مجموعة كاربونيل: الخصائص ، الخصائص ، التسمية ، التفاعلية - كيمياء - 2025

في مجموعة الكربونيل هي مجموعة وظيفية عضوية المؤكسج مشابهة لما الغازي جزيء أول أكسيد الكربون. يتم تمثيله على أنه C = O ، وعلى الرغم من أنه يعتبر عضويًا ، إلا أنه يمكن العثور عليه أيضًا في المركبات غير العضوية ؛ مثل حمض الكربونيك ، H ₂ CO ₃ ، أو في مركبات فلزية عضوية مع CO كمواد رابطة.

ومع ذلك ، في كيمياء الكربون والحياة والكيمياء الحيوية وغيرها من الفروع العلمية المماثلة حيث تبرز هذه المجموعة لأهميتها الهائلة. إذا لم يكن الأمر كذلك بالنسبة له ، فلن تتمكن العديد من الجزيئات من التفاعل مع الماء. البروتينات والسكريات والأحماض الأمينية والدهون والأحماض النووية والجزيئات الحيوية الأخرى ما كانت لتوجد لولاها.

مجموعة الكاربونيال. المصدر: Jü

توضح الصورة أعلاه كيف تبدو هذه المجموعة في الهيكل العام للمركب. لاحظ أنه تم تمييزه باللون الأزرق ، وإذا قمنا بإزالة البدائل A و B (R أو R '، متساوية الصلاحية) ، فسيكون هناك جزيء أول أكسيد الكربون. يحدد وجود هذه البدائل عددًا كبيرًا من الجزيئات العضوية.

إذا كانت A و B ذرات غير الكربون ، مثل المعادن أو العناصر غير المعدنية ، فيمكن أن تحتوي على مركبات عضوية معدنية أو غير عضوية ، على التوالي. في حالة الكيمياء العضوية ، تكون البدائل A و B دائمًا إما ذرات هيدروجين ، أو سلاسل كربون ، أو خطوط ، مع أو بدون فروع ، وحلقات دورية أو عطرية.

هذه هي الطريقة التي تبدأ في فهم سبب شيوع مجموعة الكاربونيل لأولئك الذين يدرسون العلوم الطبيعية أو الصحية ؛ إنه موجود في كل مكان ، وبدونه لن تحدث الآليات الجزيئية التي تحدث في خلايانا.

إذا كان من الممكن تلخيص أهميتها ، فيمكن القول إنها تساهم في القطبية والحموضة والتفاعل في الجزيء. عندما توجد مجموعة كربونيل ، فمن المرجح أن يخضع الجزيء لعملية تحول في تلك المرحلة. لذلك ، فهو موقع استراتيجي لتطوير التوليف العضوي من خلال الأكسدة أو الهجمات النووية.

خصائص وخصائص مجموعة الكاربونيل

الخصائص الهيكلية لمجموعة الكاربونيل. المصدر: أزالين جومبيرج.

ما هي الخصائص الإنشائية والإلكترونية لمجموعة الكاربونيل؟ أعلاه يمكن أن نرى ، باستخدام الحروف R ¹ و R ² بدلاً من A و B ، أن هناك زاوية 120 درجة مئوية بين البدائل وذرة الأكسجين ؛ أي أن الهندسة حول هذه المجموعة عبارة عن مستوى ثلاثي الزوايا.

لكي تكون هذه هي الهندسة ، يجب أن تحتوي ذرات الكربون والأكسجين بالضرورة على تهجين كيميائي sp ² ؛ وبالتالي ، سيكون للكربون ثلاثة مدارات sp ² لتشكيل روابط تساهمية مفردة مع R ¹ و R ² ، ومدار p نقي لمضاعفة الرابطة مع الأكسجين.

هذا يشرح كيف يمكن أن يكون هناك رابطة مزدوجة C = O.

إذا تم ملاحظة الصورة ، فسيتم ملاحظة أن الأكسجين له كثافة إلكترون أعلى ، δ- من الكربون ، δ +. هذا يرجع إلى حقيقة أن الأكسجين أكثر كهرسلبية من الكربون ، وبالتالي "يسلب" كثافة الإلكترون ؛ وليس هو فقط ، ولكن أيضًا بدائل R ¹ و R ².

وبالتالي ، يتم إنشاء عزم ثنائي القطب دائم ، والذي يمكن أن يكون أكبر أو أقل اعتمادًا على التركيب الجزيئي. أينما توجد مجموعة كربونيل ، ستكون هناك لحظات ثنائية القطب.

هياكل الرنين

بنيتا الرنين لهذه المجموعة العضوية. المصدر: Mfomich

من النتائج الأخرى للسلبية الكهربية للأكسجين أنه توجد في مجموعة الكاربونيل هياكل رنين تحدد الهجين (مزيج من الهيكلين في الصورة العلوية). لاحظ أن زوج الإلكترونات يمكن أن يهاجر نحو المدار p للأكسجين ، مما يترك ذرة الكربون بشحنة جزئية موجبة ؛ carbocation.

كلا الهيكلين ينجحان باستمرار ، لذلك يحافظ الكربون على نقص دائم في الإلكترونات ؛ أي بالنسبة للكاتيونات القريبة جدًا منها ، فإنها ستختبر التنافر الكهروستاتيكي. ولكن ، إذا كان أنيونًا ، أو نوعًا قادرًا على التبرع بالإلكترونات ، فسوف تشعر بجاذبية قوية لهذا الكربون.

ثم يحدث ما يعرف بالهجوم النووي المحبة للنووية ، والذي سيتم شرحه في قسم مستقبلي.

التسمية

عندما يكون للمركب المجموعة C = O ، يُقال إنه كاربونيل. وبالتالي ، اعتمادًا على طبيعة مركب الكربونيل ، فإن له قواعد التسمية الخاصة به.

على الرغم من أنه بغض النظر عن ماهيتها ، فإنهم جميعًا يشتركون في قاعدة مشتركة: C = O لها الأولوية في سلسلة الكربون عند إدراج ذرات الكربون.

هذا يعني أنه إذا كان هناك فروع ، أو ذرات هالوجين ، أو مجموعات وظيفية للنيتروجين ، أو روابط مزدوجة أو ثلاثية ، فلا يمكن لأي منها أن يحمل رقم محدد أقل من C = O ؛ لذلك ، تبدأ السلسلة الأطول في إدراجها على مقربة من مجموعة الكربونيل قدر الإمكان.

من ناحية أخرى ، إذا كان هناك العديد من C = O في السلسلة ، وكان أحدها جزءًا من مجموعة وظيفية أعلى ، فإن مجموعة الكربونيل ستحمل محدد موقع أكبر وسيتم ذكرها كبديل لـ oxo.

وما هو هذا التسلسل الهرمي؟ التالي من الأعلى إلى الأدنى:

- أحماض كربوكسيلية RCOOH

-إستر ، ريكور '

-أميد ، RCONH ₂

-Aldehyde ، RCOH (أو RCHO)

كيتون ، RCOR

استبدال R و R 'للأجزاء الجزيئية ، يتم إنشاء عدد لا نهائي من مركبات الكربونيل ممثلة بالعائلات أعلاه: الأحماض الكربوكسيلية ، والإسترات ، والأميدات ، إلخ. كل واحد مرتبط بالتسمية التقليدية أو IUPAC.

التفاعلية

هجوم نووي

هجوم نووي على مجموعة الكاربونيل. المصدر: Benjah-bmm27

تُظهر الصورة العلوية الهجوم النوى الذي عانت منه مجموعة الكاربونيل. يمكن أن يكون nucleophile ، Nu ^- ، أنيونًا أو نوعًا محايدًا مع أزواج إلكترونية متاحة ؛ مثل الأمونيا ، NH ₃ ، على سبيل المثال. يبحث حصريًا عن الكربون لأنه ، وفقًا لهياكل الرنين ، يحتوي على شحنة جزئية موجبة.

تجذب الشحنة الموجبة نو ^- ، والتي ستسعى لتقريبها بواسطة "خاصرة" بحيث يكون هناك أقل عائق فاصل من بدائل R و R. اعتمادًا على حجمها الضخم ، أو حجم Nu ^{- نفسها} ، سيحدث الهجوم في زوايا مختلفة ψ ؛ يمكن أن يكون مفتوحًا جدًا أو مغلقًا.

بمجرد حدوث الهجوم ، ^{سيتم تكوين} مركب وسيط ، Nu-CRR'-O ؛ وهذا هو، ويترك الأكسجين مع زوج من الإلكترونات للسماح نو ^- ل إضافة إلى مجموعة الكربونيل.

يمكن أن يتدخل هذا الأكسجين سالب الشحنة في خطوات أخرى من التفاعل ؛ البروتونات كمجموعة هيدروكسيل ، OH ، أو تم إطلاقها كجزيء ماء.

تتنوع الآليات المستخدمة وكذلك نواتج التفاعل التي تم الحصول عليها من خلال هذا الهجوم بشكل كبير.

المشتقات

يمكن أن يكون العامل nucleophilic Nu ^- من العديد من الأنواع. لكل منها على وجه التحديد ، عند التفاعل مع مجموعة الكربونيل ، تنشأ مشتقات مختلفة.

على سبيل المثال ، عندما يكون العامل النوى المذكور هو أمين ، NH ₂ R ، تنشأ الإيمينات ، R ₂ C = NR ؛ إذا كان هيدروكسيل أمين ، NH ₂ OH ، يؤدي إلى oximes ، RR'C = NOH ؛ إذا كان هذا هو أنيون السيانيد، CN ^- ، cyanohydrins، ويتم إنتاج RR'C (OH) CN، وهلم جرا مع الأنواع الأخرى.

تخفيض

قيل في البداية أن هذه المجموعة مؤكسجة ، وبالتالي فهي صدئة. هذا يعني أنه ، في ظل الظروف ، يمكن تقليلها أو فقد الروابط مع ذرة الأكسجين عن طريق استبدالها بالهيدروجين. فمثلا:

C = O => CH ₂

يشير هذا التحول إلى أن مجموعة الكربونيل قد اختزلت إلى مجموعة ميثيلين ؛ كان هناك زيادة في الهيدروجين نتيجة فقدان الأكسجين. بمصطلحات كيميائية أكثر ملاءمة: يتم اختزال مركب الكربونيل إلى ألكان.

إذا كان كيتون ، RCOR '، في وجود الهيدرازين ، H ₂ N-NH ₂ ، ويمكن اختزال الوسط الأساسي بقوة إلى الألكان الخاص به ؛ يُعرف هذا التفاعل باسم تقليل Wolff-Kishner:

تخفيض وولف كيشنر. المصدر: Jü

من ناحية أخرى ، إذا كان خليط التفاعل يتكون من مزيج الزنك وحمض الهيدروكلوريك ، فإن التفاعل يُعرف باسم اختزال كليمينسن:

تخفيض كليمينسن. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تشكيل الأسيتال والكيتالات

لا تستطيع مجموعة الكاربونيل إضافة العوامل المحبة للنووية فقط ^- ولكن في ظل الظروف الحمضية يمكن أن تتفاعل أيضًا مع الكحول بآليات مماثلة.

عندما يتفاعل الألدهيد أو الكيتون جزئيًا مع الكحول ، يتم إنتاج نصفي أو نصفي ، على التوالي. في حالة اكتمال التفاعل ، تكون المنتجات عبارة عن أسيتال وكيتالات. تلخص المعادلات الكيميائية التالية وتوضحها بشكل أفضل:

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

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

يتطابق التفاعل الأول مع تكوين hemiacetals و acetals من ألدهيد ، والثاني من hemicetals و ketals من كيتون.

قد لا تكون هذه المعادلات بسيطة بما يكفي لشرح تكوين هذه المركبات ؛ ومع ذلك ، بالنسبة للنهج الأول للموضوع ، يكفي أن نفهم أن الكحوليات مضافة وأن سلاسلها الجانبية R (R ³ و R ⁴) أصبحت مرتبطة بكربونيل الكربون. هذا هو سبب إضافة OR ³ و OR ⁴ إلى الجزيء الأولي.

الفرق الرئيسي بين الأسيتال والكيتال هو وجود ذرة الهيدروجين المرتبطة بالكربون. لاحظ أن الكيتون يفتقر إلى هذا الهيدروجين.

أنواع

متشابهة جدًا كما هو موضح في قسم التسميات لمجموعة الكربونيل ، وأنواعها هي وظيفة من البدائل A و B ، أو R و R '. لذلك ، هناك ميزات هيكلية تشترك في سلسلة من مركبات الكربونيل تتجاوز مجرد ترتيب أو نوع الروابط.

على سبيل المثال ، تمت الإشارة في بداية التشابه بين هذه المجموعة وأول أكسيد الكربون ، C≡O. إذا كان الجزيء خاليًا من ذرات الهيدروجين وإذا كان هناك أيضًا طرفان C = O ، فسيكون أكسيد الكربون ، C _n O ₂. لـ n يساوي 3 ، سيكون لدينا:

O = C = C = C = O

وهو كما لو كان هناك جزيئين C≡O مرتبطان ومنفصلين بواسطة كربون.

لا يمكن اشتقاق مركبات الكربونيل فقط من غاز ثاني أكسيد الكربون ، ولكن أيضًا من حمض الكربونيك ، أو H ₂ CO ₃ أو OH- (C = O) -OH. هنا يمثل كلا OHs R و R '، واستبدال أحدهما أو هيدروجينه ، يتم الحصول على مشتقات حمض الكربونيك.

ثم هناك مشتقات الأحماض الكربوكسيلية ، RCOOH ، التي تم الحصول عليها عن طريق تغيير هويات R ، أو استبدال H بذرة أخرى أو سلسلة R '(والتي من شأنها أن تؤدي إلى استر ، RCOOR').

كيفية التعرف عليه في الألدهيدات والكيتونات

تمايز الكيتون والألدهيد عن الصيغة البنائية. المصدر: غابرييل بوليفار.

تشترك كل من الألدهيدات والكيتونات في وجود مجموعة الكربونيل. خصائصه الكيميائية والفيزيائية ترجع إليه. ومع ذلك ، فإن بيئاتها الجزيئية ليست هي نفسها في كلا المركبين ؛ في السابق يكون في وضع نهائي ، وفي الأخير ، في أي مكان في السلسلة.

على سبيل المثال ، في الصورة العلوية ، توجد مجموعة الكاربونيل داخل صندوق أزرق. في الكيتونات ، بجوار هذا الصندوق يجب أن يكون هناك جزء آخر من الكربون أو السلسلة (أعلى) ؛ بينما في الألدهيدات ، يمكن أن توجد ذرة هيدروجين واحدة فقط (أسفل).

إذا كان C = O في أحد طرفي السلسلة ، فسيكون ألدهيد ؛ هذه هي الطريقة الأكثر مباشرة لتمييزها عن الكيتون.

هوية شخصية

ولكن كيف تعرف تجريبيا ما إذا كان المركب غير المعروف هو ألدهيد أو كيتون؟ هناك العديد من الطرق ، من التحليل الطيفي (امتصاص الأشعة تحت الحمراء ، IR) ، أو الاختبارات العضوية النوعية.

فيما يتعلق بالاختبارات النوعية ، فهي تستند إلى ردود الفعل التي ، عندما تكون إيجابية ، سيلاحظ المحلل استجابة جسدية ؛ تغيير في اللون ، إطلاق الحرارة ، تكوين الفقاعات ، إلخ.

على سبيل المثال ، عند إضافة محلول حمضي من K ₂ Cr ₂ O ₇ إلى العينة ، سيتحول الألدهيد إلى حمض الكربوكسيل ، مما يؤدي إلى تغيير لون المحلول من البرتقالي إلى الأخضر (اختبار إيجابي). وفي الوقت نفسه ، لا تتفاعل الكيتونات ، وبالتالي لا يلاحظ المحلل أي تغير في اللون (اختبار سلبي).

يتكون اختبار آخر من استخدام كاشف Tollens ، ⁺ ، بحيث يقلل الألدهيد الكاتيونات Ag ⁺ إلى الفضة المعدنية. والنتيجة: تكون مرآة فضية أسفل أنبوب الاختبار حيث توضع العينة.

الأمثلة الرئيسية

أخيرًا ، سيتم سرد سلسلة من أمثلة مركبات الكربونيل:

- CH ₃ COOH ، حمض الخليك

-HCOOH ، حمض الفورميك

-CH ₃ COCH ₃ ، بروبانون

- CH ₃ COCH ₂ CH ₃ ، 2-بيوتانون

-C ₆ H ₅ COCH ₃ ، أسيتوفينون

-CH ₃ CHO ، إيثانيل

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO ، خماسي

-C ₆ H ₅ CHO ، البنزالديهايد

-CH ₃ CONH ₂ ، أسيتاميد

- CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ ، بروبيل أسيتات

الآن ، إذا تم الاستشهاد بأمثلة للمركبات التي تمتلك هذه المجموعة ببساطة ، فستصبح القائمة بلا نهاية تقريبًا.

المراجع

1. موريسون ، آر تي وبويد ، آر ، إن (1987). الكيمياء العضوية. 5 الطبعة. افتتاحية أديسون ويسلي Interamericana.
2. كاري ف. (2008). الكيمياء العضوية. (الطبعة السادسة). ماك جراو هيل.
3. غراهام سولومونز تي دبليو ، كريج ب. فريهل. (2011). الكيمياء العضوية. الأمينات. (الطبعة العاشرة). وايلي بلس.
4. ريد دانييل. (2019). مجموعة كاربونيل: خصائص ونظرة عامة. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
5. شارلين أغفاتيسيري. (05 يونيو 2019). مجموعة كاربونيل. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
6. ويكي كيدز ليمتد (2018). مركبات الكربونيل. تعافى من: ببساطة.العلم
7. توببر. (سادس). تسمية وهيكل مجموعة كاربونيل. تم الاسترجاع من: toppr.com
8. كلارك ج. (2015). أكسدة الألدهيدات والكيتونات. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk