دراسة العلاقة بين البنية وخصائص هاليدات الألكيل - الجلسة 1

هاليدات الألكيل هي فئة من المركبات العضوية التي تتكون من ذرة هالوجين مرتبطة بذرة كربون في مجموعة ألكيل. في هاليدات الألكيل، تكون ذرة الهالوجين مرتبطة مباشرة بذرة الكربون. الصيغة العامة للهاليدات الألكيلية هي R-X. هل يمكنك أن تقول ماذا يمثل R و X؟. من الأمثلة على هاليد الألكيل كلورو الإيثان. نقطة غليان الهاليدات الألكيلية أعلى من الألكانات المماثلة. كما أنها أكثر تفاعلية من الألكانات البسيطة. ولكن لماذا تعتبر أكثر تفاعلية ولها نقاط غليان أعلى من الألكانات؟.

نقطة الغليان العالية وتفاعلية هاليدات الألكيل ترجع إلى الطبيعة القطبية لهاليدات الألكيل. تظهر هاليدات الألكيل طبيعة قطبية بسبب الاختلاف في السالبية الكهربية بين ذرات الكربون والهالوجين في رابطة الكربون الهالوجينية. السالبية الكهربية هي قدرة الذرة على جذب زوج مشترك من الإلكترونات نحوها في رابطة كيميائية. على سبيل المثال، في جزيء كلوريد الهيدروجين، تكون ذرة الكلور أكثر كهرسلبية من ذرة الهيدروجين. وبالتالي فإن كثافة الإلكترون تتركز أكثر نحو ذرة الكلور.

ذرات الهالوجين أكثر كهرسلبية من ذرات الكربون. تجذب ذرة الهالوجين ذات الكهرسلبية الإلكترونات المشتركة في رابطة الهالوجين الكربونية أقرب إلى نفسها. يؤدي هذا إلى إنشاء شحنة سلبية جزئية على ذرة الهالوجين. وفي الوقت نفسه، تصبح ذرة الكربون موجبة جزئيا. ويرجع ذلك إلى أن كثافة الإلكترون تنجذب بعيدًا عن الكربون باتجاه الهالوجين. تؤدي هذه القطبية في الرابطة إلى القطبية الشاملة لجزيء هاليد الألكيل.

الآن نعلم أن هاليدات الألكيل لها طبيعة قطبية. إن نقطة الغليان العالية لهاليدات الألكيل ترجع إلى وجود قوى جذب بين جزيئات هاليدات الألكيل. وتسمى هذه القوى الجاذبة بالتفاعلات ثنائية القطب. تحدث تفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب بين الطرف الموجب جزئيًا لجزيء واحد والطرف السالب جزئيًا لجزيء آخر. يتطلب كسر تفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب مزيدًا من الطاقة. ونتيجة لذلك فإن هاليدات الألكيل لها نقاط غليان أعلى.

تعتبر هاليدات الألكيل شديدة التفاعل بسبب طبيعتها القطبية. نحن نعلم أن ذرة الهالوجين في هاليد الألكيل تسحب كثافة الإلكترون من ذرة الكربون. ونتيجة لذلك تنفصل ذرة الهالوجين عن هاليد الألكيل. تصبح ذرة الكربون في هاليد الألكيل مشحونة إيجابيا. هذه المجموعة الألكيلية التي تحتوي على ذرة كربون مشحونة إيجابيا تسمى كاربوكاتيون. نحن نعلم بالفعل أن الكاتيونات الكربونية تفاعلية. يمكن أن تتفاعل مع النيوكليوفيل.

تخضع هاليدات الألكيل بسهولة لتفاعل الاستبدال النووي. أثناء هذا التفاعل، يتم استبدال ذرة الهالوجين في هاليد الألكيل بالنواة المحبة للنواة. على سبيل المثال، يتفاعل الكلوروميثان مع هيدروكسيد الصوديوم لتكوين الميثانول. يعمل أيون الهيدروكسيد الموجود في هيدروكسيد الصوديوم كنواة محبة للنواة. ويحل محل ذرة الكلور في الكلوروميثان.

هناك نوعان من تفاعلات الاستبدال النوكليوفيلية. وهما الاستبدال النووي ثنائي الجزيء والاستبدال النووي أحادي الجزيء. تسمى ذرة الهالوجين في هاليد الألكيل بالمجموعة المغادرة. أثناء تفاعل الاستبدال النووي ثنائي الجزيء، يقوم النوكليوفيل بإزاحة المجموعة المغادرة من الجزيء العضوي في خطوة واحدة. في هاليدات الألكيل، المجموعة المغادرة هي ذرة الهالوجين. تسمى تفاعلات الاستبدال النووي ثنائي الجزيء بهذا الاسم لأنها تنطوي على جزيئين في خطوة واحدة. الأول هو نيوكليوفيل، والثاني هو هاليد الألكيل.

دعونا نناقش آلية هذا التفاعل. أولا، يقوم النوكليوفيل بمهاجمة ذرة الكربون في هاليد الألكيل من الجانب المقابل لذرة الهالوجين. تبدأ الرابطة بين ذرة الهالوجين وذرة الكربون في هاليد الألكيل بالانهيار. وفي نفس الوقت يتم تكوين الرابطة بين النواة وذرة الكربون. وبعبارة أخرى يمكننا القول بأن حالة انتقالية قد تشكلت. في هذه الحالة الانتقالية، يحدث تكوين الرابطة وكسر الرابطة في نفس الوقت. وأخيرًا يتم كسر الرابطة بين الهالوجين وذرة الكربون ويتكون المنتج. تُسمى أيضًا تفاعلات الاستبدال النووي ثنائي الجزيء SN2ردود الفعل.

تفضل هاليدات الألكيل الأولية الاستبدال النووي ثنائي الجزيء. ومع ذلك، لا تفضل هاليدات الألكيل الثلاثية الاستبدال النووي المحب للجزيئات الثنائية. ولكن لماذا؟. تحتوي هاليدات الألكيل الثالثية على مجموعات ألكيل مرتبطة بذرة الكربون من جميع الجوانب. وبعبارة أخرى يمكننا القول أن ذرة الكربون مزدحمة. وبسبب هذا، لا يستطيع النيوكليوفيل مهاجمة ذرة الكربون من الخلف المقابلة لذرة الهالوجين. من ناحية أخرى، هاليدات الألكيل الأولية ليست مزدحمة. يمكنهم بسهولة الخضوع للاستبدال النووي ثنائي الجزيء.

الآن دعونا نفهم تفاعل الاستبدال النووي الأحادي الجزيء للهاليدات الألكيلية. يعني أحادي الجزيء أن جزيء واحد فقط يشارك في الخطوة الأولى من التفاعل. يتكون هذا التفاعل من خطوتين. في الخطوة الأولى، تنفصل ذرة الهالوجين عن هاليد الألكيل. نتيجة لذلك يتم تشكيل الكربونات. في الخطوة الثانية، يقوم النوكليوفيل بمهاجمة الكربونات ويشكل المنتج. تخضع هاليدات الألكيل الثالثية لاستبدال نووي أحادي الجزيء. تُسمى أيضًا تفاعلات الاستبدال النوكليوفيلية أحادية الجزيء بـ SN1ردود الفعل.

هل فكرت لماذا تفضل هاليدات الألكيل الثلاثية الخضوع للاستبدال النووي الأحادي الجزيء؟. يرجع ذلك إلى أنه في الاستبدال النووي الأحادي الجزيء، يتم تكوين الكاتيونات الكربونية في الخطوة الأولى. إن الكربوناتيوم الأكثر استقرارًا يعني تكوين منتج مستقر. لذا فإن الكربونيك الثالثي هو الأكثر استقرارًا. في هذه الأثناء، تشكل هاليدات الألكيل الأولية كاربوكاتيون أولي. الكاتيونات الأولية ليست مستقرة. وهذا هو السبب في أن هاليدات الألكيل الثلاثية سوف تخضع لاستبدال نووي أحادي الجزيء.

تفاعل الإزالة هو نوع من التفاعلات العضوية التي يتم فيها إزالة الذرات أو مجموعات الذرات من الجزيء. ويؤدي هذا إلى تكوين رابطة مزدوجة بين ذرتي كربون في الجزيء. أثناء تفاعل إزالة هاليد الألكيل، تنفصل ذرة الهالوجين المرتبطة بذرة الكربون. يتم إزالة ذرة الهيدروجين المرتبطة بذرة الكربون التالية بواسطة القاعدة. القاعدة هي نوع يمكنه قبول أيونات الهيدروجين. وكنتيجة لذلك تتكون رابطة مزدوجة بين ذرتي كربون. يتم تكوين الألكين كمنتج في هذا التفاعل.

هناك نوعان من تفاعلات الإزالة. الأول هو تفاعل الإزالة ثنائي الجزيء والآخر هو تفاعل الإزالة أحادي الجزيء. أثناء تفاعل الإزالة الجزيئية الثنائية للهاليدات الألكيلية يحدث شيئان في نفس الوقت. إنها عملية خروج ذرة الهالوجين ومهاجمة القاعدة لإزالة ذرة الهيدروجين. يعمل أيون الهيدروكسيد كقاعدة لإزالة الهيدروجين من هاليد الألكيل. ونتيجة لذلك يتكون الألكين. وتسمى أيضًا تفاعلات الإزالة ثنائية الجزيئات E2ردود الفعل.

في تفاعلات الإزالة الأحادية الجزيء للهاليدات الألكيلية، في الخطوة الأولى تنفصل ذرة الهالوجين عن هاليد الألكيل. نتيجة لذلك، يتم تشكيل الكاتيونات الكربونية. في الخطوة الثانية، تقوم القاعدة بإزالة ذرة الهيدروجين من هاليد الألكيل. الرابطة المزدوجة تتشكل بين ذرتي كربون. يتم تكوين الألكين على شكل منتج. تخضع هاليدات الألكيل الثالثية لتفاعل إزالة أحادي الجزيء. وتسمى أيضًا تفاعلات الإزالة الأحادية الجزيء E1ردود الفعل.

كما درسنا في التفاعلات السابقة فإن ذرة الكربون في هاليدات الألكيل تكون خالية من الإلكترونات. يعمل كمُحبٍ للإلكترون. ولكن يمكن لنفس ذرة الكربون أن تصبح نوعًا غنيًا بالإلكترونات. ويمكنه أيضًا أن يعمل بمثابة النواة. ولكن كيف؟. عندما تتفاعل هاليدات الألكيل مع معدن magnesium في وجود الأثير الجاف، فإنها تشكل كاشف غرينيارد. يحتوي كاشف غرينيارد على الصيغة العامة RMgX. R يمثل المجموعة الألكيلية. X يمثل ذرة الهالوجين.

في كاشف غرينيارد، يرتبط معدن magnesium مباشرة بذرة الكربون. نحن نعلم أن الكربون أكثر كهرسلبية من magnesium. في هذه الحالة، يصبح الكربون غنيًا بالإلكترونات. يعمل كنواة محبة للنواة. يعتبر كاشف غرينيارد بمثابة قاعدة قوية جدًا ونواة محبة للنواة.