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- Descrivere la struttura e le proprietà di aldeidi, chetoni, acidi carbossilici, esteri e
un’Altra classe di molecole organiche contiene un atomo di carbonio collegato a un atomo di ossigeno da un doppio legame, comunemente chiamato un gruppo carbonilico. Il carbonio planare trigonale nel gruppo carbonilico può attaccarsi ad altri due sostituenti che portano a diverse sottofamiglie (aldeidi, chetoni, acidi carbossilici ed esteri) descritte in questa sezione.,
Aldeidi e chetoni
Sia le aldeidi che i chetoni contengono un gruppo carbonilico, un gruppo funzionale con un doppio legame carbonio-ossigeno. I nomi dei composti aldeidici e chetonici sono derivati utilizzando regole di nomenclatura simili a quelle degli alcani e degli alcoli e includono i suffissi identificativi della classe-al e-one, rispettivamente:
In un’aldeide, il gruppo carbonilico è legato ad almeno un atomo di idrogeno., In un chetone, il gruppo carbonilico è legato a due atomi di carbonio:
Come un testo, di un’aldeide gruppo è rappresentato come –CHO; un chetone è rappresentato come –C(O)– o –CO–.
Sia nelle aldeidi che nei chetoni, la geometria attorno all’atomo di carbonio nel gruppo carbonilico è trigonale planare; l’atomo di carbonio presenta ibridazione sp2. Due degli orbitali sp2 sull’atomo di carbonio nel gruppo carbonile sono usati per formare legami σ con gli altri atomi di carbonio o idrogeno in una molecola., Il restante orbitale ibrido sp2 forma un legame σ con l’atomo di ossigeno. L’orbitale p non ibridato sull’atomo di carbonio nel gruppo carbonile si sovrappone a un orbitale p sull’atomo di ossigeno per formare il legame π nel doppio legame.
Figura 1. Il gruppo carbonilico è polare e la geometria dei legami attorno al carbonio centrale è planare trigonale.,
Come il legame \text{C}=\text{O} nell’anidride carbonica, il legame \text{C}=\text{O} di un gruppo carbonilico è polare (ricordiamo che l’ossigeno è significativamente più elettronegativo del carbonio e gli elettroni condivisi vengono tirati verso l’atomo di ossigeno e lontani dall’atomo di carbonio). Molte delle reazioni di aldeidi e chetoni iniziano con la reazione tra una base di Lewis e l’atomo di carbonio all’estremità positiva del legame polare \text{C}=\text{O} per produrre un intermedio instabile che subisce successivamente uno o più riarrangiamenti strutturali per formare il prodotto finale (Figura 1).,
L’importanza della struttura molecolare nella reattività dei composti organici è illustrata dalle reazioni che producono aldeidi e chetoni. Possiamo preparare un gruppo carbonilico mediante ossidazione di un alcool – per le molecole organiche, l’ossidazione di un atomo di carbonio si dice che si verifichi quando un legame carbonio-idrogeno viene sostituito da un legame carbonio-ossigeno. La reazione inversa-sostituendo un legame carbonio-ossigeno con un legame carbonio-idrogeno-è una riduzione di quell’atomo di carbonio. Ricordiamo che all’ossigeno viene generalmente assegnato un numero di ossidazione -2 a meno che non sia elementare o collegato a un fluoro., All’idrogeno viene generalmente assegnato un numero di ossidazione di +1 a meno che non sia collegato a un metallo. Poiché il carbonio non ha una regola specifica, il suo numero di ossidazione è determinato algebricamente considerando gli atomi a cui è collegato e la carica complessiva della molecola o dello ion. In generale, un atomo di carbonio collegato a un atomo di ossigeno avrà un numero di ossidazione più positivo e un atomo di carbonio collegato a un atomo di idrogeno avrà un numero di ossidazione più negativo. Questo dovrebbe adattarsi perfettamente alla tua comprensione della polarità dei legami C–O e C–H., Gli altri reagenti e i prodotti di queste reazioni sono oltre la portata di questo capitolo, quindi ci concentreremo solo sulle modifiche al atomi di carbonio:
Esempio 1: Ossidazione e Riduzione in Chimica Organica
il Metano rappresenta completamente la forma ridotta di una molecola organica che contiene un atomo di carbonio., In sequenza sostituzione di ciascuno dei legami carbonio-idrogeno con una in carbonio-ossigeno bond porterebbe ad un alcol, poi un’aldeide, quindi un acido carbossilico (discussa più avanti), e, infine, il biossido di carbonio:
{\text{CH}}_{4}\rightarrow{\text{CH}}_{3}\text{OH}\rightarrow{\text{CH}}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{HCO}}_{2}\text{H}\rightarrow{\text{CO}}_{2}
Quali sono i numeri di ossidazione per gli atomi di carbonio nelle molecole mostrato qui?,
Aldeidi sono comunemente preparato dall’ossidazione di alcoli di cui –OH gruppo funzionale è situato l’atomo di carbonio al fine della catena di atomi di carbonio nell’alcool:
Alcoli che hanno i loro gruppi OH, nel mezzo della catena sono necessari per sintetizzare un chetone, che richiede che il gruppo carbonilico di essere legato ad altri due atomi di carbonio:
Un alcol con il suo gruppo OH legato a un atomo di carbonio è legato a nessun o un altro atomo di carbonio si forma un’aldeide., Un alcol con il suo gruppo-OH attaccato ad altri due atomi di carbonio formerà un chetone. Se tre carboni sono attaccati al carbonio legato al-OH, la molecola non avrà un legame C-H da sostituire, quindi non sarà suscettibile all’ossidazione.
La formaldeide, un’aldeide con la formula HCHO, è un gas incolore con un odore pungente e irritante. Viene venduto in una soluzione acquosa chiamata formalina, che contiene circa il 37% di formaldeide in peso., La formaldeide provoca la coagulazione delle proteine, quindi uccide i batteri (e qualsiasi altro organismo vivente) e ferma molti dei processi biologici che causano il decadimento del tessuto. Pertanto, la formaldeide viene utilizzata per preservare campioni di tessuto e corpi di imbalsamazione. Inoltre è usato per sterilizzare il suolo o altri materiali. La formaldeide viene utilizzata nella produzione di Bachelite, una plastica dura ad alta resistenza chimica ed elettrica.
Il dimetilchetone, CH3COCH3, comunemente chiamato acetone, è il chetone più semplice. È fatto commercialmente fermentando mais o melassa, o per ossidazione di 2-propanolo., L’acetone è un liquido incolore. Tra i suoi molti usi sono come solvente per lacca (incluso smalto per unghie), acetato di cellulosa, nitrato di cellulosa, acetilene, plastica e vernici; come solvente per vernici e vernici; e come solvente nella produzione di prodotti farmaceutici e chimici.
È possibile visualizzare la trascrizione per “Aldeidi e chetoni: denominazione + proprietà” qui (si apre in una nuova finestra).
Acidi ed esteri carbossilici
L’odore dell’aceto è causato dalla presenza di acido acetico, un acido carbossilico, nell’aceto., L’odore delle banane mature e di molti altri frutti è dovuto alla presenza di esteri, composti che possono essere preparati dalla reazione di un acido carbossilico con un alcol. Poiché gli esteri non hanno legami idrogeno tra le molecole, hanno pressioni di vapore inferiori rispetto agli alcoli e agli acidi carbossilici da cui sono derivati (vedi Figura 2).
Figura 2. Gli esteri sono responsabili degli odori associati a varie piante e ai loro frutti.,
Sia gli acidi carbossilici che gli esteri contengono un gruppo carbonilico con un secondo atomo di ossigeno legato all’atomo di carbonio nel gruppo carbonilico da un singolo legame. In un acido carbossilico, il secondo atomo di ossigeno si lega anche a un atomo di idrogeno. In un estere, il secondo atomo di ossigeno si lega a un altro atomo di carbonio., I nomi per acidi carbossilici ed esteri includono i prefissi che indicano le lunghezze delle catene di carbonio nelle molecole e sono derivati seguenti regole di nomenclatura simile a quelli inorganici, acidi e sali (vedi questi esempi):
I gruppi funzionali per un acido e per un estere sono mostrati in rosso in queste formule.,
L’atomo di idrogeno nel gruppo funzionale di un acido carbossilico reagirà con una base per formare un sale ionico:
Gli acidi carbossilici sono acidi deboli (vedi il capitolo su acidi e basi), il che significa che non sono ionizzati al 100% in acqua. Generalmente solo circa l ‘ 1% delle molecole di un acido carbossilico disciolto in acqua sono ionizzate in un dato momento. Le molecole rimanenti non sono associate in soluzione.,
Prepariamo acidi carbossilici mediante l’ossidazione di aldeidi o alcoli il cui gruppo funzionale-OH si trova sull’atomo di carbonio all’estremità della catena di atomi di carbonio nell’alcool:
Gli esteri sono prodotti dalla reazione di acidi con alcoli. Ad esempio, l’acetato di etile estere, CH3CO2CH2CH3, si forma quando l’acido acetico reagisce con l’etanolo:
L’acido carbossilico più semplice è l’acido formico, HCO2H, noto dal 1670., Il suo nome deriva dalla parola latina formicus, che significa “formica”; fu isolato per la prima volta dalla distillazione di formiche rosse. È parzialmente responsabile del dolore e dell’irritazione delle punture di formiche e vespe ed è responsabile di un odore caratteristico delle formiche che a volte può essere rilevato nei loro nidi.
L’acido acetico, CH3CO2H, costituisce il 3-6% di aceto. L’aceto di sidro è prodotto permettendo al succo di mela di fermentare senza ossigeno presente. Le cellule di lievito presenti nel succo svolgono le reazioni di fermentazione., Le reazioni di fermentazione cambiano lo zucchero presente nel succo in etanolo, quindi in acido acetico. L’acido acetico puro ha un odore penetrante e produce ustioni dolorose. È un ottimo solvente per molti composti organici e alcuni inorganici, ed è essenziale nella produzione di acetato di cellulosa, un componente di molte fibre sintetiche come il rayon.
Figura 3. Oltre 350 diverse molecole volatili (molti membri della famiglia degli esteri) sono state identificate nelle fragole., (credit: Rebecca Siegel)
È possibile visualizzare la trascrizione per “Acidi carbossilici: denominazione + proprietà” qui (si apre in una nuova finestra).
Concetti chiave e sommario
I gruppi funzionali relativi al gruppo carbonilico includono il gruppo –CHO di un’aldeide, il gruppo –CO– di un chetone, il gruppo –CO2H di un acido carbossilico e il gruppo –CO2R di un estere., Il gruppo carbonilico, un carbonio-ossigeno doppio legame, è la struttura chiave in queste classi di molecole organiche: Aldeidi contiene almeno un atomo di idrogeno fissato per il carbonile atomo di carbonio, chetoni contengono due gruppi di carbonio fissato per il carbonile atomo di carbonio, acidi carbossilici contenenti un gruppo ossidrile in allegato al carbonile atomo di carbonio, e gli esteri contengono un atomo di ossigeno collegato ad un altro carbonio, gruppo collegato al carbonile atomo di carbonio. Tutti questi composti contengono atomi di carbonio ossidati rispetto all’atomo di carbonio di un gruppo alcolico.,
Glossario
aldeide: composto organico contenente un gruppo carbonilico legato a due atomi di idrogeno o di un atomo di idrogeno e carbonio sostituente
gruppo carbonilico: atomo di carbonio doppio legame di un atomo di ossigeno
acido carbossilico: composto organico contenente un gruppo carbonilico con allegato un gruppo ossidrile
estere: composto organico contenente un gruppo carbonilico con allegato un atomo di ossigeno è legato ad un carbonio sostituente
chetone: composto organico contenente un gruppo carbonilico di carbonio con due sostituenti allegate
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