Image: „Chemistry” by Quinn Dombrowski. Licencja: CC BY-SA 2.0
związki karbonylowe
w chemii organicznej związki karbonylowe to grupa funkcjonalna składająca się z atomu węgla z wiązaniem podwójnym do atomu tlenu., W przyrodzie występuje wiele różnych rodzajów związków karbonylowych. Wszystkie zawierają grupę acylową (R-C=O) z dołączonym do niej innym podstawnikiem. Częścią r struktury może być dowolny alkil, alkenyl lub alkynyl lub mają inne grupy funkcyjne przyłączone do niego.
Po drugiej stronie grupy acylowej znajduje się wodór, węgiel, tlen, azot, siarka lub halogen. W zależności od różnych podstawników dołączonych do grupy acylowej mogą powstawać różne rodzaje związków.,acid
(Table was prepared by Mark Xavier Bailon)
Carbonyl compounds are generally divided into 2 groups., Jedna kategoria składa się z aldehydów i ketonów, druga składa się z kwasów karboksylowych i ich pochodnych. Te dwie grupy na ogół różnią się rodzajem chemii i reakcji.
aldehydy i ketony są funkcjami drugiego stopnia utleniania. Są one uważane za pochodne węglowodorów z podstawieniem 2 atomów wodoru w tym samym węglu na jeden z tlenu, dając początek grupie oxo (=O). Jeśli substytucja zachodzi na węglu pierwotnym, otrzymany związek jest aldehydem i nosi nazwę z końcówką-al., Jeśli substytucja zachodzi na węglu wtórnym, jest to keton i jest nazywany przyrostkiem-jeden.
aldehydy i ketony, mające H lub C związane z grupą acylową, nie mogą uczestniczyć w reakcjach substytucji nukleofilowej, ponieważ te dwa atomy nie mogą stabilizować ładunku ujemnego. Podstawniki te nie mogą uczestniczyć jako grupa odchodząca w reakcjach substytucji nukleofilowych ze względu na ich niezdolność do stabilizacji ładunków ujemnych.,
w przypadku kwasu karboksylowego i jego pochodnych atom bezpośrednio przyłączony do grupy acylowej (tlen, azot, siarka, halogen) może stabilizować ładunki ujemne, a zatem może uczestniczyć w reakcjach substytucji nukleofilowej.
struktura Karbonylowa
Grupa karbonylowa to grupa funkcjonalna złożona z atomów węgla i tlenu połączonych wiązaniem podwójnym. Hybrydyzacja atomu węgla jest sp2 i dlatego tworzy trzy wiązania σ i jedno wiązanie π. Atom tlenu natomiast tworzy jedno wiązanie σ i π z węglem karbonylowym i posiada 2 niespajające pary elektronów.,
różnica między wartościami elektroujemności węgla i tlenu powoduje powstanie silnie spolaryzowanego wiązania podwójnego. Atom tlenu jest bardziej elektronowy i dlatego ma większą tendencję do przyciągania elektronów, tworząc częściowo ujemny koniec. Z kolei atom węgla staje się częściowo dodatni od przyciągania elektronów w kierunku atomu tlenu.
nazewnictwo aldehydów i ketonów
w nazewnictwie aldehydów i ketonów końcówka –e odpowiedniego alkanu jest zastępowana odpowiednio przez –al lub –on. W przypadku aldehydów łańcuch macierzysty powinien zawierać grupę-CHO., Jeśli grupa funkcyjna aldehydu jest grupą funkcyjną o najwyższym priorytecie, węgiel karbonylowy jest przypisywany jako węgiel 1. Na przykład w przypadku propanu, gdy dwa atomy wodoru na końcowym węglu zostają zastąpione atomem tlenu podwójnie połączonym z atomem węgla, nazwą opisanego aldehydu jest propanal.
aldehyd cykliczny jest związkiem, w którym grupa aldehydowa jest bezpośrednio przyłączona do pierścienia. W nazewnictwie tych typów związków do nazwy związku cyklicznego dodaje się przyrostek –karboaldehyd., Na przykład cyklopentan z dołączoną do niego grupą aldehydową zostanie nazwany aldehydem cyklopentanokarboksylowym. Poniższy rysunek pokazuje różne związki aldehydowe z ich nazwami:
„struktury i nazwy niektórych aldehydów.”by Mark Xavier Bailon
Ketony są nazywane przez zastąpienie terminala –e macierzystego węglowodoru –one. Dla związków zawierających keton jako grupę funkcyjną o najwyższym priorytecie, łańcuch macierzysty jest najdłuższym łańcuchem zawierającym grupę funkcyjną ketonu., Przypisanie liczby węgla przebiega w kierunku nadającym karbonylowi najniższą możliwą liczbę. W Nowym Systemie nazewnictwa Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) numer lokacyjny umieszcza się przed przyrostkiem.
Związkiem macierzystym jest pentan, ponieważ jest to 5-węglowy Alkan. Najniższa możliwa liczba dla węgla karbonylowego wynosi 2, gdy liczenie rozpoczyna się od prawego atomu węgla. W takim przypadku nazwa związku będzie brzmiała pent-2-one.,
dodatek Nukleofilowy
nukleofil to dowolny gatunek chemiczny, który ma wysoką gęstość elektronową i jest przyciągany do elektrofilowego atomu w innej cząsteczce, takiej jak niska gęstość elektronowa węgla karbonylowego.
Grupa karbonylowa stanowi miejsce addycji nukleofilowej (znanej również jako atak nukleofilowy) i zwiększa kwasowość atomów wodoru przyłączonych do węgla Alfa. Te dwa efekty są zgodne ze strukturą grup karbonylowych i wynikają z zdolności tlenu do włączenia ładunku ujemnego.,
reakcje aldehydów i ketonów są ograniczone tylko do reakcji addycji nukleofilowej. Atak nukleofila następuje przez elektrofilowy atom węgla docelowej cząsteczki. Elektrofilowy atom węgla staje się nieco niedoborem elektronów ze względu na przyciąganie elektronów w kierunku atomów tlenu. Z tego powodu węgiel karbonylowy staje się bardzo podatny na atak nukleofilowy. Dopiero dodanie nukleofilu następuje, ponieważ atom H I C w podstawniku nie jest dobrą grupą odchodzącą.,
w procesie przyłączania, wiązanie podwójne między węglem i tlenem jest usuwane, a zlokalizowany ładunek ujemny przenosi się do atomu tlenu, tworząc półprodukt alkooksydowy. Protonacja półproduktu powoduje powstanie neutralnego produktu dodawania alkoholu. Poniżej przedstawiono mechanizm reakcji addycji nukleofilowej:
„mechanizm reakcji addycji nukleofilowej aldehydu.”by Mark Xavier Bailon
węglowodany
węglowodany są ważnym związkiem karbonylowym występującym w przyrodzie., Składają się one z długiego łańcucha węglowego oraz grupy karbonylowej i są głównie syntetyzowane w procesie zwanym fotosyntezą. W fotosyntezie rośliny ułatwiają reakcję między dwutlenkiem węgla a wodą, w obecności energii słonecznej, poprzez enzymy obecne w komórkach rośliny, produkujące węglowodany i cząsteczki tlenu.
węglowodany są szeroką klasą polihydroksylowanych aldehydów i ketonów i są ogólnie nazywane cukrami., Termin węglowodan pochodzi od glukozy o wzorze cząsteczkowym C6H12O6 i pierwotnie uważano go za hydrat węgla.
obecność grupy hydroksylowej w glukozie umożliwia jej utworzenie pierścienia zamiast aldehydu o otwartym łańcuchu. W przypadku glukozy grupa hydroksylowa przyłączona do węgla 5 atakuje węgiel karbonylowy poprzez mechanizm addycji nukleofilowej.
ponieważ atak może wystąpić od góry lub od dołu, cykliczna forma glukozy może być w formie alfa lub beta., Gdy grupa-OH w anomerycznym węglu (oryginalny węgiel karbonylowy) jest w dół, cząsteczka jest w formie alfa, a gdy grupa-OH jest w górę, to jest w formie beta. Specyficzne formy (znane również jako konformacje) tych cząsteczek cukru są ważne, ponieważ wpływają na ich reaktywność i zdolność do metabolizowania przez organizm.
węglowodany dostarczają ponad 50% energii potrzebnej do metabolizmu, wzrostu, naprawy, wydzielania, wchłaniania, wydalania i pracy mechanicznej., Metabolizm węglowodanów obejmuje reakcje doświadczane przez węglowodany ze źródeł pokarmowych lub te utworzone ze związków innych węglowodanów. Utlenianie tego typu węglowodanów umożliwia magazynowanie energii w postaci glikogenu, syntezę aminokwasów nieistotnych oraz produkcję kwasów tłuszczowych w obecności nadmiaru węglowodanów.
utlenianie i redukcja
reakcje utleniania i redukcji zachodzą jednocześnie, gdy elektrony są przenoszone., Gdy cząsteczka jest utleniona, oddaje elektron do sąsiedniej cząsteczki, która ulega redukcji po uzyskaniu elektronu.
ogólnie rzecz biorąc, aldehydy są bardziej reaktywne niż Ketony, ponieważ są mniej utrudnione ze względu na obecność tylko atomu H zamiast grupy alkilowej jako ich podstawnika. W związku z tym aldehydy mogą również uczestniczyć w innych rodzajach reakcji w zależności od warunków reakcji.
w obecności silnych utleniaczy, takich jak nadmanganian potasu i dichromian potasu, aldehyd może być utleniony w celu wytworzenia kwasów karboksylowych., Na przykład, gdy propanal jest utleniony przez dichromian potasu, powstaje kwas propanowy.
„”Mark Xavier Bailon
z drugiej strony, zarówno aldehydy, jak i Ketony mogą ulegać reakcjom redukcji. Oba mogą reagować ze środkami redukującymi, takimi jak borowodorek sodu lub gaz wodorowy, w obecności katalizatora Lindlar do produkcji alkoholu. Aldehydy wytwarzają alkohole pierwszorzędowe poprzez redukcję, podczas gdy Ketony wytwarzają alkohole drugorzędowe.,
„Reduction Reactions of Aldehydes and Ketones.” by Mark Xavier Bailon