カルボニル基は、気体の一酸化炭素分子に類似している酸素の有機官能基です。これはC = Oとして表され、有機と見なされていますが、無機化合物にも含まれています。炭酸、H 2 CO 3など、またはバインダーとしてCOを含む有機金属化合物。
ただし、このグループが非常に重要であることで際立っているのは、炭素の化学、生命、生化学、およびその他の類似の科学分野です。彼がいなければ、多くの分子は水と相互作用することができません。タンパク質、糖、アミノ酸、脂肪、核酸、その他の生体分子は、彼がいなければ存在しなかったでしょう。
カルボニル基。出典：Jü
上の画像は、化合物の一般的な骨格でこのグループがどのように見えるかを示しています。青色で強調表示されていることに注意してください。置換基AとB（RまたはR '、同じように有効）を削除すると、一酸化炭素分子ができます。これらの置換基の存在は、多数の有機分子を定義します。
AとBが金属または非金属元素などの炭素以外の原子である場合、それぞれ有機金属化合物または無機化合物を持つことができます。有機化学の場合、置換基AとBは常に水素原子、炭素鎖、分岐、環状または芳香環の有無にかかわらず、線になります。
これが、なぜカルボニル基が自然科学または健康科学を研究する人々にとって非常に一般的であるかを理解し始める方法です。それは至る所にあり、それがなければ私たちの細胞で発生する分子メカニズムは発生しません。
その関連性を要約することができれば、それは分子の極性、酸性度、および反応性に寄与すると言われます。カルボニル基がある場合、その時点で分子が変換を受ける可能性は非常に高いです。したがって、それは酸化または求核攻撃を介して有機合成を開発するための戦略的なサイトです。
カルボニル基の特徴と性質
カルボニル基の構造的特徴。出典：Azaline Gomberg。
カルボニル基の構造的および電子的特性は何ですか？上記では、AとBの代わりに文字R 1とR 2を使用して、置換基と酸素原子の間に120°Cの角度で存在していることがわかります。つまり、このグループの周りのジオメトリは三角形の平面です。
これが幾何学であるためには、炭素原子と酸素原子は必然的にsp 2化学的ハイブリダイゼーションを持たなければなりません。したがって、炭素には3つのsp 2軌道があり、R 1およびR 2と単一共有結合を形成し、純粋なp軌道は酸素と二重結合します。
これは、C = O二重結合がどのように存在する可能性があるかを説明しています。
画像を観察すると、酸素の炭素密度δ+よりも電子密度δ-が高いこともわかります。これは、酸素の方が炭素よりも電気陰性度が高いため、酸素の電子密度が「奪われる」ためです。そして彼だけでなく、R 1とR 2置換基も。
その結果、永続的な双極子モーメントが生成されます。これは、分子構造に応じて大きさが大きくなる場合と小さくなる場合があります。カルボニル基があるところはどこでも、双極子モーメントがあります。
共鳴構造
この有機基の2つの共鳴構造。出典：Mfomich
酸素の電気陰性度の別の結果は、カルボニル基にハイブリッドを定義する共鳴構造があることです（上の画像の2つの構造の組み合わせ）。電子のペアは酸素のp軌道に向かって移動できることに注意してください。これにより、炭素原子に正の部分電荷が残ります。カルボカチオン。
どちらの構造も常に成功しているため、炭素は常に電子不足を維持しています。つまり、非常に近いカチオンの場合、静電反発力が発生します。しかし、それが陰イオン、または電子を提供できる種である場合、この炭素の強い魅力を感じるでしょう。
次に、求核攻撃として知られているものが発生します。これについては、次のセクションで説明します。
命名法
化合物がC = Oの基を持っている場合、それはカルボニルであると言われます。したがって、カルボニル化合物の性質に応じて、独自の命名規則があります。
それが何であれ、それらはすべて共通の規則を共有しますが、炭素原子をリストする場合、炭素鎖ではC = Oが優先されます。
これは、分岐、ハロゲン原子、窒素官能基、二重結合または三重結合がある場合、C = O未満のロケーター数を持つことができないことを意味します。したがって、最長の鎖は可能な限りカルボニル基の近くにリストされ始めます。
一方、チェーンに複数のC = Oがあり、そのうちの1つがより高い官能基の一部である場合、カルボニル基はより大きなロケーターを持ち、オキソ置換基として言及されます。
そして、この階層は何ですか？以下は、最高から最低までです。
-カルボン酸、RCOOH
-エステル、RCOOR '
-アミド、RCONH 2
-アルデヒド、RCOH（またはRCHO）
-ケトン、RCOR
分子セグメントの代わりにRとR 'を使用すると、上記のファミリーで表される無限の数のカルボニル化合物が生成されます：カルボン酸、エステル、アミドなど。それぞれが、その伝統的なまたはIUPACの命名法に関連付けられています。
反応性
求核攻撃
カルボニル基に対する求核攻撃。出典：Benjah-bmm27
上の画像は、カルボニル基による求核攻撃を示しています。求核試薬、Nuは- 、アニオンまたは利用可能な電子対を有する中性種であることができます。たとえば、アンモニア、NH 3など。共鳴構造によれば、それは正の部分電荷を持っているため、それは炭素のみを探します。
正電荷は、ニュー引き付け- R及びR「置換基から最小の立体障害があるように、「隣接する」ことによってアプローチを追求します。それらの大きさ、またはNu 自体のサイズに応じて、攻撃はさまざまな角度で発生しますoccur; 非常に開いていても閉じていてもかまいません。
攻撃が発生すると、中間化合物であるNu-CRR'-O- が形成されます。すなわち、酸素がニュを可能にするために電子対で残されている-ために追加カルボニル基に。
この負に帯電した酸素は、反応の他のステップに介入する可能性があります。OH基としてプロトン化されるか、水分子として放出されます。
関与するメカニズム、およびこの攻撃によって得られる反応生成物は、非常に多様です。
デリバティブ
求核剤Nuは-多くの種のものとすることができます。具体的には、それぞれについて、カルボニル基と反応すると、異なる誘導体が発生します。
例えば、前記求核剤がアミン、NH 2 R、イミンである場合、R 2 C = NR; それがヒドロキシルアミンである場合、NH 2 OHはオキシムを生じる、RR'C = NOH; それはシアン化物アニオンである場合、CN - 、シアノヒドリンは、RR'C（OH）CNを製造など他の種との上にあります。
削減
最初、このグループは酸素を含んでいるため、さびていると言われていました。これは、条件が与えられると、それを水素で置き換えることにより、酸素原子との結合を減少または失う可能性があることを意味します。例えば：
C = O => CH 2
この変換は、カルボニル基がメチレン基に還元されたことを示しています。酸素が失われた結果、水素が増えた。より適切な化学用語では、カルボニル化合物はアルカンに還元されます。
それがケトンである場合、RCOR 'は、ヒドラジン、H 2 N-NH 2、および強塩基性媒体の存在下で、それぞれのアルカンに還元することができます。この反応は、Wolff-Kishner還元として知られています。
Wolff-Kishnerの削減。出典：Jü
一方、反応混合物がアマルガム化された亜鉛と塩酸からなる場合、反応はクレメンセン還元として知られています。
クレメンセン還元。出典：ウィキメディア・コモンズ。
アセタールとケタールの形成
カルボニル基は、求核剤を追加することができないだけのNu -が、それは同様のメカニズムによりアルコールともに反応し得る酸性条件下。
アルデヒドまたはケトンがアルコールと部分的に反応すると、それぞれヘミアセタールまたはヘミセタールが生成されます。反応が完了すると、生成物はアセタールとケタールになります。以下の化学式は、前述のことを要約し、より明確にします。
RCHO + R 3 OH g RCHOH（OR 3）（ヘミアセタール）+ R 4 OH g RCH（OR 3）（OR 4）（アセタール）
RCOR 2 + R 3 OH g RCOR 2（OH）（OR 3）（ヘミセタール）+ R 4 OH g RCOR 2（OR 3）（OR 4）（ケタール）
最初の反応は、アルデヒドからのヘミアセタールとアセタールの形成に対応し、2番目の反応は、ケトンからのヘミセタールとケタールの形成に対応します。
これらの方程式は、これらの化合物の形成を説明するのに十分単純ではない場合があります。しかし、主題への最初のアプローチでは、アルコールが追加され、それらの側鎖R（R 3およびR 4）がカルボニル炭素に結合することを理解することで十分です。そのため、OR 3とOR 4が最初の分子に追加されます。
アセタールとケタールの主な違いは、炭素に結合した水素原子の存在です。ケトンにはこの水素がないことに注意してください。
タイプ
カルボニル基の命名法のセクションで説明したのと非常によく似ており、そのタイプは、置換基AとB、またはRとR 'の関数です。したがって、結合の順序や種類だけでなく、一連のカルボニル化合物を共有する構造上の特徴があります。
たとえば、このグループと一酸化炭素C = Oの類似性の冒頭で言及されました。分子に水素原子がなく、2つの末端C = Oもある場合、それは炭素酸化物C n O 2になります。nが3の場合、次のようになります。
O = C = C = C = O
これは、2つのC andO分子が炭素によって結合および分離されているかのようです。
カルボニル化合物は、COガスだけでなく、炭酸、H 2 CO 3またはOH-（C = O）-OHからも得られます。ここで2つのOHはRとR 'を表し、それらの1つまたはそれらの水素の代わりに、炭酸の誘導体が得られます。
そして、RのIDを変更するか、Hを別の原子または鎖R 'で置換することにより得られるカルボン酸の誘導体RCOOH（エステル、RCOOR'を生成する）があります。
アルデヒドとケトンでそれを識別する方法
ケトンとアルデヒドの構造式からの区別。出典：ガブリエルボリバル
アルデヒドとケトンの両方が共通してカルボニル基の存在を持っています。その化学的および物理的特性はそれによるものです。ただし、それらの分子環境は両方の化合物で同じではありません。前者では最終位置にあり、後者ではチェーンのどこにでもあります。
たとえば、上の画像では、カルボニル基は青いボックス内にあります。ケトンでは、このボックスの隣に別の炭素または鎖セグメントがあるはずです（上）。アルデヒドの場合、水素原子は1つしかありません（下）。
C = Oが鎖の一端にある場合、それはアルデヒドになります。それがケトンと区別する最も直接的な方法です。
ID
しかし、未知の化合物がアルデヒドまたはケトンであるかどうかを実験的に知るにはどうすればよいでしょうか。分光法（赤外線、IRの吸収）、または定性的な有機テストから、多くの方法があります。
質的テストに関しては、これらは、陽性の場合、アナリストが物理的反応を観察する反応に基づいています。色の変化、熱の放出、泡の形成など
たとえば、K 2 Cr 2 O 7の酸性溶液をサンプルに追加すると、アルデヒドがカルボン酸に変化し、溶液の色がオレンジ色から緑色に変化します（陽性テスト）。一方、ケトンは反応しないため、分析者は色の変化を観察しません（ネガティブテスト）。
別のテストでは、Tollens試薬+を使用して、アルデヒドがAg +カチオンを金属銀に還元します。そして結果：サンプルが置かれた試験管の底に銀の鏡が形成された。
主な例
最後に、一連のカルボニル化合物の例を示します。
-CH 3 COOH、酢酸
-HCOOH、ギ酸
-CH 3 COCH 3、プロパノン
-CH 3 COCH 2 CH 3、2-ブタノン
-C 6 H 5 COCH 3、アセトフェノン
-CH 3 CHO、エタナール
-CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CHO、ペンタナール
-C 6 H 5 CHO、ベンズアルデヒド
-CH 3 CONH 2、アセトアミド
-CH 3 CH 2 CH 2 COOCH 3、酢酸プロピル
さて、このグループを単純に所有する化合物の例を引用すると、リストはほぼ無限大になります。
参考文献
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