हाइड्रोकार्बन की संरचना और गुणों के बीच संबंधों की जांच करें - सत्र 3

आइए बेंजीन की विभिन्न प्रकार की इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं पर चर्चा करें। लेकिन आगे बढ़ने से पहले, क्या आप बता सकते हैं कि इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन का क्या मतलब है?। इलेक्ट्रोफाइल एक इलेक्ट्रॉन की कमी वाली प्रजाति है जिसमें इलेक्ट्रॉनों के प्रति आकर्षण होता है। प्रतिस्थापन शब्द का अर्थ है प्रतिस्थापन। अतः बेंजीन के इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन का अर्थ है बेंजीन में एक या एक से अधिक परमाणुओं या समूहों के प्रतिस्थापन द्वारा बेंजीन पर इलेक्ट्रोफिल का परिचय। प्रतिस्थापित बेंजीन एक उत्पाद के रूप में बनता है।

फ्रिडेल क्राफ्ट्स ऐल्किलीकरण एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है जिसमें ऐरोमैटिक यौगिक पर ऐल्किल समूह का समावेश किया जाता है। इसका नाम इसके खोजकर्ताओं चार्ल्स फ्रिडेल और जेम्स क्राफ्ट्स के नाम पर रखा गया है। यह अभिक्रिया एक ऐरोमैटिक यौगिक, एक एल्काइल हैलाइड और एक लुईस अम्ल उत्प्रेरक की परस्पर क्रिया के माध्यम से होती है। निर्मित उत्पाद एल्काइलेटेड एरोमैटिक यौगिक और हाइड्रोजन हैलाइड हैं। यह एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है। इस अभिक्रिया में एल्काइल समूह इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है। यह ऐरोमैटिक यौगिक के हाइड्रोजन परमाणु का स्थान लेता है।

फ्रिडेल क्राफ्ट्स ऐल्किलीकरण की क्रियाविधि को समझने के लिए आइए हम बेंजीन और मिथाइल क्लोराइड का उदाहरण लें। हम बेंजीन को मिथाइल क्लोराइड और एल्युमिनियम क्लोराइड के साथ अभिक्रिया कराएंगे। बेंजीन एक सुगंधित यौगिक है। मिथाइल क्लोराइड एल्काइलेटिंग एजेंट के रूप में कार्य करता है। एल्युमिनियम क्लोराइड लुईस अम्ल उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है। इससे बनने वाला उत्पाद टोल्यूनि है। हाइड्रोजन क्लोराइड भी एक उप-उत्पाद के रूप में बनता है।

अब हम बेंजीन के फ्रीडेल क्राफ्ट्स ऐल्किलीकरण की विस्तृत क्रियाविधि पर चर्चा करेंगे। पहले चरण में मिथाइल क्लोराइड का सक्रियण शामिल है। एल्युमिनियम क्लोराइड मिथाइल क्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया करके एक प्रतिक्रियाशील प्रजाति उत्पन्न करता है जिसे मिथाइल धनायन कहा जाता है और AlCl₄⁻। मिथाइल धनायन इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉन न्यून होता है।

अगला चरण अनुनाद स्थिर कार्बोकेशन का निर्माण है। इस चरण में, उत्पन्न मिथाइल धनायन बेंजीन अणु के साथ परस्पर क्रिया करता है। बेंजीन का दोहरा बंध मिथाइल धनायन पर आक्रमण करता है। मिथाइल धनायन को बेंजीन-रिंग में जोड़ा जाता है। अनुनाद स्थिर कार्बोकेशन का निर्माण होता है।

चलो लेते हैं AlCl₄⁻उदाहरण के तौर पर। यह कार्बोकेशन के कार्बन परमाणु से हाइड्रोजन आयन लेता है जिससे एल्काइल समूह जुड़ा होता है। परिणामस्वरूप कार्बोकेशन मेथिलेटेड बेंजीन में परिवर्तित हो जाता है। इस मेथिलेटेड बेंजीन को टोल्यूनि कहा जाता है। हाइड्रोजन आयन को हटाने के बाद AlCl₄⁻आयन एल्युमिनियम क्लोराइड और हाइड्रोजन क्लोराइड में परिवर्तित हो जाता है।

फ्रिडेल क्राफ्ट एसाइलेशन एक अभिक्रिया है जिसमें एक ऐरोमैटिक यौगिक पर एसाइल समूह का प्रवेश कराया जाता है। यह अभिक्रिया एक सुगंधित यौगिक, एक एसाइल क्लोराइड और एक लुईस अम्ल उत्प्रेरक की परस्पर क्रिया के माध्यम से होती है। Rएसाइल क्लोराइड किसी भी एल्काइल समूह का प्रतिनिधित्व करता है। इससे बनने वाले उत्पाद एसाइलेटेड एरोमैटिक यौगिक और हाइड्रोजन हैलाइड हैं। यह एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है। इस अभिक्रिया में एसाइल समूह इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है। यह ऐरोमैटिक यौगिक के हाइड्रोजन परमाणु का स्थान लेता है।

अब हम बेंजीन के फ्रीडेल क्राफ्ट एसाइलीकरण की विस्तृत क्रियाविधि पर चर्चा करेंगे। प्रतिक्रिया एसाइल क्लोराइड के सक्रियण से शुरू होती है। एक लुईस अम्ल उत्प्रेरक जो आमतौर पर एल्युमिनियम क्लोराइड होता है, को प्रतिक्रिया मिश्रण में मिलाया जाता है। एल्युमिनियम क्लोराइड एसाइल क्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया करके एसाइलियम आयन उत्पन्न करता है और AlCl4-आयन।

अगला चरण अनुनाद-स्थिर कार्बोकेशन का निर्माण है। इस चरण में, एसाइलियम आयन बेंजीन अणु के साथ परस्पर क्रिया करता है। बेंजीन का दोहरा बंध एसाइलियम आयन पर आक्रमण करता है। एसाइलियम आयन को बेंजीन-रिंग में जोड़ा जाता है। अनुनाद-स्थिरीकृत कार्बोकेशन का निर्माण होता है।

अब विचार करें AlCl₄⁻आयन। यह कार्बोकेशन के कार्बन परमाणु से हाइड्रोजन आयन लेता है जिससे एसाइल समूह जुड़ा होता है। परिणामस्वरूप कार्बोकेशन एसाइलेटेड बेंजीन में परिवर्तित हो जाता है। एसाइलेटेड बेंजीन एक कीटोन है। हाइड्रोजन आयन को हटाने के बाद AlCl₄⁻आयन एल्युमिनियम क्लोराइड और हाइड्रोजन क्लोराइड में परिवर्तित हो जाता है। क्या आप बता सकते हैं कि यदि हम एसिटाइल क्लोराइड के साथ बेंजीन का फ्रिडेल क्राफ्ट एसाइलीकरण करें तो कौन सा उत्पाद बनेगा CH₃COClकी उपस्थिति में AlCl₃?।

बेंजीन का नाइट्रेशन एक रासायनिक प्रतिक्रिया है जिसमें -NO2बेंजीन-रिंग पर पेश किया जाता है। यह भी एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है। यह अभिक्रिया नाइट्रिक एसिड और सल्फ्यूरिक एसिड के मिश्रण का उपयोग करके की जाती है इस मिश्रण को नाइट्रेटिंग एजेंट कहा जाता है। निर्मित उत्पाद नाइट्रोबेन्ज़ीन है।

प्रतिक्रिया नाइट्रोनियम आयन की उत्पत्ति के साथ शुरू होती है। नाइट्रोनियम आयन एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रजाति है जो बेंजीन के नाइट्रेशन के लिए जिम्मेदार है। नाइट्रोनियम आयन सांद्र नाइट्रिक अम्ल और सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के मिश्रण से निर्मित होता है। सल्फ्यूरिक अम्ल नाइट्रिक अम्ल को हाइड्रोजन आयन देता है। परिणामस्वरूप, नाइट्रोनियम आयन और बाइसल्फेट आयन बनते हैं।

नाइट्रोनियम आयन इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है। यह इलेक्ट्रॉन समृद्ध बेंजीन-रिंग पर हमला करता है। बेंजीन-रिंग नाइट्रोनियम आयन को एक जोड़ी इलेक्ट्रॉन दान करती है। इसके परिणामस्वरूप सिग्मा कॉम्प्लेक्स का निर्माण होता है, जिसे एरेनियम आयन भी कहा जाता है। एरेनियम आयन एक अनुनाद स्थिर मध्यवर्ती है जिसमें धनात्मक आवेश बेंजीन-वलय पर विस्थापित होता है।

ऐरोमैटिक प्रणाली एरेनियम आयन के अवप्रोटोनेशन द्वारा अपनी स्थिरता पुनः प्राप्त कर लेती है। बाइसल्फेट आयन एरेनियम आयन से एक प्रोटॉन को अलग करता है। इसके परिणामस्वरूप नाइट्रोबेन्ज़ीन का निर्माण होता है। सल्फ्यूरिक एसिड भी एक उप-उत्पाद के रूप में बनता है।

बेंजीन का हैलोजनीकरण भी एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया है। इसमें बेंजीन पर हैलोजन का प्रयोग किया जाता है। इस प्रक्रिया में प्रयुक्त उत्प्रेरक आयरन ब्रोमाइड या आयरन क्लोराइड हो सकता है। उदाहरण के लिए, बेंजीन के ब्रोमीनीकरण के दौरान, बेंजीन को आयरन क्लोराइड की उपस्थिति में ब्रोमीन के साथ अभिक्रिया कराया जाता है। इस अभिक्रिया में निर्मित उत्पाद ब्रोमोबेन्ज़ीन है।

आइये इस प्रतिक्रिया की क्रियाविधि पर चर्चा करें। सबसे पहले ब्रोमीन आयरन ब्रोमाइड के साथ अभिक्रिया करके एक जटिल यौगिक बनाता है। इस परिसर में, आयरन ब्रोमाइड टर्मिनल ब्रोमीन परमाणु को ध्रुवीकृत करता है। अंतिम ब्रोमीन परमाणु ब्रोमीन धनायन बन जाता है। बेंजीन-रिंग ब्रोमीन धनायन को एक जोड़ी इलेक्ट्रॉन दान करती है। परिणामस्वरूप कार्बोकेशन का निर्माण होता है। उसके बाद, FeBr₄⁻आयन कार्बोकेशन के कार्बन परमाणु से हाइड्रोजन आयन लेता है जिससे ब्रोमीन परमाणु जुड़ा होता है। इसके परिणामस्वरूप ब्रोमोबेन्ज़ीन का निर्माण होता है। हाइड्रोजन ब्रोमाइड एक उप-उत्पाद के रूप में बनता है।

बेंजीन का उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण एक रासायनिक अभिक्रिया है जिसमें बेंजीन उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोजन गैस के साथ अभिक्रिया करके साइक्लोहेक्सेन बनाता है। बेंजीन का उत्प्रेरक हाइड्रोजनीकरण एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया नहीं है। यह एक योगात्मक अभिक्रिया है। इस अभिक्रिया में बेंजीन में कार्बन-कार्बन द्विबंधों के पार हाइड्रोजन परमाणुओं का योग होता है। इस अभिक्रिया के लिए अति सूक्ष्म रूप से विभाजित निकल को उत्प्रेरक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।