एल्काइल हैलाइडों की संरचना और गुणों के बीच संबंध की जांच करें - सत्र 1

एल्काइल हैलाइड कार्बनिक यौगिकों का एक वर्ग है जिसमें एक हैलोजन परमाणु, एल्काइल समूह के एक कार्बन परमाणु से बंधा होता है। एल्काइल हैलाइडों में हैलोजन परमाणु सीधे कार्बन परमाणु से बंधा होता है। एल्काइल हैलाइड का सामान्य सूत्र है R-X। क्या आप बता सकते हैं कि R और X क्या दर्शाते हैं?। एल्काइल हैलाइड का एक उदाहरण क्लोरोइथेन है। एल्काइल हैलाइडों के क्वथनांक समान एल्केनों की तुलना में अधिक होते हैं। वे साधारण एल्केनों की तुलना में अधिक अभिक्रियाशील भी होते हैं। लेकिन वे एल्केन्स की तुलना में अधिक अभिक्रियाशील क्यों होते हैं तथा उनका क्वथनांक भी अधिक क्यों होता है?।

एल्काइल हैलाइडों का उच्च क्वथनांक और अभिक्रियाशीलता एल्काइल हैलाइडों की ध्रुवीय प्रकृति के कारण होती है। कार्बन हैलोजन बंध में कार्बन और हैलोजन परमाणुओं के बीच विद्युतऋणात्मकता में अंतर के कारण एल्काइल हैलाइड ध्रुवीय प्रकृति प्रदर्शित करते हैं। विद्युत-ऋणात्मकता एक परमाणु की वह क्षमता है, जिससे वह रासायनिक बंधन में साझा इलेक्ट्रॉन युग्म को अपनी ओर आकर्षित कर लेता है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन क्लोराइड के अणु में क्लोरीन परमाणु हाइड्रोजन से अधिक विद्युत ऋणात्मक होता है। इसलिए इलेक्ट्रॉन घनत्व क्लोरीन परमाणु की ओर अधिक केंद्रित होता है।

हैलोजन परमाणु कार्बन की तुलना में अधिक विद्युत ऋणात्मक होते हैं। विद्युत-ऋणात्मक हैलोजन परमाणु, कार्बन हैलोजन बंध में साझा इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर आकर्षित करता है। इससे हैलोजन परमाणु पर आंशिक ऋणात्मक आवेश उत्पन्न होता है। इसके साथ ही, कार्बन परमाणु आंशिक रूप से धनात्मक हो जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि इलेक्ट्रॉन घनत्व कार्बन से दूर होकर हैलोजन की ओर खिंच जाता है। बंध में यह ध्रुवता एल्काइल हैलाइड अणु की समग्र ध्रुवता को जन्म देती है।

अब हम जानते हैं कि एल्काइल हैलाइडों की प्रकृति ध्रुवीय होती है। एल्काइल हैलाइडों का उच्च क्वथनांक एल्काइल हैलाइडों के अणुओं के बीच आकर्षण बलों की उपस्थिति के कारण होता है। इन आकर्षक बलों को द्विध्रुव-द्विध्रुवीय अंतःक्रियाएं कहा जाता है। द्विध्रुव-द्विध्रुव अन्योन्यक्रियाएं एक अणु के आंशिक रूप से धनात्मक सिरे और दूसरे अणु के आंशिक रूप से ऋणात्मक सिरे के बीच होती हैं। इन द्विध्रुवीय-द्विध्रुवीय अंतःक्रियाओं को तोड़ने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। परिणामस्वरूप एल्काइल हैलाइडों का क्वथनांक उच्च होता है।

एल्काइल हैलाइड अपनी ध्रुवीय प्रकृति के कारण बहुत क्रियाशील होते हैं। हम जानते हैं कि एल्काइल हैलाइड का हैलोजन परमाणु कार्बन परमाणु से इलेक्ट्रॉन घनत्व वापस ले लेता है। परिणामस्वरूप हैलोजन परमाणु स्वयं को एल्काइल हैलाइड से अलग कर लेता है। एल्काइल हैलाइड का कार्बन परमाणु धनात्मक आवेशित हो जाता है। धनात्मक आवेशित कार्बन परमाणु वाले इस एल्काइल समूह को कार्बोकेशन कहा जाता है। हम पहले से ही जानते हैं कि कार्बोकेशन्स प्रतिक्रियाशील होते हैं। वे न्यूक्लियोफाइल के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं।

एल्काइल हैलाइड आसानी से न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया से गुजरते हैं। इस अभिक्रिया के दौरान, एल्काइल हैलाइड के हैलोजन परमाणु को न्यूक्लियोफाइल द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। उदाहरण के लिए, क्लोरोमेथेन सोडियम हाइड्रोक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करके मेथनॉल बनाता है। सोडियम हाइड्रॉक्साइड का हाइड्रॉक्साइड आयन न्यूक्लियोफाइल के रूप में कार्य करता है। यह क्लोरोमिथेन के क्लोरीन परमाणु को प्रतिस्थापित करता है।

न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया दो प्रकार की होती है। ये हैं द्विआण्विक नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन और एकआण्विक नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन। एल्काइल हैलाइड के हैलोजन परमाणु को अवशिष्ट समूह कहा जाता है। द्वि-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया के दौरान, न्यूक्लियोफिल एक एकल चरण में कार्बनिक अणु से एक निर्गम समूह को विस्थापित कर देता है। एल्काइल हैलाइडों में, निकलने वाला समूह हैलोजन परमाणु होता है। द्वि-आणविक नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन अभिक्रिया को द्वि-आणविक नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन अभिक्रिया इसलिए कहा जाता है क्योंकि इसमें एक ही चरण में दो अणु शामिल होते हैं। एक न्यूक्लियोफाइल है, दूसरा एल्काइल हैलाइड है।

आइये इस प्रतिक्रिया के तंत्र पर चर्चा करें। सबसे पहले, न्यूक्लियोफाइल हैलोजन परमाणु के विपरीत दिशा से एल्काइल हैलाइड के कार्बन परमाणु पर हमला करता है। एल्काइल हैलाइड के हैलोजन परमाणु और कार्बन परमाणु के बीच का बंधन टूटने लगता है। इसी समय, न्यूक्लियोफाइल और कार्बन परमाणु के बीच बंध निर्माण होता है। दूसरे शब्दों में हम कह सकते हैं कि एक संक्रमण अवस्था निर्मित हो गयी है। इस संक्रमण अवस्था में, बंधन निर्माण और बंधन टूटना एक ही समय में होता है। अंततः हैलोजन और कार्बन परमाणु के बीच का बंधन टूट जाता है और उत्पाद बनता है। द्वि-आणविक नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं को भी कहा जाता है SN2प्रतिक्रियाएं।

प्राथमिक एल्काइल हैलाइड द्विआण्विक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन को प्राथमिकता देते हैं। हालाँकि, तृतीयक एल्काइल हैलाइड द्विआण्विक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन को पसंद नहीं करते हैं। लेकिन क्यों?। तृतीयक एल्काइल हैलाइडों में एल्काइल समूह कार्बन परमाणु से सभी ओर से जुड़े होते हैं। दूसरे शब्दों में हम कह सकते हैं कि कार्बन परमाणु भीड़भाड़ वाला है। इसके कारण, न्यूक्लियोफाइल हैलोजन परमाणु के विपरीत कार्बन परमाणु पर पीछे से हमला नहीं कर सकता है। दूसरी ओर प्राथमिक एल्काइल हैलाइड भीड़भाड़ वाले नहीं होते हैं। वे आसानी से द्वि-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन से गुजर सकते हैं।

अब आइए एल्काइल हैलाइडों की एक-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया को समझें। एक-आणविक का अर्थ है कि अभिक्रिया के प्रथम चरण में केवल एक अणु शामिल होता है। इस अभिक्रिया के दो चरण हैं। पहले चरण में, एल्काइल हैलाइड का हैलोजन परमाणु अलग हो जाता है। परिणामस्वरूप कार्बोकेशन का निर्माण होता है। दूसरे चरण में, न्यूक्लियोफाइल कार्बोकेशन पर हमला करता है और उत्पाद बनाता है। तृतीयक एल्काइल हैलाइड एक-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन से गुजरते हैं। एक-आणविक नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं को भी कहा जाता है SN1प्रतिक्रियाएं।

क्या आपने सोचा है कि तृतीयक एल्काइल हैलाइड एक-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन से गुजरना क्यों पसंद करते हैं?। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन में, कार्बोकेशन का निर्माण पहले चरण में होता है। अधिक स्थिर कार्बोकेशन का अर्थ है कि एक स्थिर उत्पाद बनेगा। अतः तृतीयक कार्बोकेशन अत्यंत स्थायी है। इस बीच प्राथमिक एल्काइल हैलाइड प्राथमिक कार्बोकेशन का निर्माण करेंगे। प्राथमिक कार्बोकेशन स्थिर नहीं है। यही कारण है कि तृतीयक एल्काइल हैलाइड एक-आणविक न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन से गुजरेंगे।

उन्मूलन अभिक्रिया एक प्रकार की कार्बनिक अभिक्रिया है जिसमें किसी अणु से परमाणुओं या परमाणुओं के समूहों को हटा दिया जाता है। इसके परिणामस्वरूप अणु में दो कार्बन परमाणुओं के बीच दोहरा बंध बनता है। एल्काइल हैलाइड की उन्मूलन अभिक्रिया के दौरान, कार्बन परमाणु से जुड़ा हैलोजन परमाणु अलग हो जाता है। अगले कार्बन परमाणु से जुड़े हाइड्रोजन परमाणु को एक क्षार द्वारा हटा दिया जाता है। क्षार वह पदार्थ है जो हाइड्रोजन आयनों को ग्रहण कर सकता है। परिणामस्वरूप दो कार्बन परमाणुओं के बीच दोहरा बंध बनता है। इस अभिक्रिया में एल्कीन उत्पाद के रूप में बनता है।

उन्मूलन अभिक्रियाएँ दो प्रकार की होती हैं। एक है द्विआण्विक उन्मूलन अभिक्रिया और दूसरी है एकआण्विक उन्मूलन अभिक्रिया। एल्काइल हैलाइडों की द्विआण्विक उन्मूलन अभिक्रिया के दौरान दो चीजें एक ही समय में होती हैं। वे हैलोजन परमाणु को छोड़ने और हाइड्रोजन परमाणु को हटाने के लिए आधार पर हमला करने की प्रक्रिया हैं। हाइड्रॉक्साइड आयन एल्काइल हैलाइड से हाइड्रोजन को अलग करने के लिए आधार के रूप में कार्य करता है। परिणामस्वरूप एल्कीन का निर्माण होता है। द्वि-आणविक उन्मूलन अभिक्रियाओं को भी कहा जाता है E2प्रतिक्रियाएं।

एल्काइल हैलाइडों की एक-आणविक उन्मूलन अभिक्रिया में, पहले चरण में हैलोजन परमाणु एल्काइल हैलाइड से अलग हो जाता है। परिणामस्वरूप, कार्बोकेशन का निर्माण होता है। दूसरे चरण में क्षार एल्काइल हैलाइड से हाइड्रोजन परमाणु को हटाता है। दोहरा बंध दो कार्बन परमाणुओं के बीच बनता है। एल्कीन एक उत्पाद के रूप में बनता है। तृतीयक एल्काइल हैलाइड एक-आणविक उन्मूलन अभिक्रिया से गुजरते हैं। एक-आणविक उन्मूलन अभिक्रियाओं को भी कहा जाता है E1प्रतिक्रियाएं।

जैसा कि हमने पिछली अभिक्रियाओं में अध्ययन किया है, एल्काइल हैलाइडों का कार्बन परमाणु इलेक्ट्रॉन न्यून होता है। यह इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है। लेकिन वही कार्बन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन समृद्ध प्रजाति बन सकता है। यह न्यूक्लियोफाइल के रूप में भी कार्य कर सकता है। आख़िर कैसे?। जब एल्काइल हैलाइड शुष्क ईथर की उपस्थिति में magnesium धातु के साथ अभिक्रिया करते हैं, तो वे ग्रिगनार्ड अभिकर्मक बनाते हैं। ग्रिगनार्ड अभिकर्मक का सामान्य सूत्र है RMgX। R एल्काइल समूह को दर्शाता है। X हैलोजन परमाणु को दर्शाता है।

ग्रिगनार्ड अभिकर्मक में magnesium धातु सीधे कार्बन परमाणु से जुड़ा होता है। हम जानते हैं कि कार्बन magnesium से अधिक विद्युत ऋणात्मक है। इस स्थिति में, कार्बन इलेक्ट्रॉन समृद्ध हो जाता है। यह न्यूक्लियोफाइल के रूप में कार्य करता है। ग्रिगनार्ड अभिकर्मक एक बहुत मजबूत क्षार और न्यूक्लियोफाइल के रूप में कार्य करता है।