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官能團
來源:互聯網

官能團(functional group)又稱功能基,是指有機分子中賦予化合物特定化學性質的一類原子或原子團。它通常由特定的原子排列構成,是決定化合物化學反應活性和物理性質的核心結構單元。官能團可以顯著影響分子的極性、酸堿性、溶解性、沸點、熔點及其他化學或物理特性。常見的官能團包括:羥基(-OH)、羧基(-COOH)、醛基(-CHO)、酮基、氨基(-NH2)、硝基(-二氧化氮)、鹵素(-X,X代表氟、氯、溴、碘)等。每種官能團都有其獨特的化學性質,例如,羥基賦予化合物較強的親水性,羧基具有酸性,碳碳雙鍵則表現出易發生加成反應的特性。

在有機化學中,官能團的存在與組合為化合物的分類和命名提供了基礎。研究官能團的結構和反應特性對于理解化學反應機制、開發新材料以及應用于醫藥、農業和工業領域具有重要意義。

含官能團的有機物命名

對于復雜有機化合物來說,應遵循IUPAC的系統命名法來命名,基本方法分四步:選擇主要官能團;定主鏈位次;確定取代基并列出順序;寫出全稱。

選擇主要官能團

通常按官能團排列順序來選擇化合物中的主要官能團。官能團的順序按下列序號排列:1.酸;2.;3.酰胺;4.;5.醛;6.酮;7.醇酚;8.胺;9.亞胺;10.氮雜環化合物;11.磷雜環;12.氧雜環;13.硫雜環;14.碳環;15.烴;16.鹵代烴。習慣上把排在前面的官能團選做主要官能團,命名時稱為某某化合物,排在后面的官能團看成取代基。例如:、和,主要官能團分別是,分別稱為酸、酯和醇。

定主鏈位次

選擇含有主要官能團、取代基多的最長碳鏈為主鏈,從靠近官能團的一端開始給主鏈編號,給定主鏈上取代基的位置。編號要遵循"最低系列原則”,即碳鏈以不同方向編號,得到兩種或兩種以上的不同編號系列,比較各系列不同位次,最先遇到的位次最小者,定為“最低系列”。例如:

確定取代基并列出順序

主鏈上有多個取代基或官能團命名時,這些取代基或官能團列出順序遵守“順序規則”(sequence rule),較優基團后列出。順序規則內容(用“>”表示優于):

(1)各種取代基或官能團按其第一個原子的原子序數大小排列,原子序數大者為“較優”基團。若為同位素,則質量高的定為“較優”基團。例如:

I>Br>Cl>F>O>N>C>H

D>H

(2)如果兩個基團的第一個原子相同,則比較與之相連的第二個原子,以此類推。比較時,按原子序數排列,先比較各組中原子序數最大者,若仍相同,再依次比較第二個、第三個。若仍然相同,則沿取代基鏈逐次比較。例如:

(3)含有雙鍵或三鍵,可以分解為連有兩個或三個相同原子,例如:

所以有三鍵優于雙鍵

(4)寫出化合物全名

寫全名時,取代基的位次號寫在取代基名稱前面,用半字線“-”與取代基分開;相同取代基或官能團合并寫,用二、三等表示相同取代基或官能團數目,位號數字間用逗號“,”分開;前一取代基名稱與后一取代基位號間也用半字線“-”分開。在不會混淆時,可以省去位次號,多數情況下“1”可以省去,例如:

官能團的確定

官能團決定了有機化合物的主要性質,包括化學性質和一些物理性質,例如官能團的化學性質主要體現在其反應類型和反應條件上,不同官能團具有獨特的反應行為,通常決定了化合物在化學反應中的角色。例如,酸性官能團(如羧基、酚羥基)可以釋放質子(H+),表現出酸性;堿性官能團(如氨基)可以接受質子,表現出堿性。某些官能團(如醇、醛、硝基)可以參與氧化還原反應。例如,醇可以被氧化為醛或酮,而醛可以進一步氧化為羧酸。親電官能團(如羰基、羧基)容易吸引電子,參與親核加成或親核取代反應;親核官能團(如羥基、氨基)容易提供電子,參與親電加成或親電取代反應。

化學方法

化學方法有時可以迅速達到鑒定官能團的目的。例如,分子中的碳碳雙鍵可以和溴水反應,迅速使溴水褪色,如不褪色,則分子不含碳碳雙鍵。又如,分子中的醛基酮基可以和2,4二硝基苯反應,迅速生成黃色沉淀,如無黃色沉淀生成,則分子不含醛基和酮基。常見官能團的鑒定反應見下表。

物理方法

化合物經純度檢查和確定分子式后,需進一步進行官能團和分子骨架的確定。首先計算該化合物的不飽和度,準確計算出結構中可能含有的雙鍵數或環數,再根據所測得的物理常數、化學定性試驗、降解反應及紫外光譜、紅外光譜、質譜、核磁共振譜等綜合分析,以確定化合物所含官能團、母核類型等。

在化合物結構分析中,光譜技術具有用量少、可回收、省時省力等優點,克服了經典結構研究中耗時長、準確性差、消耗樣品量大及不可回收等缺點。通過波譜解析,或與已知化合物的譜學數據對照,把各官能團或結構片段連接起來形成整體結構,再進一步通過X-Ray單晶衍射、旋光譜、圓二色譜或2D-NMR等方法進一步確定其立體結構。常用于結構鑒定的光譜技術有紫外吸收光諧(ultraviolet absorption spectrum,UV)、紅外吸收光譜(infrared absorption spectrum,IR)、核磁共振譜(nuclear magnetic resonance,NMR)和質譜(mass spectrum,MS)。

常見官能團

烴基

烷烴分子的化學鍵均為σ鍵;碳碳雙鍵、碳碳三鍵均由σ鍵和π鍵組成,只是π鍵的數目不同;在苯的結構中,存在一個閉合的π-π共輒體系,其中的π電子高度離域,π電子云密度完全平均化。

含鹵素的基團

鹵代烷烴是一類由碳鹵素鍵定義的分子。一般來說,除化合物外,鹵代烷烴容易發生親核取代或消除反應。

含氧官能團

由于sp-雜化氧(羰基)的吸電子作用和sp2-雜化氧(醇基)的供體作用,含有C-O鍵的化合物各自具有不同的反應性,具體取決于C-O鍵的位置和雜化。

含氮官能團

該類別中含有氮的化合物可能含有C-O鍵。

含金屬元素的官能團

含硫官能團

含有硫的化合物表現出獨特的化學性質,因為硫能夠形成比氧更多的鍵。

含磷官能團

含有磷的化合物表現出獨特的化學性質,因為磷能夠比氮形成更多的鍵。

含硼官能團

含有硼的化合物表現出獨特的化學性質,因為它們具有部分填充的八隅體,因此起到路易斯酸的作用。

官能團的保護

在有機合成中,反應物分子常常為多官能團化合物,在某一反應條件下,往往存在多個反應部位,從而產物構成復雜,甚至得不到目標分子。為了使目標反應順利進行,可利用一些特定反應將分子中對反應條件敏感的官能團保護起來,當目標反應完成后,再將保護基去除。顯然官能團保護具有三個優點:①提高反應區域選擇性;②提高反應立體選擇性;③有利于反應產物分離。

官能團保護基應具備的條件:官能團保護的最主要的問題就是尋找合適保護基。大量實驗結果表明,一個理想的保護基應具備下列四個條件:①保護基引入條件溫和;保護基在目標分子形成過程中穩定;③基團在溫和條件下應可以選擇性地除去;④去保護過程產生的副產物應容易離去。

醇羥基保護

醇羥基易氧化(如伯醇仲醇),易脫水(如叔醇),可分解各種試劑和其他有機金屬化合物。因此,在某些化合物的合成中,為阻止上述反應的發生,就需要將羥基保護起來。醇羥基常用的保護方法為轉換為醚類、縮醛縮酮類及其酯衍生物。

酚羥基保護

酚羥基的兩類常用保護方法是形成醚類和酯類。

羰基的保護

基是最容易發生反應的活潑官能團之一,可與多種親核試劑發生親核加成,因此在許多反應中需要保護羰基。常用生成縮醛和縮酮來保護羰基。

氨基的保護

伯胺仲胺很容易氧化,且易發生烴基化、酰基化以及與醛、酮基的親核加成反應。在合成中常采用氨基質子化,轉變為酰基衍生物和烴基衍生物等方法保護氨基。

羧基的保護

羧基通常用形成酯的方法保護。常見的有轉變為甲酯、乙酯、叔丁酯、酯等。

應用

現在已經廣泛用于防治疾病的藥物中,極大多數是有機化合物;而且目前大量涌現的新藥中,也幾乎全是有機化合物。對新藥的尋找、構效關系的研究、合成藥物生產中的工藝改進、質量檢查、劑型加工以及使用、保管等,都需要借助官能團。

藥物合成反應,官能團影響藥物的活性和作用機制。化學上存在大量的官能團,僅有一部分在藥物結構中更為常見,例如醇、酚、胺、酰胺和芳環較為常見。例如Morphine和茚地那韋的結構中就出現了這樣的官能團。不同的藥物所含的官能團數目和種類不同,一般地,藥物中存在的官能團越多,合成的挑戰可能越大。

參考資料 >

官能團.術語在線.2023-11-28

1.6: Functional Groups.libretexts.2023-12-05

有機化合物命名原則.chemsoc.2023-12-15

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