¿Qué es el grupo carbonilo?
El grupo carbonilo es un grupo funcional orgánico y oxigenado que se asemeja a la molécula gaseosa de monóxido de carbono. Se representa como C=O, y aunque se considera orgánico, puede encontrársele también en compuestos inorgánicos, como el ácido carbónico, H2CO3, o en compuestos organometálicos con el CO como ligante.
No obstante, en la química del carbono, de la vida, bioquímica y otras análogas ramas científicas, este grupo destaca por su enorme importancia. Si no fuera por él, muchas moléculas no podrían interactuar con el agua. Proteínas, azúcares, aminoácidos, grasas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas no existirían de no ser por él.
El grupo carbonilo es bastante común para quienes estudian ciencias naturales o de la salud: está en todas partes, y sin él los mecanismos moleculares que suceden en nuestras células no ocurrirían.
Si se pudiera resumir su relevancia, se diría que aporta polaridad, acidez y reactividad a una molécula. Donde haya un grupo carbonilo, es más que probable que justo en ese punto la molécula pueda sufrir una transformación. Por lo tanto, es un sitio estratégico para desarrollar síntesis orgánicas a través de oxidaciones o ataques nucleofílicos.
Propiedades del grupo carbonilo
En la imagen superior puede apreciarse, utilizando las letras R1 y R2, que existe entre los sustituyentes y el átomo de oxígeno un ángulo de 120 °C, es decir, que la geometría en torno a este grupo es plano trigonal.
Para que tal sea la geometría los átomos de carbono y oxígeno, necesariamente deben tener hibridación química sp2. Así, el carbono tendrá tres orbitales sp2 para formar enlaces covalentes simples con R1 y R2, y un orbital p puro para establecer el doble enlace con el oxígeno.
De esta manera se explica cómo puede haber un doble enlace C=O.
Si se observa la imagen se verá que el oxígeno presenta mayor densidad electrónica, δ-, que el carbono, δ+. Esto se debe a que el oxígeno es más electronegativo que el carbono, y por tanto le “roba” densidad electrónica. Y no solo a él, sino inclusive también a los sustituyentes R1 y R2.
En consecuencia, se genera un momento dipolar permanente, el cual puede ser de mayor o menor magnitud dependiendo de la estructura molecular. Donde haya un grupo carbonilo, habrá momentos dipolares.
Estructuras de resonancia
Otra consecuencia de la electronegatividad del oxígeno es que en el grupo carbonilo haya estructuras de resonancia que definen un híbrido (la combinación de las dos estructuras de la imagen superior). Nótese que el par de electrones puede migrar hacia el orbital p del oxígeno, lo cual deja el átomo de carbono con una carga parcial positiva: un carbocatión.
Ambas estructuras se suceden constantemente, por lo que el carbono mantiene una deficiencia constante de electrones. Es decir, que para los cationes que estén muy cerca de él experimentarán una repulsión electrostática. Pero, si se trata de un anión, o una especie capaz de donar electrones, sentirá una atracción fuerte por este carbono.
Entonces ocurre lo que se conoce como ataque nucleofílico, lo cual se explicará más adelante.
Nomenclatura del grupo carbonilo
Cuando un compuesto posee el grupo C=O, se dice que es carbonílico. Así, dependiendo de la naturaleza del compuesto carbonílico, este posee sus propias reglas de nomenclatura.
Aunque, sin importar cuál sea, todos comparten una regla en común: el C=O tiene prioridad en la cadena carbonada al momento de enumerar los átomos de carbono.
Esto significa que si hay ramificaciones, átomos de halógenos, grupos funcionales nitrogenados, dobles o triples enlaces, ninguno puede llevar un número localizador menor que el C=O, por lo tanto, se empieza a enumerar la cadena más larga lo más cercano posible al grupo carbonilo.
Si, por el contrario, hay varios C=O en la cadena, y uno de ellos forma parte de un grupo funcional de mayor jerarquía, entonces el grupo carbonilo llevará un localizador mayor y se mencionará como un sustituyente oxo.
Dicha jerarquía es la siguiente, de mayor a menor:
- Ácidos carboxílicos, RCOOH.
- Éster, RCOOR’.
- Amida, RCONH2
- Aldehído, RCOH (o RCHO).
- Cetona, RCOR
Sustituyendo R y R’ por segmentos moleculares, se originan un sinfín de compuestos carbonílicos representados por las familias de arriba: ácidos carboxílicos, ésteres, amidas, etc. Cada uno tiene asociado su nomenclatura tradicional o IUPAC.
Reactividad del grupo carbonilo
Ataque nucleofílico
En la imagen superior se muestra el ataque nucleofílico que sufre el grupo carbonilo. El nucleófilo, Nu–, puede ser un anión o una especie neutra con pares de electrones disponibles, como el amoníaco, NH3, por ejemplo. Este busca exclusivamente al carbono porque, de acuerdo a las estructuras de resonancia, presenta una carga parcial positiva.
La carga positiva atrae a Nu–, que buscará aproximarse por un “flanco” tal que haya el menor impedimento estérico por parte de los sustituyentes R y R’. Dependiendo de cuán voluminosos sean, o del tamaño del mismo Nu–, el ataque ocurrirá a diferentes ángulos ψ: puede ser muy abierto o cerrado.
Una vez que suceda el ataque, se formará un compuesto intermediario, Nu-CRR’-O–, es decir, el oxígeno se queda con un par de electrones para permitir que se adicione Nu– al grupo carbonilo.
Este oxígeno cargado negativamente puede intervenir en otros pasos de la reacción, protonarse como grupo hidroxilo, OH, o liberarse como una molécula de agua.
Los mecanismos implicados, así como los productos de la reacción obtenidos por este ataque, son muy variados.
Derivados
El agente nucleofílico Nu– puede tratarse de muchas especies. Para cada uno en específico, al reaccionar con el grupo carbonilo, origina distintos derivados.
Por ejemplo, cuando dicho agente nucleofílico es una amina, NH2R, se originan iminas, R2C=NR. Si es la hidroxilamina, NH2OH, da lugar a las oximas, RR’C=NOH. Si es el anión cianuro, CN–, se producen cianohidrinas, RR’C(OH)CN, y así con otras especies.
Reducción
Al principio se dijo que este grupo está oxigenado, y por lo tanto, oxidado. Esto significa que, dadas las condiciones, puede reducirse o perder enlaces con el átomo de oxígeno reemplazándolo con hidrógenos. Por ejemplo:
C=O => CH2
Esta transformación indica que el grupo carbonilo se redujo a un grupo metileno, hubo ganancia de hidrógeno a raíz de la pérdida del oxígeno. En términos químicos más apropiados: el compuesto carbonílico se reduce a un alcano.
Si se trata de una cetona, RCOR’, en presencia de hidracina, H2N-NH2, y un medio fuertemente básico puede reducirse a su respectivo alcano, esta reacción se conoce como reducción de Wolff-Kishner:
Si, por otro lado, la mezcla de reacción consiste en zinc amalgamado y ácido clorhídrico, la reacción se conoce como reducción de Clemmensen:
Formación de acetales y cetales
El grupo carbonilo no solo puede adicionar agentes nucleofílicos Nu–, sino que en condiciones ácidas puede reaccionar además con los alcoholes mediante mecanismos similares.
Cuando un aldehído o cetona reacciona parcialmente con un alcohol, se originan hemiacetales o hemicetales, respectivamente. Si la reacción se lleva a cabo completamente, los productos son acetales y cetales. Las siguientes ecuaciones químicas resumen y aclaran mejor lo recién mencionado:
RCHO + R3OH g RCHOH(OR3) (Hemiacetal) + R4OH g RCH(OR3)(OR4) (Acetal)
RCOR2 + R3OH g RCOR2(OH)(OR3) (Hemicetal) + R4OH g RCOR2(OR3)(OR4) (cetal)
La primera reacción corresponde a la formación de hemiacetales y acetales a partir de un aldehído, y la segunda de hemicetales y cetales a partir de una cetona.
Estas ecuaciones quizás no sean lo suficientemente sencillas para explicar la formación de estos compuestos. Sin embargo, para un primer acercamiento al tema basta con entender que los alcoholes se adicionan, y que sus cadenas laterales R (R3 y R4) pasan a enlazarse al carbono carbonílico. Por eso se adicionan OR3 y OR4 a la molécula inicial.
La principal diferencia entre un acetal y cetal, es la presencia del átomo de hidrógeno enlazado al carbono. Nótese que la cetona carece de este hidrógeno.
Tipos de grupo carbonilo
Muy similar a como se explicó en el apartado de nomenclatura para el grupo carbonilo, sus tipos están en función de cuáles son los sustituyentes R y R’. Por lo tanto, existen características estructurales que comparten una serie de compuestos carbonílicos más allá que solo el orden o tipo de enlaces.
Por ejemplo, se mencionó al principio la analogía entre este grupo y el monóxido de carbono, C≡O. Si la molécula está desprovista de átomos de hidrógeno y si además hay dos C=O terminales, se tratará entonces de un óxido de carbono, CnO2. Para n igual a 3, se tendrá:
O=C=C=C=O
Que es como si hubiera dos moléculas de C≡O unidas y separadas por un carbono.
Los compuestos carbonílicos no solo pueden derivar del gas CO, sino también del ácido carbónico, H2CO3 o OH-(C=O)-OH. Aquí los dos OH representan R y R’, y reemplazando bien sea a uno de ellos, o a sus hidrógenos, se obtienen derivados del ácido carbónico.
Y luego están los derivados de ácidos carboxílicos, RCOOH, obtenidos al cambiar las identidades de R, o sustituir H por otro átomo o cadena R’ (lo cual daría lugar a un éster, RCOOR’).
Cómo identificar el grupo carbonilo en aldehídos y cetonas
Tanto los aldehídos como las cetonas tienen en común la presencia del grupo carbonilo. Sus propiedades químicas y físicas se deben a él. Sin embargo, sus entornos moleculares no son iguales en ambos compuestos. En los primeros, se halla en una posición terminal, y en los segundos, en cualquier lugar de la cadena.
Por ejemplo, en la imagen superior el grupo carbonilo está en un recuadro azul. En las cetonas, al lado de este recuadro tiene que haber otro carbono o segmento de cadena (parte de arriba), mientras que en los aldehídos, solamente puede haber un átomo de hidrógeno (parte de abajo).
Si el C=O está en un extremo de la cadena, se tratará de un aldehído. Esa es la manera más directa para diferenciarlo de una cetona.
Identificación
Para saber experimentalmente si un compuesto desconocido es un aldehído o una cetona, existen numerosos métodos, desde espectroscópicos (absorción de radiación infrarroja, IR), o ensayos cualitativos orgánicos.
Respecto a los ensayos cualitativos, se fundamentan en reacciones que al dar positivas el analista observará una respuesta física: un cambio de color, liberación de calor, formación de burbujas, etc.
Por ejemplo, al adicionar a la muestra una solución ácida de K2Cr2O7 el aldehído se transformará en ácido carboxílico, lo cual hace que el color de la solución cambie de anaranjado a verde (prueba positiva). Mientras, las cetonas no reaccionan, y por ende, el analista no observa ningún cambio de color (prueba negativa).
Otro ensayo consiste de utilizar el reactivo de Tollens, [Ag(NH3)2]+, para que el aldehído reduzca los cationes Ag+ a plata metálica. Y el resultado: la formación de un espejo de plata en el fondo del tubo de ensayo donde se colocó la muestra.
Principales ejemplos del grupo carbonilo
Para finalizar, se enlistarán una serie de ejemplos de compuestos carbonílicos:
- CH3COOH, ácido acético.
- HCOOH, ácido fórmico.
- CH3COCH3, propanona.
- CH3COCH2CH3, 2-butanona.
- C6H5COCH3, acetofenona.
- CH3CHO, etanal.
- CH3CH2CH2CH2CHO, pentanal.
- C6H5CHO, benzaldehído.
- CH3CONH2, acetamida.
- CH3CH2CH2COOCH3, acetato de propilo.
De citarse ejemplos de compuestos que simplemente poseen este grupo, la lista se haría virtualmente interminable.
Referencias
- Morrison, R. T. y Boyd, R, N. Química Orgánica. 5ta Edición. Editorial Addison-Wesley Interamericana.
- Carey, F. Química Orgánica (Sexta edición). McGraw Hill.
- Graham Solomons, T.W., Craig B. Fryhle. Organic Chemistry. Amines (10th edition.). Wiley Plus.
- Reid Danielle. Carbonyl Group: Properties & Overview. Recuperado de study.com.
- Sharleen Agvateesiri. The Carbonyl Group. Recuperado de chem.libretexts.org.