Immagine: “Chimica” di Quinn Dombrowski. Licenza: CC BY-SA 2.0
Composti carbonilici
In chimica organica, i composti carbonilici sono un gruppo funzionale costituito da un atomo di carbonio con un doppio legame con un atomo di ossigeno., Molti diversi tipi di composti carbonilici sono presenti in natura. Tutti contengono un gruppo acilico (R-C=O) con un altro sostituente collegato ad esso. La parte R della struttura può essere qualsiasi alchile, alchenile o alchinile o avere altri gruppi funzionali collegati ad esso.
Legato all’altro lato del gruppo acilico è idrogeno, carbonio, ossigeno, azoto, zolfo o un alogeno. A seconda dei diversi sostituenti attaccati al gruppo acilico, possono essere formati diversi tipi di composti.,acid
(Table was prepared by Mark Xavier Bailon)
Carbonyl compounds are generally divided into 2 groups., Una categoria è composta dalle aldeidi e dai chetoni, l’altra composta dagli acidi carbossilici e dai loro derivati. Questi due gruppi generalmente differiscono nei loro tipi di chimica e reazioni.
Aldeidi e chetoni sono funzioni nel secondo grado di ossidazione. Sono considerati derivati di un idrocarburo con sostituzione di 2 atomi di idrogeno nello stesso carbonio per uno di ossigeno, dando origine a un gruppo oxo (=O). Se la sostituzione avviene su un carbonio primario, il composto risultante è un’aldeide e viene chiamato con la desinenza-al., Se la sostituzione avviene su un carbonio secondario, è un chetone e viene chiamato con il suffisso-one.
Aldeidi e chetoni, avendo un H o un C legati al gruppo acilico, non possono partecipare a reazioni di sostituzione nucleofila perché questi due atomi non possono stabilizzare una carica negativa. Questi sostituenti non possono partecipare come gruppo di partenza nelle reazioni di sostituzione nucleofila a causa della loro incapacità di stabilizzare le cariche negative.,
Per l’acido carbossilico e i suoi derivati, l’atomo direttamente collegato al gruppo acilico (ossigeno, azoto, zolfo, alogeno) può stabilizzare le cariche negative e, quindi, può partecipare a reazioni di sostituzione nucleofila.
Struttura carbonilica
Il gruppo carbonilico è un gruppo funzionale composto da atomi di carbonio e ossigeno collegati da un doppio legame. L’ibridazione dell’atomo di carbonio è sp2 e quindi forma tre legami σ e un legame π. L’atomo di ossigeno, d’altra parte, forma un legame σ e π con il carbonio carbonilico e ha 2 coppie di elettroni non leganti.,
La differenza tra i valori di elettronegatività del carbonio e dell’ossigeno produce un doppio legame fortemente polarizzato. L’atomo di ossigeno è più elettronegativo e, quindi, ha una maggiore tendenza ad attrarre elettroni, creando un fine parzialmente negativo. A sua volta, l’atomo di carbonio diventa parzialmente positivo dalla trazione degli elettroni verso l’atomo di ossigeno.
Nomenclatura di aldeidi e chetoni
Nel nominare aldeidi e chetoni, il terminale –e dell’alcano corrispondente è sostituito da –al o –one, rispettivamente. Per le aldeidi, la catena genitore dovrebbe contenere il gruppo-CHO., Se il gruppo funzionale aldeidico è il gruppo funzionale di massima priorità, il carbonio carbonilico viene assegnato come carbonio 1. Ad esempio, nel caso del propano, quando due degli atomi di idrogeno sul carbonio terminale sono sostituiti da un atomo di ossigeno doppio legato all’atomo di carbonio, il nome dell’aldeide descritto è propanale.
Un’aldeide ciclica è un composto in cui un gruppo aldeidico è direttamente collegato a un anello. Nel nominare questi tipi di composti, il suffisso-carbaldeide viene aggiunto al nome del composto ciclico., Ad esempio, un ciclopentano con un gruppo aldeidico collegato ad esso sarà chiamato ciclopentanecarbaldeide. La figura seguente mostra diversi composti aldeidici con i loro nomi:
“Strutture e nomi di alcune aldeidi.”di Mark Xavier Bailon
I chetoni sono chiamati sostituendo il terminale –e dell’idrocarburo genitore con –one. Per i composti contenenti chetone come gruppo funzionale di massima priorità, la catena madre è la catena più lunga contenente il gruppo funzionale chetonico., L’assegnazione di un numero di carbonio procede nella direzione dando al carbonio carbonilico il numero più basso possibile. Nel nuovo sistema di denominazione IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), il numero locant è posto prima del suffisso.
Il composto genitore è pentano in quanto è un alcano 5-carbonio. Il numero più basso possibile per il carbonio carbonilico è 2 quando il conteggio viene avviato dall’atomo di carbonio più a destra. In questo caso, il nome del composto sarà pent-2-one.,
Addizione nucleofila
Un nucleofilo è qualsiasi specie chimica che ha un’alta densità elettronica ed è attratta da un atomo elettrofilo in un’altra molecola, come la bassa densità elettronica del carbonio carbonilico.
Il gruppo carbonilico fornisce un sito per l’aggiunta nucleofila (noto anche come attacco nucleofilo) e aumenta l’acidità degli atomi di idrogeno attaccati al carbonio alfa. Questi due effetti sono coerenti con la struttura dei gruppi carbonilici e sono dovuti alla capacità dell’ossigeno di incorporare una carica negativa.,
Le reazioni di aldeidi e chetoni sono limitate solo alle reazioni di addizione nucleofila. L’attacco del nucleofilo avviene attraverso l’atomo di carbonio elettrofilo della molecola bersaglio. L’atomo di carbonio elettrofilo diventa un po ‘ elettrone-carente a causa della trazione di elettroni verso gli atomi di ossigeno. Per questo motivo, il carbonio carbonilico diventa altamente suscettibile ad un attacco nucleofilo. Solo l’aggiunta del nucleofilo si verifica poiché l’atomo H e C nel sostituente non è un buon gruppo di partenza.,
Nel processo di attacco, il doppio legame tra carbonio e ossigeno viene rimosso e una carica negativa localizzata trasferisce all’atomo di ossigeno formando un intermedio alcossido. La protonazione dei risultati intermedi nella formazione di un prodotto di aggiunta di alcol neutro. Di seguito è riportato il meccanismo della reazione di addizione nucleofila:
“Meccanismo della reazione di addizione nucleofila dell’aldeide.”di Mark Xavier Bailon
Carboidrati
I carboidrati sono un importante composto carbonilico trovato in natura., Sono composti da una lunga catena di carbonio e da uno o più gruppi carbonilici e sono principalmente sintetizzati da un processo chiamato fotosintesi. Nella fotosintesi, le piante facilitano la reazione tra anidride carbonica e acqua, in presenza di energia solare, attraverso enzimi presenti nelle cellule della pianta, producendo carboidrati e molecole di ossigeno.
I carboidrati sono una vasta classe di aldeidi e chetoni poliidrossilati e sono generalmente chiamati zuccheri., Il carboidrato di termine è stato derivato da glucosio che ha la formula molecolare di C6H12O6 ed originalmente è stato pensato per essere un idrato di carbonio.
La presenza del gruppo idrossilico nel glucosio gli consente di formare un anello invece di essere un’aldeide a catena aperta. Nel caso del glucosio, il gruppo idrossilico attaccato al carbonio 5 attacca il carbonio carbonilico attraverso il meccanismo di addizione nucleofila.
Poiché l’attacco può avvenire dall’alto o dal basso, la forma ciclica del glucosio può essere in forma alfa o beta., Quando il gruppo-OH nel carbonio anomerico (carbonio carbonilico originale) è basso, la molecola è in forma alfa e quando il gruppo –OH è alto, è nella sua forma beta. Le forme specifiche (note anche come conformazioni) di queste molecole di zucchero sono importanti in quanto influenzano la loro reattività e capacità di essere metabolizzate dall’organismo.
I carboidrati forniscono oltre il 50% dell’energia necessaria per il metabolismo, la crescita, la riparazione, la secrezione, l’assorbimento, l’escrezione e il lavoro meccanico., Il metabolismo dei carboidrati include reazioni sperimentate dai carboidrati da fonti alimentari o quelle formate da composti di altri carboidrati. L’ossidazione di questo tipo di carboidrati consente l’accumulo di energia sotto forma di glicogeno, sintesi di aminoacidi non essenziali e produzione di acidi grassi in presenza di un eccesso di carboidrati.
Ossidazione e riduzione
Le reazioni di ossidazione e riduzione avvengono simultaneamente quando gli elettroni vengono trasferiti., Quando una molecola viene ossidata, cede un elettrone a una molecola vicina che si riduce dopo aver guadagnato l’elettrone.
In generale, le aldeidi sono più reattive dei chetoni perché sono meno ostacolate a causa della presenza di un solo atomo H invece di un gruppo alchilico come loro sostituente. Pertanto, le aldeidi possono anche partecipare ad altri tipi di reazioni a seconda delle condizioni di reazione.
In presenza di forti ossidanti come il permanganato di potassio e il dicromato di potassio, l’aldeide può essere ossidata per produrre acidi carbossilici., Ad esempio, quando il propanale viene ossidato dal dicromato di potassio, viene prodotto acido propanoico.
“Ossidazione del propanale.”di Mark Xavier Bailon
D’altra parte, sia le aldeidi che i chetoni possono subire reazioni di riduzione. Entrambi possono reagire con agenti riducenti, come boroidruro di sodio o gas idrogeno, in presenza di un catalizzatore di Lindlar per produrre alcol. Le aldeidi producono alcoli primari attraverso la riduzione, mentre i chetoni producono alcoli secondari.,
“Reduction Reactions of Aldehydes and Ketones.” by Mark Xavier Bailon