von Glukose mit der molekularen Formel von C6H12O6 abgeleitet und wurde ursprünglich als Hydrat von Kohlenstoff angesehen.
Die Anwesenheit der Hydroxylgruppe in Glucose ermöglicht es, einen Ring zu bilden, anstatt ein offenkettiger Aldehyd zu sein. Im Falle von Glucose greift die an Kohlenstoff 5 gebundene Hydroxylgruppe den Carbonylkohlenstoff durch den nucleophilen Additionsmechanismus an.
Da der Angriff von oben oder von unten erfolgen kann, kann die zyklische Form von Glukose entweder in Alpha-oder Beta-Form vorliegen., Wenn die-OH-Gruppe im anomeren Kohlenstoff (ursprünglicher Carbonylkohle) unten ist, ist das Molekül in Alpha –Form, und wenn die-OH-Gruppe oben ist, ist es in seiner Beta-Form. Die spezifischen Formen (auch als Konformationen bezeichnet) dieser Zuckermoleküle sind wichtig, da sie ihre Reaktivität und Fähigkeit beeinflussen, vom Körper metabolisiert zu werden.
Kohlenhydrate liefern mehr als 50% der Energie, die für Stoffwechsel, Wachstum, Reparatur, Sekretion, Absorption, Ausscheidung und mechanische Arbeit benötigt wird., Der Kohlenhydratstoffwechsel umfasst Reaktionen, die von Kohlenhydraten aus Nahrungsquellen oder solchen, die aus Verbindungen anderer Kohlenhydrate gebildet werden, erfahren werden. Die Oxidation dieser Art von Kohlenhydraten ermöglicht Energiespeicherung in Form von Glykogen, Synthese von nicht essentiellen Aminosäuren und Produktion von Fettsäuren in Gegenwart eines Überschusses an Kohlenhydraten.
Oxidation und Reduktion
Oxidations – und Reduktionsreaktionen treten gleichzeitig auf, wenn Elektronen übertragen werden., Wenn ein Molekül oxidiert wird, gibt es ein Elektron an ein benachbartes Molekül ab, das beim Gewinnen des Elektrons reduziert wird.
Im Allgemeinen sind Aldehyde reaktiver als Ketone, da sie aufgrund des Vorhandenseins nur eines H-Atoms anstelle einer Alkylgruppe als Substituent weniger behindert sind. Daher können Aldehyde abhängig von den Reaktionsbedingungen auch an anderen Arten von Reaktionen teilnehmen.
In Gegenwart starker Oxidationsmittel wie Kaliumpermanganat und Kaliumdichromat kann Aldehyd oxidiert werden, um Carbonsäuren zu produzieren., Wenn Propanal beispielsweise durch Kaliumdichromat oxidiert wird, wird Propansäure hergestellt.
„die Oxidation von Propanal.“von Mark Xavier Bailon
Andererseits können sowohl Aldehyde als auch Ketone Reduktionsreaktionen erfahren. Beide können mit Reduktionsmitteln, wie Natriumborhydrid oder Wasserstoffgas, in Gegenwart eines Lindlar-Katalysators zur Herstellung von Alkohol reagieren. Aldehyde produzieren primäre Alkohole durch Reduktion, während Ketone sekundäre Alkohole produzieren.,
„Reduction Reactions of Aldehydes and Ketones.” by Mark Xavier Bailon