l’Image: « la Chimie” par Quinn Dombrowski. Licence: CC BY-SA 2.0
Composés carbonyles
En chimie organique, les composés carbonyles sont un groupe fonctionnel constitué d’un atome de carbone avec une double liaison à un atome d’oxygène., De nombreux types de composés carbonylés sont présents dans la nature. Ils contiennent tous un groupe acyle (R-C=O) avec un autre substituant attaché à celui-ci. La partie R de la structure peut être n’importe quel alkyle, alcényle ou alcynyle, ou avoir d’autres groupes fonctionnels qui lui sont attachés.
Lié à l’autre côté du groupe acyle est soit l’hydrogène, le carbone, l’oxygène, l’azote, le soufre, ou un halogène. Selon les différents substituants attachés au groupe acyle, différents types de composés peuvent être formés.,acid
(Table was prepared by Mark Xavier Bailon)
Carbonyl compounds are generally divided into 2 groups., Une catégorie est composée des aldéhydes et des cétones, l’autre composé des acides carboxyliques et de leurs dérivés. Ces deux groupes diffèrent généralement par leurs types de chimie et de réactions.
Les aldéhydes et les cétones sont des fonctions au deuxième degré d’oxydation. Ils sont considérés comme des dérivés d’un hydrocarbure avec substitution de 2 atomes d’hydrogène dans le même carbone par un d’oxygène, donnant naissance à un groupe oxo (=O). Si la substitution a lieu sur un carbone primaire, le composé résultant est un aldéhyde et est nommé avec la terminaison-al., Si la substitution a lieu sur un carbone secondaire, il s’agit d’une cétone et est nommé avec le suffixe-one.
Les aldéhydes et les cétones, ayant un H ou un C lié au groupe acyle, ne peuvent pas participer aux réactions de substitution nucléophile car ces deux atomes ne peuvent pas stabiliser une charge négative. Ces substituants ne peuvent pas participer en tant que groupe partant dans les réactions de substitution nucléophile en raison de leur incapacité à stabiliser les charges négatives.,
Pour l’acide carboxylique et ses dérivés, l’atome directement attaché au groupe acyle (oxygène, azote, soufre, halogène) peut stabiliser les charges négatives et, par conséquent, peut participer à des réactions de substitution nucléophile.
Carbonyle Structure
Le groupe carbonyle est un groupe fonctionnel, composé de carbone et d’atomes d’oxygène reliés par une double liaison. L’hybridation de l’atome de carbone est sp2 et forme donc trois liaisons σ et une liaison π. L’atome d’oxygène, d’autre part, forme une liaison σ et π avec le carbone carbonyle et possède 2 paires d’électrons non collantes.,
La différence entre les valeurs d’électronégativité du carbone et de l’oxygène produit une double liaison fortement polarisée. L’atome d’oxygène est plus électronégatif et, par conséquent, a une tendance plus élevée à attirer les électrons, créant une extrémité partiellement négative. À son tour, l’atome de carbone devient partiellement positif de l’attraction des électrons vers l’atome d’oxygène.
Nomenclature des aldéhydes et des cétones
En nommant les aldéhydes et les cétones, le terminal –e de l’alcane correspondant est remplacé par –al ou –one, respectivement. Pour les aldéhydes, la chaîne parente doit contenir le groupe-CHO., Si le groupe fonctionnel aldéhyde est le groupe fonctionnel de priorité la plus élevée, le carbone carbonyle est attribué en tant que carbone 1. Par exemple, dans le cas du propane, lorsque deux des atomes d’hydrogène sur le carbone terminal sont remplacés par un atome d’oxygène double lié à l’atome de carbone, le nom de l’aldéhyde décrit est propanal.
Un aldéhyde cyclique est un composé où un groupe aldéhyde est directement attaché à un cycle. En nommant ces types de composés, le suffixe –carbaldéhyde est ajouté au nom du composé cyclique., Par exemple, un cyclopentane auquel est attaché un groupe aldéhyde sera nommé cyclopentanecarbaldéhyde. La figure ci-dessous montre différents composés aldéhydes avec leurs noms:
« Structures et noms de certains aldéhydes. »par Mark Xavier Bailon
Les cétones sont nommées en remplaçant la borne –e de l’hydrocarbure parent par –one. Pour les composés contenant la cétone en tant que groupe fonctionnel de la plus haute priorité, la chaîne mère est la plus longue chaîne contenant le groupe fonctionnel cétone., L’attribution d’un nombre de carbone se déroule dans la direction donnant au carbone carbonyle le nombre le plus bas possible. Dans le nouveau système de dénomination de l’Union Internationale de Chimie Pure et appliquée (IUPAC), le numéro de locant est placé avant le suffixe.
Le composé parent est le pentane car il s’agit d’un alcane à 5 carbones. Le nombre le plus bas possible pour le carbone carbonyle est 2 lorsque le comptage est commencé à partir de l’atome de carbone le plus à droite. Dans ce cas, le nom du composé sera pent-2-one.,
Addition nucléophile
Un nucléophile est une espèce chimique qui a une densité électronique élevée et qui est attirée par un atome électrophile dans une autre molécule, comme la faible densité électronique du carbone carbonyle.
Le groupe carbonyle fournit un site pour l’addition nucléophile (également connu sous le nom d’attaque nucléophile) et augmente l’acidité des atomes d’hydrogène attachés au carbone alpha. Ces deux effets sont cohérents avec la structure des groupes carbonyle et sont dus à la capacité de l’oxygène à incorporer une charge négative.,
Les réactions des aldéhydes et des cétones sont limitées aux seules réactions d’addition nucléophile. L’attaque du nucléophile se fait par l’atome de carbone électrophile de la molécule cible. L’atome de carbone électrophile devient quelque peu déficient en électrons en raison de l’attraction des électrons vers les atomes d’oxygène. Pour cette raison, le carbone carbonyle devient très sensible à une attaque nucléophile. Seule l’addition du nucléophile se produit puisque l’atome H et C dans le substituant n’est pas un bon groupe de départ.,
Dans le processus de fixation, la double liaison entre le carbone et l’oxygène est éliminée, et une charge négative localisée se transfère à l’atome d’oxygène formant un intermédiaire alcoxyde. La protonation de l’intermédiaire entraîne la formation d’un produit d’addition d’alcool neutre. Voici le mécanisme de la réaction d’addition nucléophile:
« Mécanisme de la Réaction d’Addition Nucléophile de l’aldéhyde. »par Mark Xavier Bailon
Glucides
Les glucides sont un composé carbonyle important que l’on trouve dans la nature., Ils sont composés d’une longue chaîne carbonée ainsi que d’un ou plusieurs groupes carbonyle et sont principalement synthétisés par un processus appelé photosynthèse. Dans la photosynthèse, les plantes facilitent la réaction entre le dioxyde de carbone et l’eau, en présence d’énergie solaire, grâce aux enzymes présentes dans les cellules de la plante, produisant des glucides et des molécules d’oxygène.
Les glucides sont une large classe d’aldéhydes et de cétones polyhydroxylés et sont généralement appelés sucres., Le terme hydrate de carbone a été dérivé du glucose ayant la formule moléculaire de C6H12O6 et a été initialement pensé pour être un hydrate de carbone.
La présence du groupe hydroxyle dans le glucose lui permet de former un cycle au lieu d’être un aldéhyde à chaîne ouverte. Dans le cas du glucose, le groupe hydroxyle attaché au carbone 5 attaque le carbone carbonyle par le mécanisme d’addition nucléophile.
Étant donné que l’attaque peut se produire par le haut ou par le bas, la forme cyclique du glucose peut être sous forme alpha ou bêta., Lorsque le groupe-OH dans le carbone anomérique (carbone carbonyle original) est en baisse, la molécule est sous forme alpha et lorsque le groupe –OH est en hausse, il est sous sa forme bêta. Les formes spécifiques (également appelées conformations) de ces molécules de sucre sont importantes car elles affectent leur réactivité et leur capacité à être métabolisées par le corps.
Les glucides fournissent plus de 50% de l’énergie nécessaire au métabolisme, à la croissance, à la réparation, à la sécrétion, à l’absorption, à l’excrétion et au travail mécanique., Le métabolisme des glucides comprend les réactions ressenties par les glucides provenant de sources alimentaires ou celles formées à partir de composés d’autres glucides. L’oxydation de ce type de glucides permet le stockage d’énergie sous forme de glycogène, la synthèse d’acides aminés non essentiels et la production d’acides gras en présence d’un excès de glucides.
Oxydation et réduction
Les réactions d’oxydation et de réduction se produisent simultanément lorsque les électrons sont transférés., Quand une molécule est oxydée, elle abandonne un électron à une molécule voisine qui devient réduite en gagnant l’électron.
En général, les aldéhydes sont plus réactifs que les cétones car ils sont moins gênés en raison de la présence d’un atome H au lieu d’un groupe alkyle comme substituant. Par conséquent, les aldéhydes peuvent également participer à d’autres types de réactions en fonction des conditions de réaction.
En présence d’oxydants forts comme le permanganate de potassium et le dichromate de potassium, l’aldéhyde peut être oxydé pour produire des acides carboxyliques., Par exemple, lorsque le propanal est oxydé par le dichromate de potassium, l’acide propanoïque est produit.
« Oxydation de Propanal. »par Mark Xavier Bailon
D’autre part, les aldéhydes et les cétones peuvent subir des réactions de réduction. Les deux peuvent réagir avec des agents réducteurs, tels que le borohydrure de sodium ou l’hydrogène gazeux, en présence d’un catalyseur de Lindlar pour produire de l’alcool. Les aldéhydes produisent des alcools primaires par réduction, tandis que les cétones produisent des alcools secondaires.,
« Reduction Reactions of Aldehydes and Ketones.” by Mark Xavier Bailon