معرفی گروه های عاملی و روشهای شناسایی آن

[Borna66]

معرفی گروه های عاملی و روشهای شناسایی آن
مقدمه:


پيوند كربن-كربن داراي ويژگي غيرعادي مخصوص به خود است.اگر چه اتم هاي ديگر نيزمي توانند اين ويژگي را داشته باشند ولي كاربرد پيوند كربن-كربن بسيار وسيع است .به دليل اين خاصيت منحصربه فرد بيشتر از سه ميليون تركيبات مختلف حاوي كربن به نام تركيبات آلي در كتب شيمي گزارش شده اند.در نتيجه جمع آوري دانشي كامل از خواص همه اين تركيبات عملا بسيار سخت است.پيچيدگي تركيبات آلي را مي توان تا حدودي از طريق جمع آوري اطلاعات به دست آمده از گروه هاي طبيعي اين تركيبات با خواص شيميايي مشابه تقليل داد.
اين گروه بندي ها توسط اتم يا گروهي از اتم ها كه قسمتي از مولكول آلي را تشكيل مي دهند شناسايي مي شوند.عموما اين اتم يا گره اتم را گروه عامل مي نامند.پس مي توان گروه عاملي را به صورت كامل تري تعريف كرد:
به هر يك از ويژگي هاي ساختاري كه مشخص كننده يك طبقه خاص از تركيبات آلي باشند گروه عاملي مي گويند.
هر گروه عامل نسبت به بقيه مولكول هاي آلي داراي خواص شيميايي جداگانه يافت مي شوند

[Borna66]

هيدروكربن ها:

ساده ترين گروه در شيمي آلي هيدروكربن ها بوده كه تركيباتي حاوي ات هاي كربن و هيدروژن مي باشند.با توجه به خواص شيميايي آنها به سه زيرگروه تقسيم مي شوند:هيدروكربن هاي اشباع شده-هيدروكربن هاي اشباع نشده وهيدروكربن هاي آروماتيكي.
هيدروكربن هاي اشباع شده را هم چنين را هم چنين آلكان مي نامنددر آلكان ها همه پيوند هاي كربن-كربن از نوع پيوند ساده بوده كه انرژي پيوندي آن در حدود350كيلوژول مي باشد.انرژي پيوند هاي هيدروژن-كربن در حدود 420كيلوژول است.پس آلكانها از نظر شيميايي تقريبا بي اثر مي باشد.مهم ترين واكنش آنها سوختن است كه آب و دي اكسيدكربن(محصولات سوختن آلكان) توليد مي شوند.
هيدروكربن هاي اشباع نشده داراي 2زير گروه آلكنهاوآلكينها مي باشند.آلكنها داراي يك يا چند پيوند كربن-كربن بوده وآلكينها نيز حاوي يك يا چند پيوند سه گانه كربن-كربن مي باشند .پيوند هاي دو گانه وسه گانه كه پيوند هاي غير اشباع ناميده مي شوند از نظر شيميايي كاملا واكنش پذير مي باشند.

[Borna66]

الكل ها :


يك الكل هيدروكربني است كه در آن يك گروه عامل-ohجانشين يك اتم هيدروژن شده باشد.همچنين يك الكل مانند آبي است كه در آن يك گروه آلكيل جانشين يك اتم هيدروژن در يك مولكول آب شده باشند.پس الكل ها خواصي بين خواص اب وهيدروكربن ها دارند.
ساختار الکلها :
فرمول عمومی الکلها ، Roh است که در آن ، R يک گروه آلکيل يا آلکيل استخلاف شده است. اين گروه می‌تواند نوع اول ، دوم يا سوم باشد، ممکن است زنجيرباز يا حلقه‌ای باشد، ممکن است دارای يک اتم هالوژن ، هيدروکسيل‌های بيشتر يا يکی از بسياری گروههای ديگری باشد که فعلا برای ما ناآشنا است.
همه الکلها ، دارای گروه هيدروکسيل (-oh) هستند که بعنوان گروه عاملی ، خواص مشخصه اين خانواده از ترکيبها را تعيين می‌کند. تغيير و تنوع در ساختار R می‌تواند بر سرعت واکنشهای الکلها و حتی در موارد معدودی بر نوع واکنشها نيز تاثير گذارد.
خواص فيزيکی الکلها :
دمای جوش در ميان هيدروکربنها ، به نظر می‌رسد که عوامل تعيين کننده دمای جوش ، عمدتا وزن مولکولی و شکل مولکول باشند. در الکلها ، با افزايش تعداد کربن ، دمای جوش بالا می‌رود و با شاخه‌دار کردن زنجير ، دمای جوش پايين می‌آيد، اما نکته غير عادی در مورد الکلها اين است که آنها در دمای بالا به جوش می‌آيند. اين دمای جوش بسيار بالاتر از دمای جوش هيدروکربنها با وزن مولکولی يکسان است و حتی از دمای جوش بسياری ترکيبها با قطعيت قابل ملاحظه بالاتر است.
دمای جوش بالای آنها ، به علت نياز به انرژی بيشتر برای شکستن پيوندهای هيدروژنی است که مولکولها را در کنار هم نگه داشته‌اند. حل شدن الکلها رفتار الکلها بعنوان حل شده نيز توانايی آنها برای تشکيل پيوندهای هيدروژنی را منعکس می‌کند. برخلاف هيدروکربنها ، الکلهای سبک با آب امتزاج‌پذيرند. از آنجا که نيروهای بين مولکولی الکلها همانند نيروهای بين مولکولی آب است، دو نوع مولکول با يکديگر قابل اختلاط هستند. انرژی لازم برای شکستن يک پيوند هيدروژنی بين دو مولکول آب يا دو مولکول الکل ، با تشکيل يک پيوند هيدروژنی بين يک مولکول آب و يک مولکول الکل تامين می‌شود.

[Borna66]

آلدهيد و کتون

آلدهيد:يك آلدهيد داراي گروه عامل –CHOدر مولكول آلي مي باشد.كلمه آلدهيد(Aldehyde)از دو اژه الكل وهيدروژن گيري گرفته شده است.هرگاه از الكل نوع اول هيدروژن گيري شود در آن صورت توليد مي گردد كه آلدهيد ناميده مي شود.
كتون: يک کتون يک گروه عاملی است که با يک گروه کربونيل که با دو اتم کربن ديگر پيوند دارد ؛ شناخته می‌شود. يک کتون را می‌توان با فرمول زير بيان کرد.
R۱(CO)R۲
اتم کربن که با دو اتم کربن پيوند دارد آن را از گروه‌های عاملی کربوکسيليک اسيدها ، آلدهيدها، استرها، آميدها و ديگر ترکيب‌های اکسيژندار جدا می‌کند. پيوند دوگانهٔ گروه کربونيل نيز کتون‌ها را از الکل ها و اترها باز می‌شناساند.
به کربنی که به کربن گروه کربونيل چسبيده کربن آلفا و به هيدروژنی که به اين کربن چسبيده هيدروژن آلفا گويند. در حضور يک کاتاليزور اسيدی کتون به keto-enol tautomerism مربوط می‌شود. واکنش با يک پايه قوی انول متناظر را نتيجه ميدهد.

خواص شيميايي آلدهيد ها و كتون ها:
آلدهيد ها وكتون ها در چند نوع فعل و انفعال شركت مي كنند كه اهم آن به قرار زير است:
1)حمله الكترونخواهي اسيدهاي لوئيس روي اكسيژن گروه كربونيل موجب افزايش دانسيته بار مثبت كربن گروه كربونيل مي شود كه در نهايت موجب افزايش خصلت اسيدي پروتون ههاي كربن هاي آلفاي كربونيل مي گردد.صحت اين نكته به وسيله روش هاي افزاري تائيد شده است.
2)حمله هسته خواهي بركربن گروه كربونيل دومين دسته وسيع از واكنشهاي آلدهيد ها وكتون ها را تشكيل مي دهد.به عنوان مثال از افزايش آب بر آلدهيد ها وكتون ها ديول دوقلو(gemdiol)ايجاد مي شود و درصد تشكيل آن به ساختمان ماده و به پايداري محصول حاصل بستگي دارد.به عنوان مثال مقدار ديول دوقلوي حاصل از استون در دماي 20درجه سانتي گراد خيلي كم و قابل اغماض است در صورتيكه آلدهيد فرميك و تري كلرو استالدهيد به خوبي و به طور كامل به ديول دو قلو تبديل مي شوند.

تهيه آلدهيد ها و كتون ها از راه اكسايش الكل ها:
مصرف زياد آلدهيد و كتون در سنتزهاي آلي باعث مي شود كه نحوه تهيه آنها اهميت بسياري داشته باشد.اين اجسام را مي توان از آلكين ها –كربوكسيليك اسيدها و مشتق كربوكسيليك اسيدها سنتز كرد.آلكينها دراثرآبداركردن باكاتاليزور اسيد به وسيله هيدروبورداركردن-اكسايش به آلدهيد يا كتون تبديل مي شوند.
كربوكسيليك اسيدها يا مشتقات آنها با تركيبات آلي فلزدار يا معرف هاي كاهند ديگر تركيب مي شوند و آلدهيد يا كتون مي دهند.با وجود اين يكي از معمولترين روش هاي سنتزي اكسايش الكل هاي نوع اول و دوم با كروميك اسيد H2CrO4 يا پتاسيم پرمنگنات است.
در اين گزارش كار نحوه مصرف كروميك اسيد در تبديل الكلها به آلدهيد ها و كتون ها مورد بحث قرار مي گيرد.
كروميك اسيد براي مدت طولاني پايدار نيست و بنابراين آن را در هنگام لزوم از تركيب سديم يا پتاسيم دي كرومات با اسيد اضافي مانند سولفوريك يا اسد استيك يا با انحلال كروميك انيدريد در آب تهيه مي كنند.
در روش اخير سولفوريك اسيد يا استيك اسيد نيز اضافه مي شود زيرا كه سرعت اكسايش الكل ها با كروميك اسيد در محلول اسيدي بسيار زيادتر است.در تهيه يا اكسايش اجسامي كه در محيط اسيدي قوي تجزيه مي شوند كروميك انيدريدرا در پيريدين حل مي كنند يا پتاسيم پرمنگنات بازي را به عنوان معرف اكسيد كننده به كار مي برند.
الكلها در مجاورت كروميك اسيد به استر تبديل مي شوند.اين عمل كاملا به واكنش الكل ها وكربوكسيليك اسيدها شباهت دارد.
وجود چند واكنش جانبي مهم اكسايش الكل نوع اول به آلدهيد را پيچيده مي كند.
به احتمال زياد مهمترين واكنش جانبي اكسايش سريع آلدهيد با كروميك اسيد و تبديل آن به كربوكسيليك اسيد است.براي تقليل اين اكسايش اضافي نامطلوب كروميك اسيد را به الكل نوع اول اضافه مي كنند تا عامل اكسنده اضافي در مخلوط واكنش موجود نباشد وهم چنين آلدهيدرا در هنگام تشكيل از مخلوط واكنش تقطير مي كنند.بنابراين چنان چه در اكسايش با كرو ميك اسيد لازم باشد كه آلدهيد با بازده زيادي تهيه مي شودبايد آلدهيد موردنظر خيلي فرارباشد يعني در كمتر از حدود 150بجوشد.
كتون ها در محيط اسيدي ملايم در برابر اين اكسنده بسيار پايدارتر از آلدهيدها هستند از اين رو در تبديل الكل هاي نوع دوم به كتون ها ميزان واكنش هاي جانبي كه در اكسايش الكل هاي نوع اول گفته شد چندان قابل ملاحظه نيستند.ولي در شرايط بازي يا اسيدي قوي كتون هايي كه به فرم انولي در مي آيند اكسيد مي شوند و به دو قسمت كربونيل دار تجزيه مي شوند.براي مثال مي توان سيكلو هگزانول را با كروميك اسيد اكسيدكرد وبازده زيادي از سيكلوهگزانون به دست آورد ولي اين جسم در اثر تركيب با پتاسيم پرمنگنات در محيط بازي ضعيف به آديپيك اسيد تبديل مي شود.بدون شك در اين واكنش ابتدا كتون به يون انولات تبديل مي شود تبديل مي شودو بعداين يون با پرمنگنات اكسيد مي شود.
سيكلوهگزانون يك كتون متقارن است و فقط يك يون انولات مي دهد.چنان چه كتون متقارن نباشد دو يون انولات متفاوت تولي مي شود وهر يك از آنها با پرمنگنات به محصول جداگانه اي اكسيد مي شود.در اكسايش كتون هاي نامتقارن مخلوط پيچيده اي از چند محصول تشكيل مي شود وچنين مشكلي مصرف سنتزي اين واكنش ها را كم مي كند.

[Borna66]

استرها:


يك استر از واكنش يك اسيد آلي با يك الكل توليد مي شود.استرها داراي گروه عامل-coo-بوده كه از يك پيوند دوگانه كربن-اكسيژن(-c=o)ويك پيوند ساده كربن-اكسيژن(c-o-)تشكيل شده اند.اغلب استرها فرار هستندوداراي بوي مطبوعي مي باشند.رايحه طبيعي بسياري از گلها وطعم بسياري ازميوه ها به حضور يك يا چند استر بستگي دارد.بعضي از استرهاي طبيعي مهم در چربي وروغن ها(روغم برزك-روغن دانه پنبه-روغن زيتون)در سنتزمارگارين(كره نباتي)كره بادام زميني وعصاره ي سبزيجات به كار مي روند.
__________________

[Borna66]

شناسايی گروههای عاملی


در شناسايی يک جسم مجهول پس از تجزيه و تعيين خواص فيزيکی آن با توجه به نتايج حاصله بايد آزمايشات شناسايی گروههای عاملی را روی نمونه انجام داد. مثلا اگر در تجزيه عنصری نمونه وجود O اثبات شده، حال اين مسئله پيش می آيد که اکسيژن ممکن است به صورت گروه –c=o يا –oh يا C–o–c و يا غيره باشد. بنابر اين يک سری آزمايشات برای تشخيص گروه عاملی نمونه لازم است. نکته ای که معمولا بايد به آن توجه کرد اين است که چنانچه در انجام آزماشات برای حل کردن نمونه از يک حلال استفاده نموديد برای اطمينان خاطر برای اينکه حتما بدانيد که حلال با معرف وارد واکنش نشده يک شاهد تهيه کنيد. بدين ترتيب که در يک لوله مقداری حلال ريخته و به همان اندازه معرفی اضافه کنيد که به محلول شامل حلال و نمونه مورد نظر اضافه نموده ايد و دو لوله را با يکديگر مقايسه کنيد.

[Borna66]

بخش عملي:


شناسايی آلکنها:
الف) آزمايش برم در استيک اسيد: در يک لوله آزمايش 1 ميلی ليتر سيکلوهگزن ريخته و به آن محلول Br2/CH3COOH قطره قطره اضافه کنيد، با از بين رفتن رنگ برم ميتوان نتيجه گرفت که برم در واکنش شيميايی شرکت کرده و مصرف ميشود
ب) پرمنگنات پتاسيم: يک قطره سيکلوهگزن را در 2 ميلی ليتر آب حل کرده و به آن 3 قطره محلول KMnO4 اضافه نمائيد و محلول را خوب به هم زده و نتيجه مشاهده شده را يادداشت کنيد.
شناسايی الکلها:
الف) حلاليت: 6 لوله آزمايش برداشته و در هر کدام 1 ميلی ليتر آب ريخته و هر يک از الکلهای زير ر ا به يکی از لوله ها اضافه کنيد و هم بزنيد. 1) متانول 2) اتانول 3) پروپانول 4) نرمال بوتانول 5) بوتان 2-اُل 6) 2-متيل پروپان 2 - اُل
سپس اين آزمايش را برای حلال هگزان تکرار کنيد و نتايج هر کدام را بنويسيد.
ب) انيدريدکروميک: 3-1 ميلی ليتر از هر يک از الکلهای فوق را در لوله آزمايش ريخته به آن يک الی دو قطره معرف انيدريد کروميک اضافه کنيد. تشکيل رسوب سبز مايل به آبی دليل بر مثبت بودن آزمايش است. اين آزمايش برای الکلهای نوع اول و دوم جواب مثبت ميدهد.
ج) يدوفرم: در يک لوله آزمايش 5/0 ميلی ليتر اتانول ريخته بدان 1mL سود 10% افزوده و آنقدر به محلول اخير محلول يد در يديد پتاسيم (I2/KI) اضافه کنيد تا رنگ قهوه ای محلول اخير باقی بماند. بعد رنگ يد اضافی را با يک قطره سود 10% همراه با تکان دادن از بين ببريد. حال لوله را از آب پر کرده و آنرا برای 15 دقيقه به حال خود بگذاريد. تشکيل رسوب زرد ليموئی (رسوب يدوفرم) دليل بر مثبت بودن آزمايش است.
اين آزمايش را برای متانول – نرمال بوتانول – استن – بنزآلدئيد – استوفنون – ترشری بوتيل الکل انجام دهيد.
د) استری شدن الکلها توسط اسيدهای آلی: يک قطره از استيک اسيد غليظ را وارد 1mL اتانول نموده و قطره ای اسيد سولفوريک غليظ بدان اضافه کنيد حال محلول را در حمام آب گرم حرارت داده تا بجوش آيد، پس از مدتی بوی مخصوصی به مشام ميرسد. نوع بوی حس شده را با بوی اسيد مقايسه کنيد.
آزمايش لوکاس: بر روی نيم ميلی ليتر از ترشری بوتيل الکل 3 ميلی ليتر اسيد کلريدريک غليظ بريزيد. محلول ابتدا بيرنگ است ولی کم کم کدر شده و رسوب ميدهد. مشخصات رسوب را نوشته و اين آزمايش را برای اتانول و بوتان 2-اُل هم انجام دهيد
شناسايی آلدئيدها و کتونها
الف) 2، 4 دی نيترو فنيل هيدرازين: 1 ميلی ليتر استن در لوله آزمايش ريخته و بدان چند قطره معرف 2، 4 دی نيتروفنيل هيدرازين اضافه کنيد و مشاهده خود را يادداشت کنيد. اين آزمايش را روی بنزآلدئيد و استوفنون نيز انجام دهيد. اين آزمايش به آلدئيدها و کتونها جواب ميدهد.
ب) سديم بی سولفيت: يک ميلی ليتر از معرف غليظ را در يک لوله آزمايش ريخته به آن 3/0 ميلی ليتر از جسم مورد نظر اضافه کنيد و شديدا تکان دهيد، تشکيل رسوب سفيد دليل بر مثبت بودن آزمايش است. اکثر گروههای کربونيل فعال به اين آزمايش جواب مثبت ميدهند، چون اين واکنش نوکلئوفيلی است هرچقدر گروه کربنيل مثبت تر باشد امکان جواب مثبت بيشتر است، در نتيجه اين آزمايش بيشتر مخصوص آلدئيدها ميباشد. اين آزمايش را برای استون و بنزآلدئيد انجام دهيد.
ج) تالنز: 1 ميلی ليتر بنزآلدئيد در لوله آزمايش ريخته و به آن 1 ميلی ليتر از معرف تازه تهيه شده اضافه کنيد. در صورت لزوم کمی حرارت دهيد (توسط حمام آب گرم ملايم) تشکيل آئينه نقره ای مثبت بودن آزمايش را نشان ميدهد.
د) معرف کروميک اسيد: 1 قطره از جسم مايع يا يک صدم گرم از جسم جامد را در 1 ميلی ليتر استون حل کنيد و چند قطره معرف به آن اضافه نمائيد.

معرف اسيد کروميک 25 گرم انيدريد کروميک CrO3 را در 25 سی سی اسيد سولفوريک غليظ حل کنيد و به هم بزنيد تا خمير يکنواختی به دست آيد، بعد محلول حاصل را بوسيله 75 سی سی آب مقطر با احتياط رقيق نمائيد. رنگ معرف نارنجی روشن است.