Grup funcional

Un grup funcional, o grup característic, és un àtom, o un grup d'àtoms que confereixen propietats químiques semblants quan són presents en diferents composts orgànics. Defineix les propietats físiques i químiques característiques de les famílies o classes de composts orgànics.^[1]

Grup carboxi format per un carboni (negre) enllaçat a dos oxígens (vermell), un amb un enllaç doble i l'altre amb un enllaç simple. Aquest oxigen està enllaçat també a un hidrogen (blanc).

El concepte de grup funcional és fonamental en la sistemàtica orgànica i té un gran paper en la nomenclatura, però no hi ha acord general sobre el seu abast. La Unió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC) el defineix com heteroàtom, per exemple ${\displaystyle {\ce {-F}}}$, ${\displaystyle {\ce {-Cl}}}$ i ${\displaystyle {\ce {=O}}}$; heteroàtom que conté un o més àtoms d’hidrogen o altres heteroàtoms, com ara ${\displaystyle {\ce {-NH2}}}$, ${\displaystyle {\ce {-OH}}}$, ${\displaystyle {\ce {-SO3H}}}$, ${\displaystyle {\ce {-PO3H2}}}$ i ${\displaystyle {\ce {-IO2}}}$, o bé grup heteroatòmic unit a un àtom de carboni o que el conté, com ara ${\displaystyle {\ce {-CHO}}}$, ${\displaystyle {\ce {-C\!\!\equiv \!\!N}}}$, ${\displaystyle {\ce {-COOH}}}$ i ${\displaystyle {\ce {-NCO}}}$, unit a un hidrur fonamental.^[2]

Punt d'ebullició d'alcans i alcohols en funció del nombre de carbonis de la cadena hidrocarbonada.

Propietats físiques

Espectre infraroig de l'etanol on s'observa a l'esquerra una intensa banda d'absorció a 3 358 cm^–1 típica de tots els alcohols.

Les propietats físiques dels composts orgànics, com ara punts de fusió i ebullició, solubilitat, densitat, bandes en els espectres infraroigs… que presenten el mateix grup funcional són semblants i varien regularment amb el nombre d'àtoms de carboni de la cadena a la qual vagi unit el grup funcional. Per exemple, els punts d'ebullició dels alcohols que presenten el grup funcional hidroxi ${\displaystyle {\ce {-OH}}}$, des del metanol al pentanol, són 64,7 °C, 78,3 °C, 97,2 °C, 117,7 °C i 138,0 °C. Hom hi observa que tots estan en una mateixa zona de temperatures i una clara tendència a incrementar-se en augmentar el nombre de carbonis. També en la sèrie de les cinc primeres amines primàries, amb el grup funcional amino ${\displaystyle {\ce {-NH2}}}$ els punts de fusió estan a la mateixa zona i presenten una tendència a augmentar, però no tan regular. Els valors són: –94 °C, –84 °C, –83 °C, –51 °C i –55 °C.^[3] Un exemple diferent és la intensa banda d'absorció a l'espectre infraroig característica de tots els alcohols i fenols. Aquesta banda apareix entre els nombres d'ona de 3 700 cm^–1 i 3 584 cm^–1 i és deguda al grup hidroxi ${\displaystyle {\ce {-OH}}}$.^[4]

Propietats químiques

Els grups funcionals o característics solen ser la part més reactiva de les molècules dels composts orgànics. Una mateixa molècula pot contenir-ne més d’un, i poden ser idèntics o bé diferents.^[5] El grup funcional aporta reactivitat a la molècula perquè li introdueix o bé certa polaritat, la qual cosa fa que sigui susceptible d'un atac nucleòfil o electròfil, o bé enllaços més febles. Aquests enllaços poden ser els enllaços entre el carboni de la cadena hidrocarbonada i l'àtom del grup funcional, com l'enllaç σ carboni-oxigen dels alcohols, o bé l'enllaç entre els àtoms que componen el grup funcional, com l'enllaç π d'un grup carbonil ${\displaystyle {\ce {C=O}}}$), en tenir energies d'enllaç més baixes que la dels enllaços carboni-carboni i carboni-hidrogen de la cadena hidrocarbonada.^[6]

Les propietats químiques de tots els composts orgànics amb un mateix grup funcional (famílies o classes de composts) són semblants, només hi ha petites variacions segons la cadena de carbonis a la qual està enllaçat el grup funcional. La presència d'altres grups funcionals fa que les propietats químiques presentin més diferències. Per exemple, les amines són bases de Brønsted, i presenten uns valors de la constant d'equilibri K_b molt semblants: K_b(metanamina) = 4,4 × 10^–4, K_b(etanamina) = 5,6 × 10^–4, K_b(propan-1-amina) = 4,7 × 10^–4, K_b(butan-1-amina) = 4,1 × 10^–4. Un altre exemple és l'esterificació de Fischer, una reacció que té lloc entre alcohols i àcids carboxílics per donar un èster, independentment de les cadenes de carbonis de cadascun dels reactius:^[3]

Esterificació de Fischer.

Grups funcionals més comuns

Els grups funcionals més comuns, per ordre decreixent de prioritat a l’hora de seleccionar-los i anomenar-los com a grup característic principal en el nom d'un compost orgànic, són:

Grup funcional	Classe de compost	Fórmula del compost	Fórmula desenvolupada	Prefix	Sufix
Grup carboxi	Àcid carboxílic	R-COOH		carboxi-	-ic
Grup acil	Anhídrid d'àcid	(RCO)₂O		Anhídrid -ic	_
Grup alcoxicarbonil o ariloxicarbonil Grup acil	Èster	R-COO-R'		-iloxicarbonil- (-COOR)	Segons l'alcohol i àcid de procedència: alquilat d'alquil
Grup acil	Halur d'àcid	-COX		Haloformil-	Halur de -oil
Grup acil	Amida	R-C(=O)N(-H)-R'		amido-	Segons l'amina i àcid de procedència: alquil alcanamida
Grup nitril	Nitril o cianur	R-CN		ciano-	alquilnitril
Grup carbonil	Aldehid	R-C(=O)H		oxo-	-al
	Cetona	R-C(=O)-R'		oxo-	-ona
Grup hidroxi	Alcohol	R-OH		hidroxi-	-ol
Grup amino	Amina	NR₃		amino-	-amina
_	Hidrazina	R₂N-NR₂		_	_
Grup alcoxi o ariloxi	Èter	R-O-R'		alquiloxi o ariloxi	Segons l'alcohol de procedència: alquil alquil èter

Altres grups funcionals amb nitrogen

Altres grups funcionals que contenen àtoms de nitrogen són:

Grup funcional	Classe de compost	Fórmula	Fórmula desenvolupada	Prefix	Sufix
Grup imino	Imina	RR″C=NR′			-imina
Grup isocianur	Isocianur	R-NC		isociano-	alquilisonitril
_	Hidroxilamina	-NOH		hidroxiamino-, alcoxiamino- o (ariloxi)amino-	_
Grup azo	Compost azo	R-N=N-R'		_	_
Grup diazo	Compost diazo	R=N+=N-		diazo-	_
_	Sal de diazoni	-N+≡N		_	-diazoni
Grup nitro	Nitro	R-NO₂		nitro-	_
Grup isocianat	Isocianat	R-NCO		isocianato-	alquilisocianat
_	Azida	-N=N+=N-		azido-	_
Grup imido	Imida	–CO–NH–CO–			‑imida» o ‑dicarboximida
	Hidrazida	-OC-NH-NH			‑ohidrazida ‑carbohidrazida

Amb grups funcionals amb sofre

Altres grups funcionals que contenen àtoms de sofre:

Grup funcional	Classe de compost	Fórmula	Fórmula desenvolupada	Prefix	Sufix
_	Tioèter o sulfur	R-S-R'			_
_	Tiol	R-SH			_
_	Sulfòxid	R-SO-R'			_
_	Sulfona	R-SO₂-R'			_
_	Àcid sulfònic	RSO₃H			_
Grup isotiocianat	Isotiocianat	R-NCS		isotiocianato-	alquilisotiocianat

Altres grups funcionals

Terme	Fórmula	Fórmula desenvolupada	Prefix	Sufix
Fosfodièster	R-OP(=O)₂O-R'	_	_	_
Piridil	R-C₅H₄N		_	_

Ordre de prioritat[2]

Núm.	Compost
1	Àcids (per aquest ordre: COOH, C(O)O2 H; llurs tio- i selenoderivats; àcids sulfònics, sulfínics, selenònics, etc.; fosfònics, arsònics, etc.).
2	Anhídrids.
3	Èsters.
4	Halogenurs d’àcid.
5	Amides.
6	Hidrazides.
7	Imides.
8	Nitrils.
9	Aldehids, seguits per tioaldehids, selenoaldehids i tel·luroaldehids.
10	Cetones, seguides per tiocetones, selenocetones i tel·lurocetones.
11	Alcohols i fenols, seguits per tiols, selenols i tel·lurols.
12	Hidroperòxids, seguits per tiohidroperòxids, selenohidroperòxids i tel·lurohidroperòxids.
13	Amines.
14	Imines.
15	Hidrazines, fosfans, etcètera.
16	Èters, seguits per sulfurs, selenurs i tel·lururs.
17	Peròxids, seguits per disulfurs, diselenurs i ditel·lururs.

Referències

1. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2a ed. ("The Gold Book") (1997). Versió corregida en línia:  (2006–) "functional group" (en anglès).
2. Unió Internacional de Química Pura i Aplicada. Comissió de Nomenclatura de Química Orgànica. Guia de la IUPAC per a la nomenclatura de compostos orgànics : recomanacions del 1993 (incloent-hi les revisions, tant publicades com no publicades fins ara, de l'edició del 1979 de la Nomenclature of organic chemistry), febrer del 2017. ISBN 978-84-9965-333-4.
3. Solomons, T.W. Graham. Química Orgánica. México: Limusa, 1971. ISBN 9681809823.
4. Silverstein, Robert M.; Webster, Francis X.; Kiemle, David J.; Bryce, David L. Spectrometric identification of organic compounds. Eighth edition. Hoboken, NJ: Wiley, 2015. ISBN 978-0-470-61637-6.
5. «Grup funcional». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
6. UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; ENCICLOPÈDIA CATALANA.. «Diccionari de química [en línia.]». TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2020. (Diccionaris en Línia) (Ciència i Tecnologia). [Consulta: 25 març 2022].