O grupo carbonila É um grupo funcional orgânico e oxigenado que se assemelha à molécula de monóxido de carbono gasoso. É representado como C = O e, embora seja considerado orgânico, também pode ser encontrado em compostos inorgânicos; como ácido carbônico, HdoisCO3, ou em compostos organometálicos com CO como um ligante.
No entanto, é na química do carbono, da vida, da bioquímica e outros ramos científicos semelhantes que este grupo se destaca pela sua enorme importância. Se não fosse por ele, muitas moléculas não seriam capazes de interagir com a água; proteínas, açúcares, aminoácidos, gorduras, ácidos nucléicos e outras biomoléculas não existiriam se não fosse por ele.
A imagem acima mostra a aparência desse grupo no esqueleto geral de um composto. Observe que ele é destacado pela cor azul, e se removêssemos os substituintes A e B (R ou R ', igualmente válidos), restaria uma molécula de monóxido de carbono. A presença desses substituintes define um grande número de moléculas orgânicas.
Se A e B forem átomos diferentes de carbono, como metais ou elementos não metálicos, pode-se ter compostos organometálicos ou inorgânicos, respectivamente. No caso da química orgânica, os substituintes A e B sempre serão átomos de hidrogênio, cadeias de carbono, linhas, com ou sem ramificações, anéis cíclicos ou aromáticos..
É assim que começa a entender porque o grupo carbonila é tão comum para quem estuda ciências naturais ou da saúde; está em toda parte, e sem ela os mecanismos moleculares que acontecem em nossas células não ocorreriam.
Se sua relevância pudesse ser resumida, dir-se-ia que contribui com polaridade, acidez e reatividade a uma molécula. Onde há um grupo carbonila, é mais do que provável que exatamente nesse ponto a molécula possa sofrer uma transformação. Portanto, é um local estratégico para o desenvolvimento de síntese orgânica por oxidação ou ataques nucleofílicos..
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Quais são as características estruturais e eletrônicas do grupo carbonila? Acima pode ser visto, agora usando as letras R1 e Rdois em vez de A e B, há um ângulo de 120 ° C entre os substituintes e o átomo de oxigênio; ou seja, a geometria em torno deste grupo é um plano trigonal.
Para que tal geometria seja, os átomos de carbono e oxigênio devem necessariamente ter hibridização química spdois; assim, o carbono terá três orbitais spdois para formar ligações covalentes simples com R1 e Rdois, e um orbital p puro para estabelecer a ligação dupla com o oxigênio.
Isso explica como pode haver uma ligação dupla C = O.
Se a imagem for observada, também será visto que o oxigênio tem uma densidade de elétrons mais alta, δ-, do que o carbono, δ +. Isso se deve ao fato de que o oxigênio é mais eletronegativo que o carbono e, portanto, "rouba" a densidade de elétrons; e não só ele, mas também os substituintes R1 e Rdois.
Consequentemente, é gerado um momento dipolar permanente, que pode ser de maior ou menor magnitude dependendo da estrutura molecular. Onde quer que haja um grupo carbonila, haverá momentos de dipolo.
Outra consequência da eletronegatividade do oxigênio é que no grupo carbonila existem estruturas de ressonância que definem um híbrido (a combinação das duas estruturas na imagem superior). Observe que o par de elétrons pode migrar em direção ao orbital p oxigênio, que deixa o átomo de carbono com carga parcial positiva; um carbocátion.
Ambas as estruturas estão constantemente se sucedendo, então o carbono mantém uma deficiência constante de elétrons; isto é, para cátions que estão muito próximos a ele, eles sofrerão repulsão eletrostática. Mas, se for um ânion, ou uma espécie capaz de doar elétrons, você sentirá uma forte atração por este carbono..
Então ocorre o que é conhecido como ataque nucleofílico, que será explicado em uma seção futura.
Quando um composto tem o grupo C = O, diz-se que é carbonilo. Assim, dependendo da natureza do composto de carbonila, ele tem suas próprias regras de nomenclatura.
Embora, não importa o que seja, todos eles compartilham uma regra comum: C = O tem prioridade na cadeia de carbono ao listar átomos de carbono.
Isso significa que se houver ramos, átomos de halogênio, grupos funcionais nitrogenados, ligações duplas ou triplas, nenhum deles pode carregar um número localizador menor que C = O; portanto, a cadeia mais longa começa a ser enumerada o mais próximo possível do grupo carbonil.
Se, por outro lado, houver vários C = Os na cadeia, e um deles fizer parte de um grupo funcional superior, o grupo carbonila carregará um localizador maior e será mencionado como um substituinte oxo..
E que hierarquia é essa? O seguinte, do mais alto para o mais baixo:
-Ácidos carboxílicos, RCOOH
-Ester, RCOOR '
-Amida, RCONHdois
-Aldeído, RCOH (ou RCHO)
-Cetona, RCOR
Substituindo R e R 'por segmentos moleculares, uma miríade de compostos carbonil é originada representada pelas famílias acima: ácidos carboxílicos, ésteres, amidas, etc. Cada um tem sua nomenclatura tradicional ou IUPAC associada..
A imagem superior mostra o ataque nucleofílico sofrido pelo grupo carbonila. O nucleófilo, Nu-, pode ser um ânion ou uma espécie neutra com pares de elétrons disponíveis; como amônia, NH3, por exemplo. Busca exclusivamente carbono porque, de acordo com as estruturas de ressonância, possui carga parcial positiva..
Carga positiva atrai Nu-, que procurará aproximar por um "flanco" de modo que haja o menor impedimento estérico dos substituintes R e R '. Dependendo de quão volumosos eles são, ou do tamanho do Nu-, o ataque ocorrerá em ângulos diferentes ψ; pode ser muito aberto ou fechado.
Assim que o ataque acontecer, um composto intermediário será formado, Nu-CRR'-O-; ou seja, o oxigênio é deixado com um par de elétrons para permitir que Nu seja adicionado- grupo carbonila.
Este oxigênio carregado negativamente pode intervir em outras etapas da reação; protonado como um grupo hidroxila, OH, ou liberado como uma molécula de água.
Os mecanismos envolvidos, bem como os produtos de reação obtidos por este ataque, são muito variados..
O agente nucleofílico Nu- pode ser muitas espécies. Para cada um especificamente, ao reagir com o grupo carbonila, originam-se diferentes derivados.
Por exemplo, quando o referido agente nucleofílico é uma amina, NHdoisR, originam iminas, RdoisC = NR; se for hidroxilamina, NHdoisOH, dá origem a oximas, RR'C = NOH; se for o ânion cianeto, CN-, cianoidrinas são produzidas, RR'C (OH) CN, e assim por diante com outras espécies.
A princípio, foi dito que esse grupo é oxigenado e, portanto, oxidado. Isso significa que, dadas as condições, ele pode ser reduzido ou perder ligações com o átomo de oxigênio, substituindo-o por hidrogênios. Por exemplo:
C = O => CHdois
Esta transformação indica que o grupo carbonilo foi reduzido a um grupo metileno; houve um ganho de hidrogênio como resultado da perda de oxigênio. Em termos químicos mais apropriados: o composto de carbonila é reduzido a um alcano.
Se for uma cetona, RCOR ', na presença de hidrazina, HdoisN-NHdois, e um meio fortemente básico pode ser reduzido ao seu respectivo alcano; Esta reação é conhecida como redução de Wolff-Kishner:
Se, por outro lado, a mistura de reação consiste em zinco amalgamado e ácido clorídrico, a reação é conhecida como redução de Clemmensen:
O grupo carbonil não pode apenas adicionar agentes nucleofílicos Nu-, mas sob condições ácidas também pode reagir com álcoois por meio de mecanismos semelhantes.
Quando um aldeído ou cetona reage parcialmente com um álcool, são produzidos hemiacetais ou hemicetais, respectivamente. Se a reação for concluída, os produtos são acetais e cetais. As seguintes equações químicas resumem e esclarecem o que acaba de ser mencionado:
RCHO + R3OH g RCHOH (OR3) (Hemiacetal) + R4OH g RCH (OR3) (OU4) (Acetal)
RCORdois + R3OH g RCORdois(OH) (OU3) (Hemicetal) + R4OH g RCORdois(OU3) (OU4) (cetal)
A primeira reação corresponde à formação de hemiacetais e acetais de um aldeído, e a segunda de hemicetais e cetais de uma cetona.
Essas equações podem não ser simples o suficiente para explicar a formação desses compostos; Porém, para uma primeira abordagem do assunto, basta entender que são adicionados álcoois, e que suas cadeias laterais R (R3 e R4) tornam-se ligados ao carbono carbonílico. É por isso que OR são adicionados3 e OU4 para a molécula inicial.
A principal diferença entre um acetal e um cetal é a presença do átomo de hidrogênio ligado ao carbono. Observe que a cetona não tem esse hidrogênio.
Muito semelhante ao explicado na seção de nomenclatura para o grupo carbonila, seus tipos são uma função dos quais são os substituintes A e B, ou R e R '. Portanto, existem características estruturais que compartilham uma série de compostos carbonílicos além da ordem ou tipo de ligações..
Por exemplo, foi feita menção no início da analogia entre este grupo e o monóxido de carbono, C = O. Se a molécula é desprovida de átomos de hidrogênio e se também houver dois terminais C = O, então será um óxido de carbono, CnOUdois. Para n igual a 3, teremos:
O = C = C = C = O
Que é como se houvesse duas moléculas de C≡O unidas e separadas por um carbono.
Os compostos de carbonila não podem ser derivados apenas do gás CO, mas também do ácido carbônico, HdoisCO3 ou OH- (C = O) -OH. Aqui, os dois OH representam R e R ', e substituindo qualquer um deles ou seus hidrogênios, derivados de ácido carbônico são obtidos.
E então existem os derivados de ácidos carboxílicos, RCOOH, obtidos alterando as identidades de R, ou substituindo H por outro átomo ou cadeia R '(o que daria origem a um éster, RCOOR').
Tanto os aldeídos quanto as cetonas têm a presença do grupo carbonila em comum. Suas propriedades químicas e físicas são devidas a ele. No entanto, seus ambientes moleculares não são os mesmos em ambos os compostos; no primeiro está em uma posição terminal, e no último, em qualquer lugar da cadeia.
Por exemplo, na imagem acima, o grupo carbonil está dentro de uma caixa azul. Nas cetonas, próximo a esta caixa deve haver outro carbono ou segmento de cadeia (topo); enquanto nos aldeídos, só pode haver um átomo de hidrogênio (parte inferior).
Se C = O estiver em uma extremidade da cadeia, será um aldeído; essa é a maneira mais direta de diferenciá-lo de uma cetona.
Mas como saber experimentalmente se um composto desconhecido é um aldeído ou uma cetona? Existem vários métodos, desde espectroscópicos (absorção de radiação infravermelha, IR), ou testes orgânicos qualitativos.
Em relação aos testes qualitativos, estes se baseiam em reações que, quando positivas, o analista observará uma resposta física; uma mudança na cor, liberação de calor, formação de bolhas, etc..
Por exemplo, ao adicionar uma solução ácida de KdoisCrdoisOU7 o aldeído mudará para ácido carboxílico, o que faz com que a cor da solução mude de laranja para verde (teste positivo). Enquanto isso, as cetonas não reagem e, portanto, o analista não observa nenhuma mudança de cor (teste negativo).
Outro teste consiste em usar o reagente de Tollens, [Ag (NH3)dois]+, para o aldeído reduzir os cátions Ag+ para prata metálica. E o resultado: a formação de um espelho de prata no fundo do tubo de ensaio onde foi colocada a amostra..
Finalmente, uma série de exemplos de compostos de carbonila serão listados:
-CH3COOH, ácido acético
-HCOOH, ácido fórmico
-CH3Carro3, propanona
-CH3CarrodoisCH3, 2-butanona
-C6H5Carro3, acetofenona
-CH3CHO, etanal
-CH3CHdoisCHdoisCHdoisCHO, pentanal
-C6H5CHO, benzaldeído
-CH3CONHdois, acetamida
-CH3CHdoisCHdoisCOOCH3, acetato de propila
Agora, se exemplos de compostos que simplesmente possuem este grupo forem citados, a lista se tornaria quase infinita.
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