شارح الدرس: تفاعلات الاستبدال للألكانات الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُعرِّف تفاعلات الاستبدال، ونكتب ونُفسِّر معادلات الاستبدال للألكانات مع الهالوجينات.

الألكانات عبارة عن مركبات هيدروكربونية صيغتها العامة . يمكن أن تحتوي الألكانات على سلاسل مستقيمة تتكوَّن من ذرات كربون، وقد تحتوي على سلاسل متفرِّعة.

هناك فئة مماثلة من المواد الكيميائية تُسمَّى الألكانات الحلقية، وهي أيضًا عبارة عن هيدروكربونات. مع ذلك، فإن جزيئات الألكانات الحلقية تحتوي على حلقة مغلقة واحدة أو أكثر من ذرات الكربون. لن نتعامل مع الألكانات الحلقية على وجه التحديد هنا.

الاستبدال هو أن يحل شيء محل شيء آخر (مثل استبدال لاعب في فريق رياضي أثناء المباراة بلاعب آخر). لذلك، لا عجب من كون تفاعل الاستبدال يتضمَّن استبدال جزء من جزيء بشيء آخر. يمكن أن يشمل ذلك ذرات مفردة أو مجموعات وظيفية كاملة.

الألكانات مستقرة نسبيًّا؛ فهي تتفاعل مع أنواع أقل من المواد الكيميائية مقارنةً بالأحماض الكربوكسيلية أو الأمينات أو الألكينات على سبيل المثال. مع ذلك، فهناك بعض التفاعلات البالغة الأهمية التي تشتهر بها الألكانات.

تتحكَّم عملية احتراق الألكانات؛ خاصةً تلك الألكانات الموجودة في النفط الخام، في دفة معظم الاقتصاد العالمي حاليًّا. قد يمثِّل تفاعل استبدال الألكانات قطاعًا أصغر، لكن منتجات هذا القطاع ضرورية لتصنيع العديد من المنتجات المفيدة.

تفاعل الاستبدال الأشهر للألكانات هو تفاعل الألكانات مع الهالوجينات العنصرية. الهالوجينات الشائعة هي الفلور والكلور والبروم واليود، ولكن لأسباب سنذكرها لاحقًا، لن نستخدم اليود في هذا التفاعل.

عندما تتفاعل الألكانات مع الهالوجينات، تحل ذرات الهالوجين محل ذرات الهيدروجين، وينتج عن ذلك هالو ألكانات.

تُدخِل هذه التفاعلات مجموعات وظيفية جديدة على الجزيء، يمكن أن تكون مفيدة لإجراء تفاعلات أخرى.

الهالو ألكان عبارة عن مركب هيدروكربوني هالوجيني (مادة كيميائية تحتوي على كربون وهيدروجين وهالوجينات فقط). أيُّ هالوجينات ستُعطي نفس النتيجة. تُعرَف الهالو ألكانات أيضًا باسم الألكانات الهالوجينية.

هذه هي معادلة التفاعل العامة:

إليك هذا المثال:

نلاحظ هنا أن ذرة فلور تُستبدَل بذرة الهيدروجين.

يوجد اسم نستخدمه لتوضيح وجود هالوجين معيَّن في مركب عضوي، كما هو موضَّح في الجدول الآتي:

يمكن أن يؤدِّي استخدام نظام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) إلى إعطاء أسماء فريدة للهالو ألكانات. هذه الأسماء مستقاة من اسم الألكان المكافئ. يشكِّل اسم الألكان لاحقة الاسم الجديد (مثل الميثان)، وتُضاف بادئة أي هالوجين قبل اللاحقة (على سبيل المثال، الفلورو ميثان).

في حال وجود هالوجينات متعدِّدة من النوع نفسه، يمكننا استخدام البادئات المعتادة (ثنائي، وثلاثي، ورباعي، وهكذا) للإشارة إلى ذلك:

ندمج هذه الأسماء مع ما نُسمِّيه المؤشرات أو الدلائل، التي تُشير إلى ذرات الكربون في الجزيء التي ترتبط بها الهالوجينات.

نتعامل مع أطول سلسلة من ذرات الكربون باعتبارها السلسلة الرئيسية، ونُعطي ذرات الكربون ترقيمًا (1، 2، 3، إلخ). نظرًا لوجود طرفين في السلسلة، يتعيَّن علينا أحيانًا تحديد بدء التسمية من أحد الاتجاهين باتجاه الطرف الآخر، واختيار الاسم الذي له أقل ترقيم.

في حال وجود أنواع متعددة من الهالوجينات في المركب، نرتِّب الأسماء حسب ترتيب الأبجدية الإنجليزية. (البادئات، مثل ثنائي، وثلاثي، وهكذا، لا تؤثِّر على الترتيب.)

أخيرًا، إذا كان من المنطقي وجود مكان واحد فقط للهالوجين، فيمكننا حذف الترقيم (كما في الفلورو ميثان على سبيل المثال).

هناك العديد من الطبقات في نظام تسمية الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية للمركبات العضوية، لكننا لن نتطرَّق إليها.

ما أهمية كل ذلك؟ حسنًا، يمكن أن تكون الهالو ألكانات مفيدة للغاية. فالمذيبات المختلفة، والمواد المبردة، ومثبطات الحرائق عبارة عن هالو ألكانات. كما أنها تُستخدَم موادَّ وسيطةً في تصنيع مواد كيميائية أخرى.

جرى استخدام الكلوروفورم، ، سابقًا باعتباره مخدرًا طبيًّا. وقد أسهم في تخدير الكثيرين، ولكن كان من الصعب تنظيم جرعته، وتُوفِّي العديد من المرضى نتيجة جرعات زائدة. أما الهالوثان، المعروف أيضًا باسم 2-برومو-2-كلورو-1،1،1-ثلاثي فلورو الإيثان، فهو بديل أحدث وأكثر أمانًا له.

هذه هي بنية جزيء الهالوثان:

هناك فئة كاملة من المركَّبات تُسمَّى الفريونات وتتضمَّن العديد من المُركَّبات الكلورو فلورو كربونية (مركبات تحتوي فقط على الكلور والفلور والكربون) — على سبيل المثال، رباعي فلورو الميثان () وثنائي كلورو ثنائي فلورو الميثان () كلاهما فريونات. استُخدِمت هذه المركبات على مر التاريخ في الثلاجات والمجمدات ومكيِّفات الهواء لتوجيه الحرارة من الداخل إلى الخارج. وبعضها له تأثير على الاحتباس الحراري أكبر من غيره، وقد استُبدِلت بها بشكل عام بدائلُ أقل ضررًا على البيئة.

في الوقت الحالي، يُستخدَم 1،1،1-ثلاثي كلورو الإيثان مذيبًا في مجال التنظيف الجاف.

تفاعلات استبدال الهالوجين للألكانات تتضمَّن كسر الروابط الأحادية بين الهالوجين والهالوجين، والكربون والهيدروجين، متبوعًا بتكوين روابط بين الكربون والهالوجين، والهيدروجين والهالوجين.

تُعَد متطلبات الطاقة المستخدَمة في تفاعلات الاستبدال التي تشتمل على الفلور والكلور والبروم ملائمة، ولكن هذا لا ينطبق على اليود؛ ولهذا السبب لا نرى تفاعلات استبدال يود بسيطة في الألكانات. الآن، نحن بحاجة إلى النظر في معدَّلات التفاعل وطاقات التنشيط.

تُعَد قوة الروابط بين الهالوجين والهالوجين مؤشرًا جيدًا على طاقة التنشيط الأوَّليَّة. من بين كلٍّ من الفلور والكلور والبروم، تُعَد الرابطة الأحادية بين الفلور والفلور هي الأضعف (155 kJ/mol) وضَعف هذه الرابطة يعني أن التفاعل يمكن أن يبدأ تلقائيًّا في ظل الظروف الطبيعية.

فيما يلي طاقات تفكُّك الروابط الشائعة بين ذرات الهالوجين والهالوجين:

يُعَد كسر الرابطة بين الهالوجين والهالوجين خطوة حاسمة لتحديد معدل التفاعل: فكلما زادت طاقة تفكُّك الرابطة، زادت طاقة تنشيط التفاعل.

ها هي معادلة إضافة الفلور إلى الميثان (الفَلْوَرَة):

الروابط بين الكلور والكلور، والبروم والبروم أقوى (240 kJ/mol و190 kJ/mol على الترتيب). وهذه الروابط قوية بما يكفي لتجعلنا بحاجة إلى توفير بعض الطاقة لبدء تفاعلات الاستبدال.

عادةً ما نقوم بذلك عن طريق تسليط الضوء فوق البنفسجي (ضوء الأشعة فوق البنفسجية) عبر خليط التفاعل.

ها هي معادلة إضافة الكلور إلى الميثان (الكَلْوَرَة):

وها هي معادلة إضافة البروم إلى الميثان (البَرْوَمَة):

إذا أردنا إجراء عمليات استبدال متعدِّدة، فيمكننا استخدام المزيد من الهالوجين:

هذه هي العملية بالكامل: