GUGUS KARBONIL: KARAKTERISTIK, SIFAT, NOMENKLATUR, REAKTIVITAS - KIMIA - 2025

The gugus karbonil adalah gugus fungsional organik oksigen yang menyerupai molekul karbon monoksida gas. Ia direpresentasikan sebagai C = O, dan meskipun dianggap organik, ia juga dapat ditemukan dalam senyawa anorganik; seperti asam karbonat, H ₂ CO ₃ , atau senyawa organologam dengan CO sebagai pengikatnya.

Namun, dalam kimia karbon, kehidupan, biokimia, dan cabang ilmiah analog lainnya di mana kelompok ini menonjol karena kepentingannya yang sangat besar. Jika bukan karena dia, banyak molekul tidak akan bisa berinteraksi dengan air; protein, gula, asam amino, lemak, asam nukleat dan biomolekul lain tidak akan ada jika bukan karena dia.

Kelompok karbonil. Sumber: Jü

Gambar di atas menunjukkan seperti apa kelompok ini pada kerangka umum suatu senyawa. Perhatikan bahwa itu disorot oleh warna biru, dan jika kita menghilangkan substituen A dan B (R atau R ', sama-sama valid), akan ada molekul karbon monoksida. Kehadiran substituen ini menentukan sejumlah besar molekul organik.

Jika A dan B adalah atom selain karbon, seperti logam atau unsur non-logam, seseorang dapat memiliki senyawa organologam atau anorganik. Dalam kasus kimia organik, substituen A dan B akan selalu berupa atom hidrogen, rantai karbon, garis, dengan atau tanpa cabang, cincin siklik, atau cincin aromatik.

Ini adalah bagaimana ia mulai memahami mengapa gugus karbonil cukup umum bagi mereka yang mempelajari ilmu alam atau kesehatan; ia ada dimana-mana, dan tanpanya mekanisme molekuler yang terjadi dalam sel kita tidak akan terjadi.

Jika relevansinya dapat diringkas, akan dikatakan bahwa ia memberikan kontribusi polaritas, keasaman, dan reaktivitas ke suatu molekul. Di mana terdapat gugus karbonil, sangat mungkin bahwa pada titik tersebut molekul dapat mengalami transformasi. Oleh karena itu, ini adalah situs strategis untuk mengembangkan sintesis organik melalui serangan oksidasi atau nukleofilik.

Karakteristik dan sifat dari gugus karbonil

Karakteristik struktur dari gugus karbonil. Sumber: Azaline Gomberg.

Apa karakteristik struktural dan elektronik dari gugus karbonil? Di atasnya dapat dilihat, sekarang dengan menggunakan huruf R ¹ dan R ² daripada A dan B, bahwa antara substituen dan atom oksigen terdapat sudut 120 ° C; artinya, geometri di sekitar kelompok ini adalah bidang trigonal.

Agar geometri ini menjadi, atom karbon dan oksigen harus memiliki hibridisasi kimia sp ² ; dengan demikian, karbon akan memiliki tiga sp ² orbital untuk membentuk ikatan kovalen tunggal dengan R ¹ dan R ² , dan p murni orbital ikatan ganda dengan oksigen.

Ini menjelaskan bagaimana bisa ada ikatan rangkap C = O.

Jika citra diamati, akan terlihat juga bahwa oksigen memiliki kerapatan elektron yang lebih tinggi, δ-, daripada karbon, δ +. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa oksigen lebih elektronegatif daripada karbon, dan karena itu "merampas" kerapatan elektronnya; dan tidak hanya dia, tetapi juga substituen R ¹ dan R ² .

Akibatnya, momen dipol permanen dihasilkan, yang besarnya bisa lebih besar atau lebih kecil tergantung pada struktur molekul. Dimanapun ada gugus karbonil, akan ada momen dipol.

Struktur resonansi

Dua struktur resonansi untuk grup organik ini. Sumber: Mfomich

Konsekuensi lain dari keelektronegatifan oksigen adalah pada gugus karbonil terdapat struktur resonansi yang membentuk hibrid (kombinasi dari dua struktur pada gambar atas). Perhatikan bahwa pasangan elektron dapat bermigrasi menuju orbital p oksigen, yang meninggalkan atom karbon dengan muatan parsial positif; karbokation.

Kedua struktur tersebut terus-menerus berhasil, sehingga karbon mempertahankan kekurangan elektron secara konstan; yaitu, untuk kation yang sangat dekat dengannya, mereka akan mengalami tolakan elektrostatis. Tetapi, jika itu adalah anion, atau spesies yang mampu menyumbangkan elektron, Anda akan merasakan daya tarik yang kuat untuk karbon ini.

Kemudian apa yang dikenal sebagai serangan nukleofilik terjadi, yang akan dijelaskan di bagian selanjutnya.

Tata nama

Jika suatu senyawa memiliki gugus C = O, disebut karbonil. Jadi, bergantung pada sifat senyawa karbonil, senyawa ini memiliki aturan nomenklaturnya sendiri.

Meskipun, apa pun itu, mereka semua memiliki aturan yang sama: C = O menjadi prioritas dalam rantai karbon saat membuat daftar atom karbon.

Ini berarti bahwa jika terdapat cabang, atom halogen, gugus fungsi nitrogen, ikatan rangkap atau rangkap tiga, tidak ada satupun yang dapat membawa nomor lokator lebih rendah dari C = O; Oleh karena itu, rantai terpanjang mulai terdaftar sedekat mungkin dengan gugus karbonil.

Sebaliknya, jika ada beberapa C = O dalam rantai, dan salah satunya adalah bagian dari gugus fungsi yang lebih tinggi, maka gugus karbonil akan membawa locator yang lebih besar dan akan disebut sebagai substituen okso.

Dan apakah hierarki ini? Berikut ini, dari yang tertinggi hingga terendah:

-Asam karboksilat, RCOOH

-Ester, RCOOR '

-Amide, RCONH ₂

-Aldehyde, RCOH (atau RCHO)

-Ketone, RCOR

Mengganti R dan R 'untuk segmen molekul, senyawa karbonil dalam jumlah tak terbatas yang berasal dari keluarga di atas: asam karboksilat, ester, amida, dll. Masing-masing dikaitkan dengan nomenklatur tradisional atau IUPAC.

Reaktivitas

Serangan nukleofilik

Serangan nukleofilik pada gugus karbonil. Sumber: Benjah-bmm27

Gambar atas menunjukkan serangan nukleofilik yang diderita oleh gugus karbonil. Nukleofil, Nu ^- , dapat berupa anion atau spesies netral dengan pasangan elektron yang tersedia; seperti amonia, NH ₃ , misalnya. Ia mencari karbon secara eksklusif karena, menurut struktur resonansi, ia memiliki muatan parsial positif.

Muatan positif menarik Nu ^- , yang akan berusaha mendekati dengan "sisi" sedemikian sehingga ada halangan yang paling tidak sterik dari substituen R dan R '. Bergantung pada seberapa besar mereka, atau ukuran Nu ^{- itu sendiri} , serangan akan terjadi pada sudut yang berbeda ψ; itu bisa sangat terbuka atau tertutup.

Setelah serangan terjadi, senyawa perantara, Nu-CRR'-O ^{- akan terbentuk} ; yaitu, oksigen tertinggal dengan sepasang elektron untuk memungkinkan Nu ^- bertambah ke gugus karbonil.

Oksigen bermuatan negatif ini dapat mengintervensi langkah-langkah reaksi lainnya; diprotonasi sebagai gugus hidroksil, OH, atau dilepaskan sebagai molekul air.

Mekanisme yang terlibat, serta produk reaksi yang diperoleh dari serangan ini, sangat bervariasi.

Derivatif

Agen nukleofilik Nu ^- bisa dari banyak spesies. Untuk masing-masing secara spesifik, ketika bereaksi dengan gugus karbonil, turunan yang berbeda berasal.

Sebagai contoh, ketika agen nukleofilik tersebut adalah amina, NH ₂ R, imina timbul, R ₂ C = NR; jika hidroksilamina, NH ₂ OH, menimbulkan oksim, RR'C = NOH; jika itu adalah anion sianida, CN ^- , cyanohydrins, RR'C (OH) CN diproduksi, dan sebagainya dengan spesies lain.

Pengurangan

Pada awalnya dikatakan bahwa kelompok ini mengandung oksigen, dan oleh karena itu berkarat. Artinya, dengan kondisi yang ada, dapat direduksi atau hilang ikatannya dengan atom oksigen dengan menggantinya dengan hidrogen. Sebagai contoh:

C = O => CH ₂

Transformasi ini menunjukkan bahwa gugus karbonil tereduksi menjadi gugus metilen; ada keuntungan hidrogen sebagai akibat hilangnya oksigen. Dalam istilah kimia yang lebih tepat: senyawa karbonil direduksi menjadi alkana.

Jika itu adalah keton, RCOR ', dengan adanya hidrazin, H ₂ N-NH ₂ , dan media basa kuat dapat direduksi menjadi masing-masing alkana; Reaksi ini dikenal sebagai reduksi Wolff-Kishner:

Pengurangan Wolff-Kishner. Sumber: Jü

Jika di sisi lain campuran reaksi terdiri dari seng yang digabung dan asam klorida, reaksi tersebut dikenal sebagai reduksi Clemmensen:

Reduksi Clemmensen. Sumber: Wikimedia Commons.

Pembentukan asetal dan ketal

Gugus karbonil tidak hanya dapat menambahkan agen nukleofilik Nu ^- , tetapi dalam kondisi asam ia juga dapat bereaksi dengan alkohol melalui mekanisme yang serupa.

Ketika aldehida atau keton bereaksi sebagian dengan alkohol, dihasilkan hemiasetal atau hemisetal. Jika reaksi selesai, produknya adalah asetal dan ketal. Persamaan kimia berikut meringkas dan memperjelas dengan lebih baik yang disebutkan di atas:

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

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

Reaksi pertama berhubungan dengan pembentukan hemiasetal dan asetal dari aldehida, dan reaksi kedua dengan hemisetal dan ketal dari keton.

Persamaan ini mungkin tidak cukup sederhana untuk menjelaskan pembentukan senyawa ini; Akan tetapi, untuk pendekatan pertama pada subjek, cukup dipahami bahwa alkohol ditambahkan, dan rantai samping R mereka (R ³ dan R ⁴ ) menjadi terkait dengan karbon karbonil. Itulah mengapa OR ³ dan OR ^{4 ditambahkan} ke molekul awal.

Perbedaan utama antara asetal dan ketal adalah keberadaan atom hidrogen yang terikat pada karbon. Perhatikan bahwa keton kekurangan hidrogen ini.

Jenis

Sangat mirip seperti yang dijelaskan pada bagian nomenklatur untuk gugus karbonil, jenisnya fungsinya adalah substituen A dan B, atau R dan R '. Oleh karena itu, terdapat fitur struktural yang memiliki rangkaian senyawa karbonil yang lebih dari sekedar orde atau jenis ikatannya.

Misalnya, disebutkan di awal analogi antara kelompok ini dan karbon monoksida, C≡O. Jika molekulnya tidak memiliki atom hidrogen dan jika ada juga dua terminal C = O, maka itu akan menjadi oksida karbon, C _n O ₂ . Untuk n sama dengan 3, kita akan mendapatkan:

O = C = C = C = O

Seolah-olah ada dua molekul C≡O yang bergabung dan dipisahkan oleh sebuah karbon.

Senyawa karbonil tidak hanya dapat diturunkan dari gas CO, tetapi juga dari asam karbonat, H ₂ CO ₃ atau OH- (C = O) -OH. Di sini dua OH mewakili R dan R ', dan menggantikan salah satu dari mereka atau hidrogennya, diperoleh turunan asam karbonat.

Dan kemudian ada turunan asam karboksilat, RCOOH, yang diperoleh dengan mengubah identitas R, atau mengganti H dengan atom atau rantai lain R '(yang akan menghasilkan ester, RCOOR').

Cara mengidentifikasinya dalam aldehida dan keton

Diferensiasi keton dan aldehida dari rumus struktur. Sumber: Gabriel Bolívar.

Baik aldehida dan keton memiliki kesamaan dengan gugus karbonil. Sifat kimia dan fisiknya disebabkan olehnya. Namun, lingkungan molekulernya tidak sama pada kedua senyawa; pada yang pertama berada pada posisi terminal, dan pada yang terakhir, dimanapun dalam rantai.

Misalnya, pada gambar atas, gugus karbonil berada di dalam kotak biru. Di keton, di sebelah kotak ini pasti ada karbon atau ruas rantai lain (atas); sedangkan di aldehida, hanya boleh ada satu atom hidrogen (bawah).

Jika C = O berada di salah satu ujung rantai, itu akan menjadi aldehida; itulah cara paling langsung untuk membedakannya dari keton.

Indo

Tetapi bagaimana Anda mengetahui secara eksperimental jika senyawa yang tidak diketahui adalah aldehida atau keton? Ada banyak metode, dari spektroskopi (penyerapan radiasi infra merah, IR), atau uji organik kualitatif.

Mengenai tes kualitatif, ini didasarkan pada reaksi yang, bila positif, analis akan mengamati respons fisik; perubahan warna, pelepasan panas, pembentukan gelembung, dll.

Misalnya, saat menambahkan larutan asam K ₂ Cr ₂ O ₇ ke sampel, aldehida akan berubah menjadi asam karboksilat, yang menyebabkan warna larutan berubah dari jingga menjadi hijau (uji positif). Sedangkan keton tidak bereaksi, oleh karena itu analis tidak mengamati adanya perubahan warna (uji negatif).

Pengujian lain terdiri dari penggunaan reagen Tollens, ⁺ , sehingga aldehida mereduksi kation Ag ⁺ menjadi perak metalik. Dan hasilnya: terbentuknya cermin perak di dasar tabung reaksi tempat sampel ditempatkan.

Contoh utama

Akhirnya, sederet contoh senyawa karbonil akan didaftarkan:

-CH ₃ COOH, asam asetat

-HCOOH, asam format

-CH ₃ COCH ₃ , propanone

-CH ₃ COCH ₂ CH ₃ , 2-butanone

-C ₆ H ₅ COCH ₃ , asetofenon

-CH ₃ CHO, etanal

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CHO, pentanal

-C ₆ H ₅ CHO, benzaldehida

-CH ₃ CONH ₂ , asetamid

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOCH ₃ , propil asetat

Sekarang, jika contoh senyawa yang hanya memiliki kelompok ini dikutip, daftarnya akan menjadi hampir tidak ada habisnya.

Referensi

1. Morrison, RT dan Boyd, R, N. (1987). Kimia organik. Edisi ke-5. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
2. Carey F. (2008). Kimia organik. (Edisi keenam). Mc Graw Hill.
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Kimia organik. Amina. (Edisi ke-10.). Wiley Plus.
4. Reid Danielle. (2019). Grup Carbonyl: Properti & Ikhtisar. Belajar. Diperoleh dari: study.com
5. Sharleen Agvateesiri. (05 Juni 2019). Grup Carbonyl. Kimia LibreTexts. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
6. Wiki Kids Ltd. (2018). Senyawa karbonil. Diperoleh dari: simple.science
7. Toppr. (sf). Nomenklatur dan Struktur Grup Karbonil. Diperoleh dari: toppr.com
8. Clark J. (2015). Oksidasi aldehida dan keton. Diperoleh dari: chemguide.co.uk