Grupo Carbonilo

El átomo de carbono del grupo carbonilo posee hibridación sp2, de esta forma, éste y los tres átomos unidos a él, se encuentran en el mismo plano. Los ángulos de enlace entre los tres átomos enlazados son los que se esperan de una estructura trigonal planar: miden cerca de 120º.

El átomo de carbono del grupo carbonilo tiene una carga parcial positiva considerable; el oxígeno del carbonilo posee una carga parcial negativa considerable. Esta distribución de cargas se debe a la contribución que hace el átomo electronegativo de oxígeno a la resonancia de la segunda estructura que aparece aquí como significativa.

Dos aspectos notables del grupo carbonilo son su geometría y su polaridad. El grupo carbonilo y los átomos unidos a él se disponen en el mismo plano.

El promedio de la longitud del doble enlace C=O de 122 pm en los aldehidos y cetonas es significativamente más corto que la longitud del enlace simple C-O de 141 pm en alcoholes y éteres.

Debido a la alta electronegatividad del oxígeno, la densidad electrónica en ambos componentes s y p del doble enlace C=O está desplazada hacia el oxígeno. El grupo carbonilo está polarizado de manera que el carbono es parcialmente positivo y el oxígeno es parcialmente negativo.

En términos de resonancia, la deslocalización electrónica del grupo carbonilo se representa por las contribuciones de dos formas principales de resonancia.

De estas dos formas, A, que tiene un enlace covalente más y que evita la separación de las cargas positivas y negativas que caracteriza a B, es la que mejor se aproxima al enlace del grupo carbonilo.

Los efectos estructurales sobre la estabilidad del grupo carbonilo son factores importantes en las reactividades relativas.

Los compuestos oxigenados que contienen el grupo carbonilo son: aldehidos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres.

Aldehidos y Cetonas

Los aldehidos y las cetonas se caracterizan por la presencia de un grupo acilo RCO- enlazado o bien a un hidrógeno o bien a otro carbono. Los aldehidos son compuestos de fórmula RCOH y las cetonas RCOR'.

Los aldehidos y las cetonas se encuentran entre los compuestos más comunes en la naturaleza y la industria química. En la naturaleza, una buena parte de las sustancias necesarias para los organismos vivos son aldehidos o cetonas. En la industria química se producen variedades sencillas de ambos en grandes cantidades para utilizarlas como disolventes y materias primas a fin de preparar muchos otros compuestos. El uso de la cetona como disolvente industrial se encuentra muy difundido. El formaldehido se sintetiza en la industria por medio de la oxidación catalítica del metanol. 

La presencia de un grupo carbonilo hace a los aldehidos y cetonas bastante polares. Por ejemplo, sus momentos dipolares moleculares son sustancialmente mayores que los de los compuestos comparables que contienen dobles enlaces C=C.

El enlace en el formaldehido puede describirse de acuerdo con un modelo de hibridación sp2 análogo al del etileno. 

Un carbonilo cetónico tiene dos grupos alquilo dadores de electrones que contribuyen a su estabilización, mientras que un aldehido contiene sólo uno. Los efectos estructurales sobre la estabilidad del grupo carbonilo son factores importantes en las reactividades relativas de aldehidos y cetonas.

Acidos y ésteres

Los ácidos carboxílicos, compuestos de fórmula RCOOH-, constituyen una de las clase de compuestos orgánicos que se encuentran más frecuentemente. Muchos productos naturales son ácidos carboxílicos o derivados de ellos.

La importancia de los ácidos carboxílicos se magnifica cuando nos damos cuenta de que son los compuestos precursores de un gran grupo de derivados que incluye a los ésteres, amidas, cloruros de acilo y anhídridos de ácido.

Debido a que el grupo funcional ácido carboxílico se relaciona estructuralmente con cetonas y alcoholes, cabe esperar que alguna de sus propiedades parezcan conocidas. Al igual que las cetonas, el carbono carboxílico tiene hibridación sp2, por lo que los grupos de ácido carboxílico son planares, con ángulos de valencia C-C=O y O=C-O de unos 120º.

Como los alcoholes, los ácidos carboxílicos están asociados fuertemente entre ellos por medio de enlaces de hidrógeno. En su mayor parte, los ácidos carboxílicos existen como dímeros cíclicos unidos por dos enlaces de hidrógeno.

En términos de resonancia, la conjugación del oxígeno hidroxílico con el grupo carbonilo se representa como:

La donación del par de electrones sin compartir del grupo hidroxilo hace al grupo carbonilo menos electrófilo que el de un aldehido o una cetona.

Los ésteres, compuestos de fórmula RCOOR', están entre los compuestos naturales más diseminados. Muchos ésteres sencillos son líquidos de olor agradable que originan los olores fragantes de los frutos y las flores. Por ejemplo, el butanoato de metilo se encuentra en el aceite de piña y el acetato de isopropilo es un constituyente del aceite de plátano. El enlace éster también se halla en las grasas animales y en muchas moléculas de importancia biológica.

La industria química utiliza ésteres para una diversidad de propósitos. El acetato de etilo, por ejemplo, es un disolvente común en los removedores de barnices de uñas; los ftalatos de dialquilo se emplean en los llamados plastificantes, para conservar los polímeros y evitar que se vuelvan quebradizos.

El grupo carbonilo de un éster está más estabilizado que el de un anhídrido. Dado que los dos grupos acilo de un anhídrido compiten por el par de electrones libres del oxígeno, cada carbonilo está menos estabilizado que el único grupo carbonilo de un éster.

Los ésteres se estabilizan por resonancia en aproximadamente la misma extensión que los ácidos carboxílicos, pero no tanto como las amidas.