Grupe funcționale

Grupa funcțională este ansamblul de atomi care imprimă unei clase de compuși reacții caracteristice. Funcțiuni monovalente: halogen $-\mathrm{Cl}$, hidroxil alcoolic $-\mathrm{OH}$, amino $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$. Funcțiuni divalente: oxigenul eteric $-\mathrm{O}-$ și carbonilul $>\mathrm{C}=\mathrm{O}$. Funcțiuni trivalente: carboxilul $-\mathrm{COOH}$, format din carbonil și hidroxil pe același carbon. O moleculă cu două grupe diferite are funcțiune mixtă: acidul lactic $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{COOH}$ este hidroxiacid.

Valența funcțiunii. Ea arată cum se leagă grupa de radicalul hidrocarbonat. Grupele monovalente se leagă printr-o singură covalență. Grupa $-\mathrm{O}-$ are două valențe și leagă doi radicali, iar carbonilul $>\mathrm{C}=\mathrm{O}$ ocupă două covalențe ale unui atom de carbon. Carboxilul $-\mathrm{COOH}$ și nitrilul $-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ ocupă trei covalențe ale aceluiași atom de carbon.

Clasele de compuși.

• Monovalente: derivații halogenați $\mathrm{R}-\mathrm{X}$, alcoolii $\mathrm{R}-\mathrm{OH}$, fenolii $\mathrm{Ar}-\mathrm{OH}$ (hidroxilul este legat direct de inelul aromatic), aminele $\mathrm{R}-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$, nitroderivații $\mathrm{R}-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$.
• Divalente: eterii $\mathrm{R}-\mathrm{O}-{\mathrm{R}}^{\prime }$, aldehidele $\mathrm{R}-\mathrm{CH}=\mathrm{O}$ (carbonil la capătul catenei) și cetonele $\mathrm{R}-\mathrm{CO}-{\mathrm{R}}^{\prime }$ (carbonil între doi atomi de carbon).
• Trivalente: acizii carboxilici $\mathrm{R}-\mathrm{COOH}$ și derivații lor: esterii $\mathrm{R}-\mathrm{COO}-{\mathrm{R}}^{\prime }$, amidele $\mathrm{R}-\mathrm{CO}-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$, nitrilii $\mathrm{R}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$.

Denumirea. Funcțiunea principală se arată prin sufix: -ol pentru alcool (propan-1-ol), -al pentru aldehidă (etanal), -onă pentru cetonă (propanonă), acid ...-oic pentru acid carboxilic (acid propanoic). Celelalte grupe apar ca prefixe: cloro-, nitro-, amino-, hidroxi-.

Grupa determină reacțiile. Alcoolii reacționează cu sodiul, cu degajare de hidrogen. Acizii carboxilici au caracter acid și reacționează cu hidroxidul de sodiu. Fenolul reacționează cu hidroxidul de sodiu, spre deosebire de alcooli. Aminele au caracter bazic, datorită perechii de electroni a azotului. Aldehidele se oxidează ușor, spre deosebire de cetone.

Compuși cu mai multe grupe. Etandiolul $\mathrm{HO}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{OH}$ și glicerina au câte două, respectiv trei grupe identice: sunt compuși polifuncționali, cu aceeași funcțiune repetată. Compușii cu funcțiune mixtă au grupe diferite, de pildă aminoacizii ($-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ și $-\mathrm{COOH}$) sau hidroxiacizii ($-\mathrm{OH}$ și $-\mathrm{COOH}$). Glucoza este hidroxialdehidă, iar fructoza este hidroxicetonă.

Exemplu rezolvat 1: glicina, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{N}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{COOH}$.

1. Găsim grupa $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$, legată de carbon printr-o covalență: funcțiune amină, monovalentă.
2. Găsim grupa $-\mathrm{COOH}$: funcțiune acid carboxilic, trivalentă.
3. Grupele sunt diferite, deci funcțiunea este mixtă: aminoacid.
4. Formula moleculară este ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$, iar $I=(2\cdot 2+2+1-5)/2=1$, valoare dată de dubla legătură C=O din carboxil.

Exemplu rezolvat 2: acidul carboxilic saturat cu $M=74$ g/mol.

1. Formula generală este $\mathrm{R}-\mathrm{COOH}$, iar masa grupei $-\mathrm{COOH}$ este $12+2\cdot 16+1=45$.
2. Masa radicalului: $74-45=29$.
3. Radicalul saturat cu masa 29 este ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5$, deoarece $2\cdot 12+5=29$.
4. Acidul este $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH}$, acidul propanoic, ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_2$.

Exemplu rezolvat 3: alcoolul saturat monohidroxilic cu 26,67% oxigen.

1. Masa molară: $M=16\cdot 100/26,67=60$ g/mol.
2. Formula generală a alcoolilor saturați este ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n+2}\mathrm{O}$, cu $M=14n+18$.
3. Din $14n+18=60$ rezultă $n=3$: formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_8\mathrm{O}$, propanol.

Exemplu rezolvat 4: acidul aspartic, $\mathrm{HOOC}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2)-\mathrm{COOH}$.

1. Găsim două grupe $-\mathrm{COOH}$ și o grupă $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$.
2. Grupele sunt diferite, deci funcțiunea este mixtă: aminoacid, cu două grupe acide.
3. Formula moleculară este ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_7\mathrm{N}{\mathrm{O}}_4$, iar $I=(2\cdot 4+2+1-7)/2=2$, câte o unitate pentru fiecare grupă $\mathrm{C}=\mathrm{O}$.

Un exemplu din viața de zi cu zi: aspirina, acidul acetilsalicilic, conține un carboxil și o grupă esterică legate de același inel benzenic.

Exemplu (complement grupat). Au funcțiune mixtă:

1. acidul lactic, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{COOH}$
2. glicerina, $\mathrm{HOC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$
3. glicina, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{NC}{\mathrm{H}}_2\mathrm{COOH}$
4. acetona, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COC}{\mathrm{H}}_3$

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: acidul lactic are $-\mathrm{OH}$ și $-\mathrm{COOH}$, iar glicina are $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$ și $-\mathrm{COOH}$, deci afirmațiile 1 și 3 sunt adevărate. Glicerina are trei grupe identice, iar acetona are o singură grupă, deci afirmațiile 2 și 4 sunt false. Răspuns corect: B.

Exemplu (complement grupat). Au funcțiune trivalentă:

1. acidul etanoic, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}$
2. etannitrilul, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$
3. etanamida, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CON}{\mathrm{H}}_2$
4. etanolul, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{OH}$

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: carboxilul, nitrilul și amida ocupă trei covalențe ale aceluiași atom de carbon, deci afirmațiile 1, 2 și 3 sunt adevărate. Etanolul are funcțiune monovalentă ($-\mathrm{OH}$), deci afirmația 4 este falsă. Răspuns corect: A.

Exemplu. Formula ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4{\mathrm{O}}_2$ corespunde acidului etanoic, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}$, și metanoatului de metil, $\mathrm{HCOOC}{\mathrm{H}}_3$. Primul are carboxil, cu un $-\mathrm{OH}$ legat de carbonil; al doilea are grupă esterică, fără $-\mathrm{OH}$.

Calcul. Un compus carbonilic saturat aciclic are $M=58$ g/mol. Formula generală este ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}\mathrm{O}$, deci $14n+16=58$ și $n=3$. Formula ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ corespunde propanalului, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{CHO}$, și propanonei, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COC}{\mathrm{H}}_3$.

Serina, $\mathrm{HO}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2)-\mathrm{COOH}$, are trei grupe diferite: alcool, amină și acid carboxilic.

Nitrilul are grupa $-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$, iar amida $-\mathrm{CON}{\mathrm{H}}_2$. În nitril, azotul este legat triplu de carbon; în amidă, este legat de carbonil. Grupa carbonil este prezentă în aldehide, cetone, acizi carboxilici și derivații lor, dar reactivitatea diferă.

Greșeli frecvente

• Greșit: Orice $-\mathrm{OH}$ aparține unui alcool.
  Corect: În fenol este legat direct de inel; în acidul carboxilic face parte din carboxil.
• Greșit: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CHO}$ este cetonă.
  Corect: Carbonilul terminal îl face aldehidă.
• Greșit: Glicerina are funcțiune mixtă, deoarece are trei grupe.
  Corect: Are trei grupe identice, $-\mathrm{OH}$; funcțiunea mixtă cere grupe diferite.
• Greșit: Nitrilul $\mathrm{R}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{N}$ și amida $\mathrm{R}-\mathrm{CON}{\mathrm{H}}_2$ sunt aceeași grupă, pentru că ambele conțin C și N.
  Corect: Amida conține carbonil legat de $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$; nitrilul conține o legătură triplă C≡N.

Înainte și după