Funktsionaalrühmade spetsiifilised reaktsioonid
Keemilised reaktsioonid on keemia keskmes ja funktsionaalrühmad on molekulide osad, mis on keemilise aktiivsuse keskmes. Igal funktsionaalrühmal on oma reaktsioonivõime ja omadused, mis võimaldavad mitmesuguseid keemilisi muundumisi. Funktsionaalrühmade spetsiifiliste reaktsioonide mõistmine on võtmetähtsusega molekulide manipuleerimisel ja kujundamisel paljudes valdkondades, alates farmaatsiast kuni materjalitehnoloogiani.
Funktsionaalrühmad: definitsioon ja tähtsus
Funktsionaalrühm on molekulis aatomite rühm, mis toimib reaktiivse üksusena ja määrab molekuli keemilised omadused. Funktsionaalrühmade levinud näited on hüdroksüül (-OH), karbonüül (C=O), karboksüül (-COOH), amino (-NH2) ja eeter (-COC). Igal funktsionaalrühmal on spetsiifilised reaktiivsed omadused, mis võimaldavad toimuda kindlatel keemilistel reaktsioonidel.
Funktsionaalrühmade spetsiifilised reaktsioonid
1. Hüdroksüülrühm (-OH)
Hüdroksüülrühmad esinevad alkoholides ja fenoolides ning neil on mitmesuguseid spetsiifilisi keemilisi reaktsioone.
Oksüdatsioonireaktsioon
Alkohole saab oksüdeerida aldehüüdide, ketoonide ja karboksüülhapete saamiseks. Alkoholide primaarne oksüdeerimine tekitab aldehüüde, mis seejärel oksüdeeritakse karboksüülhapeteks. Sekundaarsed alkoholid oksüdeeritakse ketoonideks.
""
R-CH2OH + [O] → R-CHO + [O] → R-COOH
R-CHOH-R' + [O] → R-CO-R'
""
Dehüdratsioonireaktsioon
Alkoholide dehüdratsioonil võivad tekkida alkeenid ja eetrid. Tugeva happe, näiteks H2SO4, juuresolekul läbivad alkoholid molekulisise dehüdratsiooni alkeenideks või molekulidevahelise dehüdratsiooni eetriteks.
""
R-CH2-CH2OH → R-CH=CH2 + H2O (molekulisisene dehüdratsioon)
2 R-OH → ROR + H2O (molekulidevaheline dehüdratsioon)
""
2. Karbonüülrühm (C=O)
Karbonüülrühmi leidub aldehüüdides, ketoonides ja karboksüülühendites. Nende reaktsioonide hulka kuuluvad nukleofiilne liitumine, redutseerimine ja kondenseerumine.
Nukleofiilne lisamine
Karbonüülrühma süsinik on elektrofiilne ja nukleofiil saab seda rünnata, moodustades alkoholi.
""
R-CO-R' + NuH → RC(OH)(Nu)-R'
""
Redutseerimisreaktsioon
Aldehüüde ja ketoone saab redutseerida alkoholideks redutseerijate, näiteks NaBH4 või LiAlH4, abil.
""
R-CHO + 2[H] → R-CH2OH
R-CO-R' + 2[H] → R-CHOH-R'
""
Aldooli kondensatsioonireaktsioon
Aldoolkondensatsioon hõlmab kahte aldehüüdi- või ketoonimolekuli, mis moodustavad β-hüdroksüaldehüüdi või ketooni ja võivad dehüdreeruda, et moodustada enoon.
""
2 R-CHO → R-CH(OH)-CH(R)-CHO
R-CHOH-CH(R)-CHO → R-CH=CH(R)-CHO + H2O
""
3. Karboksüülrühm (-COOH)
Karboksüülhapetel on sellised reaktsioonid nagu deprotoneerimine, esterdamine ja redutseerimine.
Deprotonatsioonireaktsioon
Karboksüülhapped (R-COOH) võivad kaotada prootoneid, moodustades karboksülaate (R-COO⁻).
""
R-COOH → R-COO⁻ + H⁺
""
Esterdamisreaktsioon
Karboksüülhapped reageerivad alkoholidega, moodustades Fischeri esterdamisreaktsioonis estreid ja vett.
""
R-COOH + R'OH → R-COO-R' + H2O
""
Redutseerimisreaktsioon
Karboksüülhappeid saab redutseerida alkoholideks tugevate redutseerijate, näiteks LiAlH4, abil.
""
R-COOH + 4[H] → R-CH₂OH + H₂O
""
4. Aminorühm (-NH2)
Aminorühmad esinevad amiinides ja neil on alküülimis-, atsüülimis- ja nitroseerimisreaktsioonid.
Alküülimis- ja atsüülimisreaktsioonid
Amiinid tekivad alküülhalogeniidide alküülimisel ammoniaagi või amiinidega. Amiinid võivad reageerida ka atsüülhalogeniidide või anhüdriididega, moodustades amiide.
""
RX + NH3 → R-NH2 + HX
R-NH2 + R'-COCl → R-NH-CO-R' + HCl
""
Nitrosatsioonireaktsioon
Primaarsed ja sekundaarsed amiinid võivad läbida nitrosatsioonireaktsioone lämmastikhappega, moodustades primaarsete amiinide diasooniumsooli või sekundaarsete amiinide N-nitroosamiine.
""
R-NH2 + HONO → R-N2⁺ + H2O (diasooniumsool)
R2NH + HONO → R2N-N=O + H2O (N-nitrosoamiin)
""
5. Eetrirühm (COC)
Eetrid reageerivad alkoholidest erinevalt, kuna neil puuduvad prootonid, mida saab kergesti vabastada.
Happe lõhustumisreaktsioon
Eetreid saab tugevate hapetega lõhustada, moodustades alkohole ja alküülhalogeniide.
""
RO-R' + HBr → R-OH + R'-Br
""
Õhu autooksiidreaktsioon
Eetrid võivad õhuga oksüdeeruda, moodustades plahvatusohtlikke eeterperoksiide.
""
2 RO-R' + O2 → 2 RO-R'-O-OH
""
Järeldus
Orgaanilise keemia funktsionaalrühmade spetsiifiliste reaktsioonide põhjalik mõistmine on laia praktilise rakenduse jaoks ülioluline. Funktsionaalrühmad määravad molekulide keemilised omadused ja reaktsioonivõime, võimaldades mitmesuguseid olulisi keemilisi muundumisi sünteetilises orgaanilises, bioorgaanilises ja materjalikeemias. Neid teadmisi rakendades saavad keemikud kujundada ja konstrueerida uusi molekule, millel on laialdased rakendused tervishoius, tehnoloogias ja mujal.
