دراسة العلاقة بين بنية وخصائص الهيدروكربونات - الجلسة 1

هالوجينية الألكانات هي تفاعل كيميائي يتم فيه استبدال ذرة الهالوجين بذرة الهيدروجين في جزيء الألكان. في هذه العملية يتم كسر الرابطة بين الكربون والهيدروجين. بعد كسر الرابطة، تتكون رابطة هالوجينية كربونية جديدة. إنه تفاعل الاستبدال. الاستبدال يعني الاستبدال. يشار إلى عملية هالوجين الألكانات على وجه التحديد باسم استبدال الجذور الحرة. وذلك لأنه يتضمن توليد الجذور الحرة والاستفادة منها. الجذور الحرة هي أنواع كيميائية شديدة التفاعل تحتوي على إلكترون واحد أو أكثر غير مقترن.

دعونا نركز على كلورة الميثان كمثال. تتضمن عملية كلورة الميثان أربع خطوات. يبدأ التفاعل بخطوة البدء. في هذه الخطوة، يتم تقسيم جزيء الكلور إلى جذري كلور شديدي التفاعل. تتطلب هذه الخطوة عادةً طاقة على شكل حرارة أو ضوء فوق بنفسجي.

الخطوة الثانية تسمى الانتشار. في خطوة الانتشار، يتفاعل جذر الكلور مع جزيء الميثان لتكوين جذر الميثيل وكلوريد الهيدروجين. يحل الجذر الكلوري محل ذرة الهيدروجين في الميثان. نتيجة لذلك يتم تكوين جذر الميثيل وكلوريد الهيدروجين.

الخطوة التالية هي انتشار السلسلة. في هذه الخطوة، يتفاعل الجذر الميثيل مع جزيء كلور آخر لتكوين كلورو ميثان وجذر كلور آخر. تستمر هذه الخطوة في انتشار السلسلة من خلال التفاعل. يرجع ذلك إلى أن جذور الكلور المتكونة حديثًا يمكن أن تتفاعل مع جزيئات الميثان الإضافية.

الخطوة الأخيرة هي الإنهاء. في عملية الإنهاء، تتحد الجذور التفاعلية لتكوين جزيئات مستقرة. فيما يلي بعض الأمثلة على تفاعلات الإنهاء التي يمكن أن تحدث أثناء كلورة الميثان. يمكن أن يتحد جذري الميثيل لتكوين الإيثان. يمكن أن يتحد الجذر الميثيل مع الجذر الكلور لتكوين الكلوروميثان. يمكن لجذر الميثيل أن يتحد مع ذرة الهيدروجين لتكوين جزيء الميثان المستقر. تساعد تفاعلات الإنهاء هذه على تقليل تركيز الجذور التفاعلية وإنهاء تفاعل الكلورة.

تتضمن عملية الهالوجين الهيدروجيني للألكينات إضافة هاليد الهيدروجين إلى الألكين. يضاف هاليد الهيدروجين عبر الرابطة المزدوجة لذرة الكربون في الألكين. تنكسر الرابطة المزدوجة للألكينات في هذه العملية. المنتج من هذا التفاعل هو هاليد الألكيل.

تتم عملية الهالوجين الهيدروجيني للألكينات من خلال آلية تدريجية تتضمن تكوين وسيط كربوني كاتيوني. دعونا نأخذ مثال الكلورة الهيدروجينية للإيثين لتوضيح العملية. يبدأ التفاعل بتفكك كلوريد الهيدروجين إلى أيوناته المكونة. يؤدي هذا إلى توليد أيون هيدروجين مشحون إيجابيا وأيون كلوريد مشحون سلبًا.

يتفاعل الإيثين بعد ذلك مع أيون الهيدروجين. الرابطة المزدوجة للكربون في الإيثين تعمل كنواة محبة للنواة. كما نعلم، فإن كلمة نيوكليوفيل تعني النوع الغني بالإلكترونات. يهاجم أيون الهيدروجين. تنكسر الرابطة باي بين ذرتي الكربون. ثم ترتبط ذرة الهيدروجين بإحدى ذرات الكربون. إن إضافة أيون الهيدروجين يشكل وسيط كربوني كاتيوني. الكاتيونات الكربونية هي ذرة كربون ذات شحنة موجبة وثلاث روابط. يفتقر إلى إلكترون واحد.

بعد ذلك، يقوم أيون الهاليد المشحون سلبًا بمهاجمة الكربون المشحون إيجابًا في الكربون كاتيون. يعمل أيون الهاليد المشحون بالسالب كنواة محبة للنواة. يؤدي هذا الهجوم النووي إلى تكوين رابطة كلوريد الكربون الجديدة. يتم إنهاء التفاعل عن طريق تكوين منتج هاليد الألكيل. في هذه الحالة يكون هاليد الألكيل هو كلورو الإيثان. يحتوي هاليد الألكيل على رابطة كربون-هالوجين جديدة ويحتفظ بالهيكل الكربوني الأصلي للألكين.

أثناء عملية الهالوجين مع الألكين الذي يحتوي على عدد أكبر من ذرات الكربون، هناك احتمالية لتكوين نوعين من المنتجات. على سبيل المثال، أثناء إضافة بروميد الهيدروجين إلى البروبيلين، يمكن أن يتكون منتجان مختلفان. وهما عبارة عن بروموبروبان واحد وبروموبروبان اثنان. يتم تفسير تكوين هذه المنتجات من خلال قاعدة ماركوفنيكوف وقاعدة ماركوفنيكوف المضادة.

وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف، فإن المكون المحب للإلكترون في الكاشف يرتبط بذرة الكربون مع عدد أكبر من ذرات الهيدروجين المرتبطة بها. تضاف المكونات النووية في الكاشف إلى ذرة الكربون مع عدد أقل من ذرات الهيدروجين المرتبطة بها. على سبيل المثال، أثناء إضافة بروميد الهيدروجين إلى البروبيلين، يضاف أيون الهيدروجين إلى الكربون رقم واحد. يرجع ذلك إلى أن الكربون رقم واحد يحتوي على عدد أكبر من ذرات الهيدروجين المرتبطة به مقارنة بالكربون رقم اثنين. يتم إضافة أيون البروميد إلى الكربون رقم اثنين.

وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف المضادة، فإن المكون المحب للإلكترون في الكاشف يرتبط بذرة الكربون مع عدد أقل من ذرات الهيدروجين المرتبطة بها. تضاف المكونات النووية في الكاشف إلى ذرة الكربون التي تحتوي على عدد أكبر من ذرات الهيدروجين المرتبطة بها. على سبيل المثال، أثناء إضافة بروميد الهيدروجين إلى البروبيلين، يضاف أيون الهيدروجين إلى الكربون رقم اثنين. يرجع ذلك إلى أن الكربون رقم اثنين يحتوي على عدد أقل من الهيدروجين المرتبط به مقارنة بالكربون رقم واحد. يتم إضافة أيون البروميد إلى الكربون رقم واحد. هذه الإضافة وفقًا لقاعدة ماركوفنيكوف.

كما نعلم، يتم تشكيل نوعين من المنتجات أثناء عملية الهالوجين الهيدروجيني للألكينات. يتم تشكيلها وفقا لقاعدة ماركوفنيكوف. يتم تشكيل المنتج الآخر وفقًا لقاعدة ماركونيكوف المضادة. هل يمكنك أن تقول ما هو المنتج الأكثر احتمالا للتكوين؟. حسنًا، تكمن الإجابة في استقرار وسيط الكربونيك المتشكل في عملية الهالوجين الهيدروجيني للألكينات. يشكل الكربون المستقر منتجًا مستقرًا. أولاً سوف نناقش أنواع الكاتيونات الكربونية التي يمكن أن تتكون أثناء عملية الهالوجين الهيدروجيني للألكينات.

هناك ثلاثة أنواع من الكاتيونات الكربونية. الكربونيكاتيون الأولي، الكربونيكاتيون الثانوي والكربونيكاتيون الثالثي. يحتوي الكربونيكاتيون الأولي على مجموعة ألكيل واحدة فقط مرتبطة بذرة الكربون المشحونة إيجابيا. يحتوي الكاتيونات الكربونية الثانوية على مجموعتين ألكيل مرتبطتين بذرة الكربون المشحونة إيجابيا. يحتوي الكربونيكاتيون الثالثي على ثلاث مجموعات ألكيل مرتبطة بذرة الكربون المشحونة إيجابيا.

الآن سوف نناقش أي كاربوكاتيون هو الأكثر استقرارا. تتبرع المجموعات الألكيلية المرتبطة بالكربون المشحون إيجابيا بالإلكترونات إلى ذرات الكربون المشحونة إيجابيا. تساهم في زيادة كثافة الإلكترونات عند الكربون المشحون إيجابيا. يتم تقليل الصفة الإيجابية للكربون المشحون إيجابيا نتيجة لذلك. يصبح مستقرا. وهذا يعني أن الكاتيونات الكربونية الأكثر استقرارًا هي تلك التي تحتوي على عدد أكبر من المجموعات الألكيلية المرتبطة بالكربون المشحون إيجابيًا. لذا، فإن الكربونيك الثالثي هو الأكثر استقرارًا. الترتيب المتزايد لاستقرار الكربونات موضح هنا.

الآن، دعونا نتحدث عن المنتجات التي تشكلت أثناء عملية معالجة البروبيلين بالهيدروجين. المنتج الأول هو بروموبروبان ثنائي الذي يتبع قاعدة ماركوفنيكوف. المنتج الثاني هو بروموبروبان واحد يتبع قاعدة ماركونيكوف المضادة. كان الكاربوكاتيون الوسيط لاثنين من بروموبروبان هو الكاربوكاتيون الثانوي. كان الوسيط الكربوني لواحد من بروموبروبان هو الكربوني الأولي. يمكننا أن نرى أن الكربونيك الثانوي أكثر استقرارا. لذا فإن المنتج الرئيسي سيكون عبارة عن اثنين من البروموبروبان.