مركبات الكربونيل

5-3

مركبات الكربونيل

Carbonyl Compounds

الأهداف

• تحدد تركيب المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعة الكربونيل مثل الألدهيدات، والكيتونات، والأحماض الكربوكسيلية، والإسترات، والأميدات.
• تناقش خواص المركبات التي تحتوي على مجموعة الكربونيل.

مراجعة المفردات

الكهروسالبية: تشير إلى القدرة النسبية لذرات العنصر على جذب إلكترونات الرابطة.

المفردات الجديدة

• مجموعة الكربونيل
• الألدهيدات
• الكيتونات
• الأحماض الكربوكسيلية
• مجموعة الكربوكسيل
• الإسترات
• الأميدات

الفكرة الرئيسية

تحتوي مركبات الكربونيل على ذرة أكسجين ترتبط برابطة ثنائية مع الكربون في المجموعة الوظيفية.

الربط مع الحياة

لعلك أكلت قطعة من الحلوى بنكهة الفانيليا الطبيعية. تحتوي الكثير من الفواكه الطبيعية - ومنها الفراولة - على الكثير من المركبات العضوية التي تعطي نكهة الفواكه المميزة. وتوجد مجموعة الكربونيل في أنواع كثيرة من النكهات الصناعية الشائعة.

المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعة الكربونيل

Organic Compounds Containing the Carbonyl Group

يسمى الترتيب الذي ترتبط فيه ذرة الأكسجين برابطة ثنائية مع ذرة كربون مجموعة الكربونيل. وهي المجموعة الوظيفية في المركبات العضوية المعروفة باسم الألدهيدات والكيتونات.

وتعد الألدهيدات مركبات عضوية تقع فيها مجموعة الكربونيل في آخر السلسلة، وتكون مرتبطة مع ذرة كربون متصلة بذرة هيدروجين. من الطرق الأخرى والصيغة العامة للألدهيدات RCHO؛ حيث R مجموعة ألكيل أو ذرة هيدروجين، كما هو مبين في الجدول 5-7.

وتسمى الألدهيدات بإضافة المقطع (ال) إلى نهاية اسم الألكان الذي له عدد ذرات الكربون نفسه. وهكذا يحتوي المركب ميثانال، كما هو مبين في الجدول 5-7، على ذرة كربون واحدة. وهذا يعني أن اسم الألدهيد يعتمد على اسم الألكان المقابل. ولا تستعمل الأرقام عند تسمية الألدهيدات إلا في حالات التفرعات أو وجود مجموعات وظيفية أخرى؛ لأن مجموعة الكربونيل في الألدهيدات ترتبط دائمًا بذرة الكربون التي تقع في نهاية السلسلة.

والميثانال اسم شائع يعرف به الفورمالدهيد. أما الاسم الشائع للإيثانال فهو أسيتالدهيد. ويستعمل العلماء غالبًا الأسماء الشائعة للمركبات العضوية؛ لأنها مألوفة للكيميائيين.

الجدول 5-7: الألدهيدات

الصيغة العامة:
RCHO

حيث R تمثل مجموعة ألكيل أو ذرة هيدروجين.

مجموعة الكربونيل:

O
||
C

أمثلة على الألدهيدات:

• ميثانال (فورمالدهيد).
• إيثانال (أسيتالدهيد).
• 2-هيدروكسي بنزالدهيد (ساليسالدهيد).
• فينيل ميثانال (بنزالدهيد).
• 3-فينيل-بروب-2-ينال (سينامالدهيد).

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_5-9_استعمال_محلول_الفورمالدهيد_في_الحفظ.png
• تجربة_عملية_خواص_الكربوهيدرات_QR.png
• الجدول_5-8_الكيتونات.png

يحتوي جزيء الألدهيد على مجموعة قطبية ونشطة في التفاعل. وكما هو الحال مع الإيثرات، لا تستطيع جزيئات الألدهيدات تكوين روابط هيدروجينية بعضها مع بعض؛ لأن جزيئاتها لا تحتوي على ذرات هيدروجين مرتبطة مباشرة مع ذرة الأكسجين. لذلك تكون درجة غليانها أقل من درجة غليان الكحول التي لها عدد ذرات الكربون نفسه. وجزيئات الألدهيدات قادرة على تكوين روابط هيدروجينية مع الأكسجين الموجود في مجموعة الألدهيد؛ لذلك تكون أكثر ذوبانية في الماء من الألكانات، ولكن ليس كذوبانية الكحولات والأمينات.

استعمل محلول الفورمالدهيد في عمليات الحفظ عدة سنوات، كما هو مبين في الشكل 5-9. وصناعيًا تستعمل كميات كبيرة من الفورمالدهيد للتفاعل مع البوليمرات لصنع نوع من الراتنج المقاوم، والمواد البلاستيكية الصلبة المستعملة في صناعة الأزرار، وقطع غيار السيارات، والأجهزة الكهربائية، فضلًا عن الغراء الذي يعمل على إلصاق طبقات الخشب معًا.

ويعد كل من بنزالدهيد وساليسالدهيد، اللذين تركيبهما في الجدول 5-7، من المركبات التي تعطي اللوز نكهته الطبيعية. أما رائحة القرفة ومذاقها - وهي نوع من التوابل التي تستخرج من لحاء شجرة استوائية - فيمكن إنتاجها بكميات كبيرة بوساطة السينامالدهيد الموضح تركيبه في الجدول 5-7.

ماذا قرأت؟ حدد اثنين من استعمالات الألدهيدات.

الشكل 5-9

تم استعمال محلول الفورمالدهيد في الماضي لحفظ العينات البيولوجية. وقد تم تقييد استعمال الفورمالدهيد في السنوات الأخيرة لأن الدراسات تشير إلى أنه قد يسبب السرطان.

تجربة عملية

خواص الكربوهيدرات

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

الكيتونات

يمكن أن ترتبط مجموعة الكربونيل مع الكربون في وسط السلسلة، بدلًا من ارتباطها في نهاية السلسلة. والكيتونات مركبات عضوية ترتبط فيها ذرة الكربون في مجموعة الكربونيل مع ذرتي كربون في السلسلة. ولها الصيغة العامة الموضحة في الجدول 5-8. وترتبط ذرات الكربون على طرفي مجموعة الكربونيل مع ذرات كربون أخرى.

إن أبسط الكيتونات وأكثرها شيوعًا هو الأسيتون، الذي ترتبط فيه ذرات الهيدروجين فقط مع ذرات الكربون الطرفية، كما هو مبين في الجدول 5-8. ويتم تسمية الكيتونات بإضافة المقطع (ون) إلى نهاية اسم الألكان، ويوضع رقم في الاسم ليدل على موقع مجموعة الكيتون. في المثال السابق يتغير اسم الألكان من بروبان إلى بروبانون. ولا يمكن لمجموعة الكربونيل إلا أن تقع في الوسط فقط، ومع ذلك يمكن إضافة الرقم 2 إلى الاسم فيسمى 2-بروبانون.

وتشترك الكيتونات والألدهيدات في الكثير من الخصائص الفيزيائية والكيميائية لتشابه تركيبهما. فالكيتونات مركبات قطبية وأقل نشاطًا من الألدهيدات. ولهذا السبب يعد الكيتون مذيبًا شائعًا للمواد القطبية المعتدلة، ومنها الشمع والبلاستيك والطلاء والورنيش والزيت والمواد اللاصقة. وكما هو الحال مع الألدهيد، لا تكون جزيئات الكيتون روابط هيدروجينية بعضها مع بعض، ولكن يمكن أن تكون روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء. لذلك فالكيتونات قابلة للذوبان في الماء إلى حد ما، ولكن الأسيتون قابل للذوبان في الماء بشكل تام.

الجدول 5-8: الكيتونات

الصيغة العامة:

R-C(=O)-R'

حيث تمثل R و R' سلاسل أو حلقات كربون مرتبطة مع مجموعات وظيفية.

أمثلة على الكيتونات:

• 2-بيوتانون (ميثيل إيثيل كيتون).
• 2-بروبانون (الأسيتون).

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_5-10_حمض_الفورميك_في_النمل_اللاسع.png
• الجدول_5-9_الأحماض_الكربوكسيلية.png

الأحماض الكربوكسيلية

Carboxylic Acids

الأحماض الكربوكسيلية مركبات عضوية تحتوي على مجموعة الكربوكسيل. وتتكون مجموعة الكربوكسيل من مجموعة كربونيل مرتبطة مع مجموعة هيدروكسيل. ولذلك تكون الصيغة العامة للأحماض الكربوكسيلية كما في الجدول 5-9. ويبين الجدول 5-9 بعض الأمثلة على الأحماض الكربوكسيلية.

ومن أمثلتها حمض الإيثانويك، وهو الحمض الموجود في الخل. وعلى الرغم من أن الكثير من الأحماض الكربوكسيلية لها أسماء شائعة، إلا أن الاسم حسب طريقة التسمية الدولية يتكون من إضافة المقطع (ويك) إلى نهاية اسم الألكان، وإضافة كلمة حمض في بداية الاسم. فاسم حمض الأسيتيك مثلًا حسب الطريقة الدولية هو حمض الإيثانويك.

فإذا ما كتبت مجموعة الكربوكسيل في صورة COOH متصلة بسلسلة ألكان، يمكن كتابة حمض الإيثانويك في صورة CH3COOH. ويتكون أبسط الأحماض الكربوكسيلية من مجموعة الكربوكسيل المرتبطة مع ذرة هيدروجين واحدة HCOOH، كما في الجدول 5-9. واسمه حسب الطريقة الدولية حمض الميثانويك، واسمه الشائع حمض الفورميك. وقد تقوم بعض الحشرات بإنتاج حمض الفورميك بوصفه آلية للدفاع عن نفسها، كما في الشكل 5-10.

ماذا قرأت؟ اشرح كيف يشتق اسم حمض الإيثانويك.

الأحماض الكربوكسيلية مركبات قطبية نشطة. وما يذوب منها في الماء يتأين بشكل ضعيف لينتج أيون الهيدرونيوم، ويكون أيون الحمض السالب في حالة اتزان مع الماء والحمض غير المتأين. ويمكن تمثيل الإيثانويك كالآتي:

CH3COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COO-(aq) + H3O+(aq)

تتأين الأحماض الكربوكسيلية في المحاليل المائية؛ لأن ذرتي الأكسجين ذاتا كهروسالبية عالية، وتجذبان الإلكترونات بعيدًا عن ذرة الهيدروجين إلى مجموعة -OH. ونتيجة لذلك ينتقل بروتون الهيدروجين إلى ذرة أكسجين في جزيء الماء. ولأن الأحماض الكربوكسيلية تتأين في الماء فإنها تعمل على تحويل لون ورقة تباع الشمس الزرقاء إلى حمراء، وتتميز بمذاق حمضي لاذع.

ولبعض الأحماض الكربوكسيلية المهمة - ومنها حمض الأكساليك وحمض الأديبيك - مجموعات كربوكسيل أو أكثر. ففي هذه الأحماض تسمى ثنائية الحمض. كما قد تحتوي بعض الأحماض الأخرى على مجموعات وظيفية إضافية مثل مجموعة الهيدروكسيل، كما في حمض اللاكتيك الموجود في اللبن. وعادة تكون هذه الأحماض أكثر قابلية للذوبان في الماء، وأكثر حمضية من الأحماض التي تحتوي على مجموعة كربوكسيل واحدة فقط.

ماذا قرأت؟ قوّم مستعملًا المعلومات أعلاه. فسر لماذا تصنف الأحماض الكربوكسيلية على أنها أحماض؟

الشكل 5-10

يدافع النمل اللاسع عن نفسه بإفراز سم يحتوي على حمض الفورميك.

حدد اسمًا آخر لحمض الفورميك.

الجدول 5-9: الأحماض الكربوكسيلية

الصيغة العامة:

R-C(=O)-OH

حيث R تمثل سلسلة أو حلقة من الكربون.

أمثلة على الأحماض الكربوكسيلية:

• حمض الميثانويك (حمض الفورميك).
• حمض الإيثانويك (حمض الأسيتيك).

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الجدول_5-10_الإسترات.png
• الشكل_5-11_الإسترات_وروائح_الفواكه.png

الجدول 5-10: الإسترات

الصيغة العامة:

R-C(=O)-O-R'

مجموعة إستر.

مثال على الإستر:
إيثانوات البروبيل، وفيه مجموعة الإيثانوات ومجموعة البروبيل.

مركبات عضوية مشتقة من الأحماض الكربوكسيلية

Organic Compounds Derived from Carboxylic Acids

يتألف العديد من أصناف المركبات العضوية من تركيب حمض كربوكسيلي استبدلت فيه ذرة الهيدروجين أو مجموعة الهيدروكسيل بذرات أو مجموعات أخرى. ومن أكثر الفئات شيوعًا الإسترات والأميدات.

الإسترات

تعد الإسترات مركبات عضوية تحتوي على مجموعة كربوكسيل حلت فيها مجموعة ألكيل محل ذرة الهيدروجين الموجودة في مجموعة الهيدروكسيل، كما في الصيغة العامة المبينة في الجدول 5-10. وتتم تسمية الإسترات بكتابة اسم الحمض الكربوكسيلي واستبدال المقطع (وات) بدل المقطع (ويك) متبوعًا بالألكيل، كما هو موضح في المثال المبين في الجدول 5-10. لاحظ أنه يشتق اسم البروبيل من الصيغة البنائية، وأن الاسم المبين هو إيثانوات بروبيل على حمض الأسيتيك، وهو الاسم الشائع لحمض الإيثانويك.

والإسترات مركبات قطبية متطايرة وروائحها عطرة. وتوجد أنواع كثيرة منها في العطور والنكهات الطبيعية وفي الفواكه والأزهار، كما في الشكل 5-11. وتنتج النكهات الطبيعية - ومنها نكهة التفاح أو الموز - عن مزيج من جزيئات عضوية مختلفة منها الإسترات. وقد تكون سبب بعض هذه النكهات تركيب إستر واحد فقط. لذا يتم تصنيع الإسترات لاستعمالها في كثير من الأطعمة والنكهات والمشروبات والعطور والشموع العطرية والمواد المعطرة الأخرى.

الشكل 5-11

تعد الإسترات مصدر روائح وطعم الكثير من الفواكه؛ إذ يعزى طعم الفراولة إلى هكسانوات الإيثيل، وطعم الأناناس إلى بيوتيرات الإيثيل. وينتج مصدر الروائح الطبيعية من خليط من الإسترات والألدهيدات والكحولات.

===========================================================
==========

صور الصفحة:

• تجربة_تحضير_الإستر.png
• الجدول_5-11_الأميدات.png

الأميدات

تعد الأميدات مركبات عضوية تنتج من إحلال ذرة نيتروجين مرتبطة مع ذرات كربون أو ذرات هيدروجين محل OH- في الحمض الكربوكسيلي. ويوضح الجدول 5-11 الصيغة العامة للأميدات.

تسمى الأميدات بكتابة اسم الألكان، ثم إضافة المقطع أميد في نهاية الاسم. لذا يكون اسم الأميد الظاهر في الجدول 5-11 هو إيثان أميد، ولكنه يعرف بالاسم الشائع أسيتاميد، المشتق من الاسم الشائع حمض الأسيتيك.

ماذا قرأت؟ سم ثلاثة أنواع من الطعام الذي يحتوي على حمض الخل (الإيثانويك).

توجد مجموعة الأميد الوظيفية بشكل متكرر في البروتينات الطبيعية وبعض المواد الصناعية. فعلى سبيل المثال، قد تكون استعملت مواد تحتوي على الأسيتامينوفين - غير الأسبرين - لتخفيف الألم. وبالنظر إلى تركيب الأسيتامينوفين الظاهر في الجدول 5-11، ستلاحظ أن مجموعة الأميد (-NH-) تربط مجموعة كربونيل مع مجموعة أروماتية.

ويسمى أحد الأميدات المهمة كارباميد NH2CONH2، والاسم الأكثر شيوعًا هو اليوريا، ويعرف أيضًا باسم ثنائي أميد حمض الكربونيك. واليوريا هي آخر نواتج عملية هضم البروتينات في الثدييات، وتوجد في الدم والمرارة الصفراء، والسائل الأمنيوسي، وعرق الثدييات. عند تحطم البروتينات تنتقل منها مجموعات الأمين -NH2، ثم تتحول إلى أمونيا NH3، وهي مادة سامة للجسم، ويقوم الكبد بتحويلها إلى مادة اليوريا غير السامة. ويتم التخلص من اليوريا في الدم بواسطة الكلى وتخرج مع البول.

وبسبب احتواء اليوريا على نسبة عالية من النيتروجين وسهولة تحولها إلى أمونيا في التربة فإنها تستعمل في صناعة الأسمدة الزراعية. كما تستعمل اليوريا غذاء للماشية والأغنام؛ إذ تستعملها هذه الحيوانات لإنتاج البروتينات في أجسامها.

ماذا قرأت؟ حدد أحد الأميدات الموجودة في جسم الإنسان.

تجربة

تحضير الإستر

كيف تميز الإستر؟

خطوات العمل

• اقرأ تعليمات السلامة في المختبر.
• حضر حمامًا مائيًا ساخنًا بإضافة 150 mL من ماء الصنبور إلى كأس مدرجة سعتها 250 mL، وضع الكأس على سخان كهربائي، واضبط حرارته عند منتصف التدريج.
• زن 1.5 g من حمض الساليسيليك، ثم ضعه في أنبوب اختبار، وأضف إليه 3 mL ماء مقطر. استعمل مخبارًا مدرجًا سعته 10 mL لقياس حجم الماء، ثم أضف 3 mL ميثانول. وباستعمال الماصة أضف 3 قطرات من حمض الكبريتيك المركز إلى أنبوب الاختبار. تحذير: يمكن أن يسبب حمض الكبريتيك المركز حروقًا، وقد يشتعل الميثانول ويسبب انفجارًا، لذا احفظه بعيدًا عن مصدر اللهب، وتعامل دائمًا مع المواد الكيميائية بحذر.
• عندما يسخن الماء وقبل الغليان ضع أنبوب الاختبار في الحمام المائي مدة 5 دقائق. استعمل ماسك الأنابيب لنقل أنبوب الاختبار من الحمام المائي إلى حامل الأنابيب لاستخدامه لاحقًا.
• ضع كرات قطنية في طبق بتري حتى المنتصف، ثم أفرغ محتويات أنبوب الاختبار فوق الكرات القطنية في طبق بتري، وسجل ملاحظاتك حول الرائحة الناتجة.

التحليل

• سم بعض المنتجات التي تعتقد أنها تحتوي على هذا الإستر.
• قوّم فوائد ومضار استعمال الإسترات الصناعية على المستهلك بالمقارنة مع استعمال الإسترات الطبيعية.

الجدول 5-11: الأميدات

الصيغة العامة:

R-C(=O)-NHR

مجموعة الأميد.

أمثلة على الأميدات:

• الإيثان أميد (أسيتاميد).
• أسيتامينوفين.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_5-12_تحضير_الأسبرين_بتفاعل_التكثف.png
• تقويم_5-3_مركبات_الكربونيل.png

الشكل 5-12

لتحضير الأسبرين يتحد جزيئان عضويان من خلال تفاعل التكثف لتكوين جزيء أكبر.

حمض الساليسيليك + حمض الإيثانويك → حمض أسيتيل ساليسيليك (الأسبرين) + ماء

التقويم 5-3

الخلاصة

• مركبات الكربونيل مركبات عضوية تحتوي على مجموعة C=O.
• هناك خمسة أنواع مهمة من المركبات العضوية تحتوي على مركبات الكربونيل، هي: الألدهيدات، والكيتونات، والأحماض الكربوكسيلية، والإسترات، والأميدات.

• الفكرة الرئيسية: صنف كل مركب من مركبات الكربونيل الآتية إلى أحد أنواع المواد العضوية التي درستها في هذا القسم.

أ. CH3CH2-O-C(=O)-CH3
ب. CH3CH2CH2C(=O)-NH2
ج. حلقة كربونية تحتوي على مجموعة كيتون.
د. CH3CH2CH2CHO

• صف نواتج تفاعل التكثف بين الحمض الكربوكسيلي والكحول.

• حدد الصيغة العامة للألكانات CnH2n+2. اشتق الصيغة العامة التي تمثل الألدهيد، والكيتون، والحمض الكربوكسيلي.

• استنتج لماذا تكون المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعات كربوكسيل ذات خواص حمضية عندما تذوب في الماء، بينما ليس لمركبات أخرى مشابهة لها في التركيب مثل الألدهيد الخواص نفسها؟