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20.3: Aldeídos, Cetonas, Ácidos Carboxílicos e Ésteres

Aldeídos e Cetonas

Ambos os aldeídos e cetonas contêm um grupo carbonila, um grupo funcional com um carbono-oxigênio ligação dupla. Os nomes dos compostos de aldeído e cetona são derivados usando regras de nomenclatura semelhantes às dos alcanos e álcoois, e incluem os sufixos identificadores de classe-al e-one, respectivamente.

num aldeído, o grupo carbonilo Está ligado a pelo menos um átomo de hidrogénio. Em uma cetona, o grupo carbonila é ligado a dois átomos de carbono. Como texto, um grupo aldeído é representado como-CHO; uma cetona é representada como– C(o) –ou–CO -.

em aldeídos e cetonas, a geometria em torno do átomo de carbono no grupo carbonila é o plano trigonal; o átomo de carbono exibe hibridização sp2. Dois dos orbitais sp2 no átomo de carbono no grupo carbonila são usados para formar ligações σ Para os outros átomos de carbono ou hidrogênio em uma molécula. O restante orbital híbrido sp2 forma uma ligação σ ao átomo de oxigênio. A orbital p não-hibridizada no átomo de carbono no grupo carbonila sobrepõe-se a uma orbital p no átomo de oxigénio para formar a ligação π Na ligação dupla.

Como a ligação \(\mathrm{C=o}\) em dióxido de carbono, a ligação \(\mathrm{C=o}\) de um grupo carbonilo é polar (lembre-se que o oxigênio é significativamente mais eletronegativo do que o carbono, e os elétrons compartilhados são puxados para o átomo de oxigênio e para longe do átomo de carbono). Muitas das reações de aldeídos e cetonas iniciar com a reação entre uma base de Lewis e o átomo de carbono no efeito positivo do polar \(\mathrm{C=O}\) bond para produzir um intermediário instável que, posteriormente, passa por um ou mais rearranjos estruturais para formar o produto final (Figura \(\PageIndex{1}\)).

Figure \(\PageIndex{1}\): o grupo carbonilo é polar, e a geometria das ligações em torno do carbono central é trigonal planar.

A importância da estrutura molecular na reatividade dos compostos orgânicos é ilustrado pelas reações que produzem aldeídos e cetonas. Nós podemos preparar um grupo carbonila por oxidação de um álcool—para moléculas orgânicas, oxidação de um átomo de carbono é dito ocorrer quando uma ligação carbono-hidrogênio é substituído por uma ligação carbono-oxigênio. A reação reversa-substituindo uma ligação carbono-oxigênio por uma ligação carbono-hidrogênio—é uma redução desse átomo de carbono. Lembre-se que o oxigênio é geralmente atribuído um número de oxidação a -2, a menos que seja elementar ou ligado a um flúor. Hidrogénio é geralmente atribuído um número de oxidação de +1, a menos que esteja ligado a um metal. Uma vez que o carbono não tem uma regra específica, o seu número de oxidação é determinado algebricamente pela factoração dos átomos a que está ligado e a carga geral da molécula ou íon. Em geral, um átomo de carbono ligado a um átomo de oxigénio terá um número de oxidação mais positivo e um átomo de carbono ligado a um átomo de hidrogénio terá um número de oxidação mais negativo. Isto deve encaixar–se bem com a sua compreensão da polaridade das ligações C–O E C-H. Os outros reagentes e produtos das reações estão além do escopo deste capítulo, portanto, vamos nos concentrar apenas sobre as alterações aos átomos de carbono:

Exemplo de \(\PageIndex{1}\): Oxidação e Redução em Química Orgânica

o Metano representa completamente a forma reduzida de uma molécula orgânica que contém um átomo de carbono. Sequencialmente a substituição de cada uma das carbono-hidrogénio com um carbono-oxigênio bond levaria a um álcool, em seguida, um aldeído, em seguida, um ácido carboxílico (discutido mais tarde), e, finalmente, dióxido de carbono:

\

o Que são os números de oxidação para os átomos de carbono nas moléculas mostradas aqui?

Solução

neste exemplo, podemos calcular o número de oxidação (reveja o capítulo em reações de oxidação e redução, se necessário) para o átomo de carbono em cada caso (note como isso iria tornar-se difícil para moléculas maiores com adicional de átomos de carbono e átomos de hidrogênio, que é porque os químicos orgânicos usam a definição de lidar com a substituição de C–H obrigações com o C–S obrigações descritas).

  • Para o CH4, o átomo de carbono carrega uma -4 número de oxidação (os átomos de hidrogênio são atribuídos números de oxidação de +1 e o átomo de carbono saldos que, por ter um número de oxidação -4)
  • Para o álcool (neste caso, o metanol), o átomo de carbono tem um número de oxidação de -2 (o átomo de oxigênio é atribuído -2, os quatro átomos de hidrogênio de cada um são atribuídos +1, e o átomo de carbono saldos a soma por ter um número de oxidação -2; note que, em comparação com o átomo de carbono no CH4, este átomo de carbono perdeu dois elétrons por isso foi oxidado)
  • Para o aldeído, o átomo de carbono do número de oxidação 0 (-2 para o átomo de oxigênio e +1 para cada átomo de hidrogênio já saldos para 0, então o número de oxidação do átomo de carbono é 0)
  • Para o ácido carboxílico, o átomo de carbono do número de oxidação é +2 (dois átomos de oxigênio de cada um em -2 e dois átomos de hidrogênio +1)
  • Para o dióxido de carbono, o átomo de carbono do número de oxidação de +4 (aqui, o átomo de carbono precisa equilibrar o -4 soma de dois átomos de oxigênio).

Exercício de \(\PageIndex{1}\)

Indique se o marcado átomos de carbono em três moléculas aqui é oxidado ou reduzido em relação à marcado átomo de carbono em etanol:

não Há necessidade de calcular estados de oxidação neste caso; em vez disso, basta comparar os tipos de átomos ligados marcado átomos de carbono:

Resposta

reduzida (bond para o átomo de oxigênio substituído pelo vínculo para o átomo de hidrogênio);

a Resposta b

oxidado (de um título para o átomo de hidrogênio substituído por um vínculo para o átomo de oxigênio);

a Resposta c

oxidado (2 títulos, para os átomos de hidrogênio foram substituídos por títulos, para um átomo de oxigênio)

Aldeídos são normalmente preparado pela oxidação de álcoois cujo –OH do grupo funcional está localizado no átomo de carbono no final da cadeia de átomos de carbono do álcool:

Álcoois que tem o seu –OH grupos no meio da cadeia, que são necessários para sintetizar uma cetona, que exige que o grupo carbonila para ser ligado a outros dois átomos de carbono:

Um álcool com o seu grupo –OH ligado a um átomo de carbono que está ligado a nenhum ou um outro átomo de carbono formam um aldeído. Um álcool com o seu grupo OH ligado a outros dois átomos de carbono irá formar uma cetona. Se três carbonos forem ligados ao carbono ligado ao –OH, a molécula não terá uma ligação C–H a ser substituída, por isso não será suscetível à oxidação.

formaldeído, um aldeído com a fórmula HCHO, é um gás incolor com um odor pungente e irritante. É vendido em uma solução aquosa chamada formalina, que contém cerca de 37% de formaldeído em peso. O formaldeído causa coagulação de proteínas, por isso mata bactérias (e qualquer outro organismo vivo) e impede muitos dos processos biológicos que causam a deterioração do tecido. Assim, o formaldeído é usado para preservar espécimes de tecidos e corpos embalsamadores. Também é usado para esterilizar o solo ou outros materiais. O formaldeído é usado na fabricação de Bakelite, um plástico duro com alta resistência química e elétrica.

dimetil cetona, CH3COCH3, comumente chamado acetona, é a cetona mais simples. É produzido comercialmente por fermentação de milho ou melaço, ou por oxidação de 2-propanol. Acetona é um líquido incolor. Entre seus muitos usos estão como solvente para verniz (incluindo verniz de unhas), acetato de celulose, nitrato de celulose, acetileno, Plásticos e vernizes; como um removedor de tinta e verniz; e como um solvente na fabricação de produtos farmacêuticos e químicos.

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