leerresultaten
- Beschrijf de structuur en eigenschappen van aldehyden, ketonen, carbonzuren en esters
een andere klasse van organische moleculen bevat een koolstofatoom verbonden met een zuurstofatoom door een dubbele binding, gewoonlijk een carbonylgroep genoemd. De trigonale vlakke koolstof in de carbonylgroep kan zich hechten aan twee andere substituenten die leiden tot verschillende subfamilies (aldehyden, ketonen, carbonzuren en esters) die in deze sectie worden beschreven.,
Aldehyden en ketonen
beide aldehyden en ketonen bevatten een carbonylgroep, een functionele groep met een dubbele koolstof-zuurstofbinding. De namen voor aldehyde-en ketonverbindingen zijn afgeleid met behulp van soortgelijke nomenclatuurregels als voor alkanen en alcoholen, en omvatten respectievelijk de achtervoegsels-al en –one:
In een aldehyde is de carbonylgroep gebonden aan ten minste één waterstofatoom., In een keton is de carbonylgroep gebonden aan twee koolstofatomen:
als tekst wordt een aldehydegroep weergegeven als –CHO; een keton wordt weergegeven als –C(O)– of –CO–.
In zowel aldehyden als ketonen is de geometrie rond het koolstofatoom in de carbonylgroep trigonaal vlak; het koolstofatoom vertoont sp2-hybridisatie. Twee van de SP2 orbitalen op het koolstofatoom in de carbonylgroep worden gebruikt om σ-banden aan de andere koolstof of waterstofatomen in een molecuul te vormen., De resterende SP2 hybride orbitaal vormt een σ binding met het zuurstofatoom. De ongehybride p orbitaal op het koolstofatoom in de carbonylgroep overlapt een p orbitaal op het zuurstofatoom om de π binding in de dubbele binding te vormen.
figuur 1. De carbonylgroep is polair en de geometrie van de bindingen rond de centrale koolstof is trigonaal vlak.,
net als de binding \text{C}=\text{O} in koolstofdioxide is de binding\text{C}= \ text{O} van een carbonylgroep polair (bedenk dat zuurstof beduidend elektronegatiever is dan koolstof, en dat de gedeelde elektronen naar het zuurstofatoom en weg van het koolstofatoom worden getrokken). Veel van de reacties van aldehyden en ketonen beginnen met de reactie tussen een Lewis-base en het koolstofatoom aan het positieve einde van de polaire binding \text{C}=\text{O} om een onstabiel tussenproduct op te leveren dat vervolgens een of meer structurele herschikkingen ondergaat om het eindproduct te vormen (figuur 1).,
het belang van moleculaire structuur in de reactiviteit van organische verbindingen wordt geïllustreerd door de reacties die aldehyden en ketonen produceren. We kunnen een carbonylgroep voorbereiden door oxidatie van een alcohol—voor organische moleculen wordt gezegd dat oxidatie van een koolstofatoom optreedt wanneer een koolstof-waterstofbinding wordt vervangen door een koolstof-zuurstofbinding. De omgekeerde reactie-het vervangen van een koolstof-zuurstofbinding door een koolstof-waterstofbinding—is een reductie van dat koolstofatoom. Bedenk dat zuurstof over het algemeen een -2 oxidatiegetal wordt toegekend, tenzij het elementair is of aan een fluor is bevestigd., Waterstof krijgt in het algemeen een oxidatiegetal van +1, tenzij het aan een metaal is bevestigd. Aangezien koolstof geen specifieke regel heeft, wordt het oxidatiegetal algebraïsch bepaald door rekening te houden met de atomen waaraan het is gehecht en de totale lading van het molecuul of ion. In het algemeen zal een koolstofatoom dat aan een zuurstofatoom vastzit een positiever oxidatiegetal hebben en een koolstofatoom dat aan een waterstofatoom vastzit een meer negatief oxidatiegetal. Dit zou mooi moeten passen bij uw begrip van de polariteit van C–O en C-H bindingen., De andere reagentia en mogelijke producten van deze reacties vallen buiten het toepassingsgebied van dit hoofdstuk, dus we zullen ons alleen richten op de veranderingen in de koolstofatomen:
Voorbeeld 1: oxidatie en reductie in Organische Chemie
methaan vertegenwoordigt de volledig gereduceerde vorm van een organisch molecuul dat één koolstofatoom bevat., Achtereenvolgens vervangen van elk van de koolstof-waterstof-obligaties met een koolstof-zuurstof bond zou leiden tot een alcohol, dan is een aldehyde, dan is een carboxylic acid (later besproken), en, ten slotte, kooldioxide:
{\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}
Wat zijn de oxidatie nummers voor de koolstofatomen in de moleculen die hier getoond?,
Aldehyden worden vaak opgesteld door de oxidatie van alcoholen waarvan de –OH functionele groep is gevestigd op het koolstof atoom aan het einde van de keten van koolstofatomen in de alcohol:
Alcohol die hun –OH groepen in het midden van de keten zijn nodig om te synthetiseren van een keton, die vereist dat de carbonyl groep te worden gebonden aan twee andere koolstofatomen:
Een alcohol met de –OH groep gebonden aan een koolstofatoom is gebonden aan geen of een andere koolstof atoom vorm van een aldehyde., Een alcohol met zijn-OH groep verbonden aan twee andere koolstofatomen zal een keton vormen. Als er drie koolstofatomen aan de koolstof gebonden zijn aan de –OH, zal het molecuul geen C–H binding hebben die vervangen moet worden, dus zal het niet gevoelig zijn voor oxidatie.
Formaldehyde, een aldehyde met de formule HCHO, is een kleurloos gas met een prikkelende en irriterende geur. Het wordt verkocht in een waterige oplossing genaamd formaline, die ongeveer 37 gewichtsprocent formaldehyde bevat., Formaldehyde veroorzaakt coagulatie van eiwitten, dus het doodt bacteriën (en elk ander levend organisme) en stopt veel van de biologische processen die ervoor zorgen dat weefsel te bederven. Aldus, wordt formaldehyde gebruikt voor het bewaren van weefselspecimens en balsemen lichamen. Het wordt ook gebruikt om grond of andere materialen te steriliseren. Formaldehyde wordt gebruikt bij de vervaardiging van Bakeliet, een harde kunststof met een hoge chemische en elektrische weerstand.
Dimethylketon, ch3coch3, gewoonlijk aceton genoemd, is het eenvoudigste keton. Het wordt commercieel gemaakt door het fermenteren van maïs of melasse, of door oxidatie van 2-propanol., Aceton is een kleurloze vloeistof. Onder de vele toepassingen zijn als een oplosmiddel voor LAK (met inbegrip van nagellak), celluloseacetaat, cellulosenitraat, acetyleen, kunststoffen en vernissen; als een verf en vernis remover; en als een oplosmiddel in de vervaardiging van geneesmiddelen en chemicaliën.
u kunt het transcript voor “Aldehyden en ketonen: naamgeving + eigenschappen” hier bekijken (opent in een nieuw venster).
carbonzuren en Esters
de geur van azijn wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van azijnzuur, een carbonzuur, in de azijn., De geur van rijpe bananen en vele andere vruchten is te wijten aan de aanwezigheid van esters, verbindingen die kunnen worden bereid door de reactie van een carbonzuur met een alcohol. Omdat esters geen waterstofbindingen hebben tussen moleculen, hebben ze een lagere dampdruk dan de alcoholen en carbonzuren waaruit ze zijn afgeleid (zie Figuur 2).
Figuur 2. Esters zijn verantwoordelijk voor de geuren geassocieerd met verschillende planten en hun vruchten.,
beide carbonzuren en esters bevatten een carbonylgroep met een tweede zuurstofatoom gebonden aan het koolstofatoom in de carbonylgroep door een enkele binding. In een carbonzuur bindt het tweede zuurstofatoom zich ook aan een waterstofatoom. In een ester bindt het tweede zuurstofatoom zich aan een ander koolstofatoom., De namen voor carbonzuren en esters bevatten voorvoegsels die de lengte van de koolstofketens in de moleculen aangeven en zijn afgeleid volgens nomenclatuurregels die vergelijkbaar zijn met die voor anorganische zuren en zouten (zie deze voorbeelden):
de functionele groepen voor een zuur en voor een ester worden in deze formules rood weergegeven.,
het waterstofatoom in de functionele groep van een carbonzuur reageert met een base om een ionenzout te vormen:
carbonzuren zijn zwakke zuren (zie het hoofdstuk over zuren en basen), wat betekent dat ze niet 100% geïoniseerd zijn in water. Over het algemeen slechts ongeveer 1% van de moleculen van een carboxylzuur opgelost in water worden geïoniseerd op een bepaald moment. De overblijvende molecules zijn undissocated in oplossing.,
We bereiden carbonzuren door oxidatie van aldehyden of alcoholen waarvan de functionele groep –OH zich bevindt op het koolstofatoom aan het einde van de keten van koolstofatomen in de alcohol:
Esters worden geproduceerd door de reactie van zuren met alcoholen. De ester-ethylacetaat, CH3CO2CH2CH3, wordt bijvoorbeeld gevormd wanneer azijnzuur reageert met ethanol:
het eenvoudigste carbonzuur is mierenzuur, HCO2H, bekend sinds 1670., De naam komt van het Latijnse woord formicus, wat “mier” betekent; het werd voor het eerst geïsoleerd door de destillatie van rode mieren. Het is gedeeltelijk verantwoordelijk voor de pijn en irritatie van mieren en wespen steken, en is verantwoordelijk voor een karakteristieke geur van mieren die soms kunnen worden gedetecteerd in hun nesten.
azijnzuur, CH3CO2H, bestaat uit 3-6% azijn. Ciderazijn wordt geproduceerd door appelsap te laten fermenteren zonder zuurstof aanwezig. Gistcellen aanwezig in het sap voeren de fermentatiereacties uit., De fermentatiereacties veranderen de suiker in het sap in ethanol en vervolgens in azijnzuur. Zuiver azijnzuur heeft een doordringende geur en produceert pijnlijke brandwonden. Het is een uitstekend oplosmiddel voor veel organische en sommige anorganische verbindingen, en het is essentieel bij de productie van celluloseacetaat, een bestanddeel van vele synthetische vezels zoals rayon.
Figuur 3. Meer dan 350 verschillende vluchtige moleculen (veel leden van de esterfamilie) zijn geïdentificeerd in aardbeien., (credit: Rebecca Siegel)
u kunt het transcript voor “Carboxylic Acids: Naming + Properties” hier bekijken (opent in een nieuw venster).
belangrijke concepten en samenvatting
functionele groepen gerelateerd aan de carbonylgroep zijn de –CHO –groep van een aldehyde, de– CO –groep van een keton, de –CO2H-groep van een carbonzuur en de-CO2R-groep van een ester., De carbonylgroep, een koolstof-zuurstof dubbele binding, is de belangrijkste structuur in deze klassen van organische moleculen: aldehyden bevatten ten minste één waterstofatoom verbonden met het carbonyl koolstofatoom, ketonen bevatten twee koolstofgroepen verbonden met het carbonyl koolstofatoom, carbonzuren bevatten een hydroxylgroep verbonden met het carbonyl koolstofatoom, en esters bevatten een zuurstofatoom verbonden met een andere koolstofgroep verbonden met het carbonyl koolstofatoom. Al deze verbindingen bevatten geoxideerde koolstofatomen ten opzichte van het koolstofatoom van een alcoholgroep.,
Woordenlijst
aldehyde: organische stoffen met een carbonylgroep gebonden aan twee waterstof atomen of een waterstof-atoom en een carbon substituent
carbonylgroep: koolstofatoom dubbel gebonden aan een zuurstof-atoom
carboxylic acid: organische stoffen met een carbonylgroep met een bijgevoegde hydroxyl groep
ester: organische verbinding met een carbonylgroep met een bijgevoegde zuurstof atoom is gebonden aan een koolstof substituent
keton: organische stoffen met een carbonylgroep met twee koolstof substituenten aangesloten op het
Geef een reactie