دراسة العلاقة بين بنية وخصائص الهيدروكربونات - الجلسة 3

دعونا نناقش أنواع مختلفة من تفاعلات الاستبدال المحبة للإلكترون للبنزين. ولكن قبل المتابعة، هل يمكنك أن تخبرنا ما المقصود بالاستبدال المحب للإلكترون؟. المُحب للإلكترونات هو نوع من الكائنات التي تعاني من نقص الإلكترونات والتي لديها انجذاب للإلكترونات. كلمة الاستبدال تعني الاستبدال. لذا فإن الاستبدال المحب للإلكترون في البنزين يعني إدخال مادة محبة للإلكترون إلى البنزين عن طريق استبدال ذرة أو أكثر أو مجموعة في البنزين. يتم تشكيل البنزين المستبدل على شكل منتج.

ألكلة فريدل كرافتس هي تفاعل استبدال محب للإلكترون يتضمن إدخال مجموعة ألكيل على مركب عطري. تم تسميته على اسم مكتشفيه تشارلز فريدل وجيمس كرافتس. يحدث التفاعل من خلال تفاعل مركب عطري وهاليد ألكيل ومحفز حمض لويس. المنتجات المتكونة هي عبارة عن مركب عطري ألكيلي وهاليد الهيدروجين. إنه تفاعل استبدالي محب للإلكترون. في هذا التفاعل تعمل المجموعة الألكيلية كمحبة للإلكترون. يحل محل ذرة الهيدروجين في المركب العطري.

دعونا نأخذ مثالا على البنزين وكلوريد الميثيل لفهم آلية ألكلة فريدل كرافتس. سوف نتفاعل البنزين مع كلوريد الميثيل وكلوريد الألومنيوم. البنزين مركب عطري. يعمل كلوريد الميثيل كعامل ألكلة. يعمل كلوريد الألومنيوم كمحفز لحمض لويس. المنتج المتكون هو التولوين. ويتكون كلوريد الهيدروجين أيضًا كمنتج ثانوي.

الآن سوف نناقش الآلية التفصيلية لألكلة فريدل كرافتس للبنزين. الخطوة الأولى تتضمن تنشيط كلوريد الميثيل. يتفاعل كلوريد الألومنيوم مع كلوريد الميثيل لتوليد نوع تفاعلي يسمى كاتيون الميثيل و AlCl₄⁻. يعتبر كاتيون الميثيل محبًا للإلكترون لأنه يفتقر إلى الإلكترون.

الخطوة التالية هي تشكيل الكربونات المستقرة بالرنين. في هذه الخطوة، يتفاعل كاتيون الميثيل الناتج مع جزيء البنزين. الرابطة المزدوجة في البنزين تهاجم كاتيون الميثيل. يتم إضافة كاتيون الميثيل إلى حلقة البنزين. يتم تشكيل الكربونيك المستقر بالرنين.

دعونا نأخذ AlCl₄⁻كمثال. يأخذ أيون الهيدروجين من ذرة الكربون في الكاتيونات الكربونية التي ترتبط بها المجموعة الألكيلية. نتيجة لذلك يتم تحويل الكاتيونات إلى بنزين مثيلي. يُطلق على هذا البنزين الميثيلي اسم التولوين. بعد إزالة أيون الهيدروجين AlCl₄⁻يتم تحويل الأيون إلى كلوريد الألومنيوم وكلوريد الهيدروجين.

أسيلة فريدل كرافتس هي تفاعل يتضمن إدخال مجموعة أسيل على مركب عطري. يتم التفاعل من خلال تفاعل مركب عطري وكلوريد أسيل ومحفز حمض لويس. Rفي كلوريد الأسيل يمثل أي مجموعة ألكيل. المنتجات المتكونة هي عبارة عن مركب عطري أسيلي وهاليد الهيدروجين. إنه تفاعل استبدالي محب للإلكترون. في هذا التفاعل تعمل المجموعة الأسيلية كمحبة للإلكترون. يحل محل ذرة الهيدروجين في المركب العطري.

الآن سوف نناقش الآلية التفصيلية لأسيلة فريدل كرافتس للبنزين. يبدأ التفاعل بتنشيط كلوريد الأسيل. يتم إضافة محفز حمض لويس والذي يكون عادةً كلوريد الألومنيوم إلى خليط التفاعل. يتفاعل كلوريد الألومنيوم مع كلوريد الأسيل لتوليد أيون الأسيليوم و AlCl4-أيون.

الخطوة التالية هي تشكيل الكربونيك المستقر بالرنين. في هذه الخطوة يتفاعل أيون الأسيليوم مع جزيء البنزين. الرابطة المزدوجة في البنزين تهاجم أيون الأسيليوم. يتم إضافة أيون الأسيليوم إلى حلقة البنزين. يتم تشكيل الكربونيك المستقر بالرنين.

الآن دعونا نفكر AlCl₄⁻أيون. يقوم بأخذ أيون الهيدروجين من ذرة الكربون في الكاكتيون الذي ترتبط به المجموعة الأسيلية. نتيجة لذلك يتم تحويل الكربونيك إلى بنزين مؤسل. البنزين الأسيل هو عبارة عن كيتون. بعد إزالة أيون الهيدروجين AlCl₄⁻يتم تحويل الأيون إلى كلوريد الألومنيوم وكلوريد الهيدروجين. هل يمكنك أن تخبرنا ما هو المنتج الذي سيتشكل إذا قمنا بإجراء عملية أسيلة فريدل كرافتس للبنزين مع كلوريد الأسيتيل؟ CH₃COClفي حضور AlCl₃؟.

نترات البنزين هو تفاعل كيميائي يتم فيه -NO2يتم إدخاله إلى حلقة البنزين. وهو أيضًا تفاعل استبدالي محب للإلكترون. يتم إجراء التفاعل باستخدام خليط من حمض النيتريك وحمض الكبريتيك ويسمى هذا الخليط بعامل النترتة. المنتج الناتج هو النيتروبنزين.

يبدأ التفاعل بتكوين أيون النيترونيوم. أيون النيترونيوم هو النوع المحب للإلكترونات المسؤول عن نترات البنزين. يتم إنتاج أيون النيترونيوم عن طريق خلط حمض النيتريك المركز وحمض الكبريتيك المركز. يعطي حمض الكبريتيك أيون الهيدروجين لحامض النيتريك. ونتيجة لذلك، يتكون أيون النيترونيوم وأيون ثنائي الكبريتات.

يعمل أيون النيترونيوم كمُحب للإلكترون. يهاجم حلقة البنزين الغنية بالإلكترونات. يمنح حلقة البنزين زوجًا من الإلكترونات إلى أيون النيترونيوم. ويؤدي هذا إلى تكوين معقد سيجما، المعروف أيضًا باسم أيون الأرينيوم. أيون الأرينيوم هو وسيط مستقر بالرنين حيث تكون الشحنة الموجبة غير موضعية فوق حلقة البنزين.

يستعيد النظام العطري استقراره عن طريق نزع بروتونات أيون الأرنيوم. يستخلص أيون ثنائي الكبريتات بروتونًا من أيون الأرنيوم. ويؤدي هذا إلى تكوين النيتروبنزين. ويتكون حمض الكبريتيك أيضًا كمنتج ثانوي.

تعتبر عملية الهالوجين للبنزين أيضًا تفاعل استبدال محب للإلكترون. يتضمن إضافة الهالوجين إلى البنزين. يمكن أن يكون المحفز المستخدم في هذه العملية بروميد الحديد أو كلوريد الحديد. على سبيل المثال، أثناء عملية برومة البنزين، يتفاعل البنزين مع البروم في وجود كلوريد الحديد. المنتج المتكون في هذا التفاعل هو البروموبنزين.

دعونا نناقش آلية هذا التفاعل. أولاً يتفاعل البروم مع بروميد الحديد لتكوين مركب. في هذا المركب، يستقطب بروميد الحديد ذرة البروم الطرفية. تصبح ذرة البروم الطرفية كاتيون البروم. يمنح حلقة البنزين زوجًا من الإلكترونات إلى كاتيون البروم. نتيجة لذلك يتم تشكيل الكربونات. بعد ذلك، FeBr₄⁻يقوم الأيون بأخذ أيون الهيدروجين من ذرة الكربون في الكاتيونات الكربونية التي ترتبط بها ذرة البروم. ويؤدي هذا إلى تكوين البروموبنزين. يتم تشكيل بروميد الهيدروجين كمنتج ثانوي.

الهدرجة التحفيزية للبنزين هي تفاعل كيميائي يتفاعل فيه البنزين مع غاز الهيدروجين في وجود محفز لتكوين الهكسان الحلقي. الهدرجة التحفيزية للبنزين ليست تفاعل استبدال محب للإلكترون. إنه تفاعل إضافة. يتضمن هذا التفاعل إضافة ذرات الهيدروجين عبر الروابط المزدوجة بين ذرات الكربون في البنزين. يمكن استخدام النيكل المقسم بشكل ناعم للغاية كمحفز لهذا التفاعل.