شارح الدرس: تفاعلات البنزين الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تفاعلات الإضافة والاستبدال للبنزين، ونتوقَّع النواتج المتكوِّنة.

البنزين أحد الهيدروكربونات الأروماتية (العطرية) الصغيرة. إنه سائل متطاير (درجة غليانه 80.1C)، ويسبِّب السرطان ويشتعل مصحوبًا بدخان أسود.

يعتبر البنزين (CH66) المثال الأكثر شيوعًا للنظام الأروماتي. ومقاومة البنزين لإضافة الهيدروجين (الهدرجة) أكبر بكثير من أي ألكين بسيط مثل الهكسين الحلقي؛ حيث يوفِّر عدم تمركز الإلكترونات في الحلقة المزيد من الاستقرار.

يمكن تمثيل الحلقة الأروماتية عن طريق تبادل روابط الكربون-الكربون الأحادية والمزدوجة، أو باستخدام روابط مُمثَّلة بنقاط رتبتها 1.5، أو برسم دائرة في وسط الحلقة. فالصيغة الأولى تكون أحيانًا أكثر فائدةً عند رسم آليات التفاعل، وتُعَد الأخيرة تمثيلًا أفضل للواقع؛ حيث إن جميع روابط الكربون-الكربون في البنزين متكافئة.

فيما يلي بعض التمثيلات المختلفة للبنزين.

CCHCCHHCCHHHCCCHCHHCCHHH

سنتناول أيضًا كلًّا من نوعَي تفاعل الإضافة والاستبدال للتفاعلات مع الهالوجينات (الهلجنة).

يمكن أن يشارك البنزين في تفاعلات استبدال مثل الألكلة والنيترة والسلفنة، وتفاعلات الإضافة التي تتضمَّن الهدرجة.

يتضمَّن تفاعل الاستبدال في البنزين استبدال ذرة أو أكثر من ذرات الهيدروجين بمجموعات وظيفية أخرى.

تعريف: تفاعل الاستبدال

تفاعل الاستبدال نوعُ تفاعلٍ يَجري خلاله نزع أجزاء من جزيء وإحلال مجموعات وظيفية أخرى محلها.

تعريف: المجموعة الوظيفية

المجموعة الوظيفية جزءٌ من جزيء له تركيب وترتيب معيَّن، وتتبع المجموعات الوظيفية عادةً أنماطًا معيَّنة يمكن التنبؤ بها في التفاعلات الكيميائية.

سنتناول تفاعلات الاستبدال للبنزين؛ وهي الهلجنة، والألكلة، والنيترة، والسلفنة.

تفاعل الاستبدالبنزين + العوامل الحفَّازةالنواتج
الكلورةCl2AlCl3 أو FeCl3كلورو بنزين + HCl
البرومةBr2AlBr3 أو FeCl3برومو بنزين + HBr
الألكلة (فريدل كرافتس)RClAlCl3 أو FeCl3ألكيل بنزين + HCl
النيترة (NO+2) HNO3HSO24نيترو بنزين + ماء
السلفنة (SO3) HSO24 مركزلا شيءبنزين مسلفن + ماء

على الرغم من أننا لن ندرس آليات التفاعل، فإن هذه التفاعلات جزءٌ من فئة من التفاعلات يُسمَّى تفاعلات الاستبدال المحِبَّة للإلكترونات. خلال هذه التفاعلات، تعمل متفاعلات أو أجزاء من المتفاعلات باعتبارها محِبَّة للإلكترونات (تنجذب إلى الشحنة السالبة نسبيًّا في الحلقة الأروماتية).

في تفاعلات هلجنة البنزين بالاستبدال، تحل ذرات الهالوجين محل ذرات الهيدروجين في البنزين، مثل الفلور والكلور والبروم واليود. والعديد من مركبات الهالو بنزين مفيدة باعتبارها مذيبات ومواد وسيطة في إنتاج نواتج أخرى.

تعريف: تفاعل استبدال الهالوجين

تفاعل استبدال الهالوجين نوعُ تفاعلٍ يَجري خلاله نزع أجزاء من الجزيء وإحلال ذرات الهالوجين محلها.

الفلور (F2) نشط جدًّا؛ بحيث لا يمكن استخدامه في التطبيقات العملية، واليود (I2) ليس نشطًا بما فيه الكفاية. ومع ذلك، ثمة طرق لتفاعل الفلور واليود مع البنزين. بدلًا من ذلك، سنركِّز فقط على كلورة وبرومة البنزين باستخدام الكلور (Cl2) والبروم (Br2) على الترتيب.

عند إجراء هذه التفاعلات، نتوقَّع فصل نواتج تتضمَّن ذرة واحدة من الهالوجين (أي كلورو بنزين أو برومو بنزين).

تساعد العوامل الحفَّازة هاليد الألومنيوم أو هاليد الحديد الثلاثي على إضعاف واستقطاب روابط الهالوجين-الهالوجين، وزيادة معدل التفاعل.

موضَّح فيما يلي تفاعل كلورة أحادية للبنزين:

ومن الممكن أن تُنتِج التفاعلات الأخرى مع الكلور مركبات عديد الكلوروبنزين، مثل ثنائي كلورو بنزين وثلاثي كلورو بنزين.

فيما يلي معادلة التفاعل المكافئة للبرومة الأحادية للبنزين:

تُعَد تفاعلات استبدال الألكيل نوعًا من تفاعل الألكلة. في هذه الحالة، يكتسب البنزين مجموعات ألكيل تحل محل ذرات الهيدروجين. يُعرَف التولوين أيضًا باسم ميثيل البنزين، وهو ألكيل بنزين شائع يُستخدم مذيبًا ومادةً وسيطة في إنتاج نواتج أخرى، مثل ثلاثي نيترو تولوين (TNT).

تعريف: تفاعل استبدال الألكيل

تفاعل استبدال الألكيل نوعُ تفاعلٍ يَجري خلاله نزع أجزاء من جزيء وإحلال مجموعات ألكيل محلها.

نوع الألكلة الذي سنتناوله هنا يُسمَّى ألكلة فريدل كرافتس.

يُوجَد العديد من الخيارات للمتفاعلات والعوامل الحفَّازة لألكلة فريدل كرافتس. أحد الأشكال المتنوِّعة هو ألكلة فريدل كرافتس للبنزين من خلال التفاعل مع أي كلورو ألكان، ويحفِّزه كلوريد الحديد الثلاثي:

يتفاعل الكلورو ألكان (RCl) مع البنزين، ويحفِّز هذا التفاعل كلوريد الحديد الثلاثي (FeCl3). يُشبه الناتج البنزين، لكن مع استبدال إحدى ذرات الهيدروجين بمجموعة ألكيل R. عند الظروف المناسبة، يمكن أن تحدث عدة تفاعلات ألكلة.

يُعَد كلوريد الألومنيوم (AlCl3) أيضًا عاملًا حفَّازًا مناسبًا لهذا التفاعل.

مثال ١: توقُّع الناتج الذي يتكوَّن من ألكلة البنزين بمعلومية معادلة التفاعل

ما الناتِج المتكوِّن من ألكلة البنزين، كما هو موضَّح في مخطط التفاعل؟

+AlCl3?+HClCH3CCH3ClCH3

الحل

في مخطط التفاعل، نلاحظ أن البنزين (CH66) يتفاعل مع 2-كلورو-2-ميثيل البروبان. ثمة عامل حفَّاز أيضًا فوق سهم التفاعل: كلوريد الألومنيوم، AlCl3. يُعَد هذا مثالًا معروفًا لألكلة فريدل كرافتس.

AlCl3 عامل حفَّاز يساعد على إضعاف رابطة الكربون-الكلور الأحادية، وهذا يزيد من سرعة التفاعل مع البنزين.

في تفاعل استبدال ألكيل مثل هذا، نتوقَّع استبدال ذرات الهيدروجين في البنزين بمجموعات ألكيل. في هذا التفاعل تحديدًا، لدينا مكافئ واحد لـ 2-كلورو-2-ميثيل البروبان مقابل كل بنزين مكافئ. وبناءً عليه، نتوقَّع أن تحل مجموعة الألكيل من 2-كلورو-2-ميثيل البروبان محل ذرة هيدروجين واحدة في البنزين.

إذن الإجابة هي:

CCH3CH3CH3

يمكن أن تُسمَّى نيترة البنزين أيضًا باستبدال النيترو في البنزين، لكن هذا غير شائع. هذه مجموعة نيترو: NO2. يُستخدَم النيترو بنزين في إنتاج العديد من المواد الكيميائية، مثل المواد الأوَّلية للبوليمرات، والشحوم، والأصباغ، والمطاط الصناعي. كما تُستخدم مركبات عديد النيترو عادةً في المواد المتفجِّرة؛ لأنها عند تسخينها تُطلِق غاز الأكسجين الذي يمكن أن يساهم في تفاعلات الاحتراق، وغاز النيتروجين الذي ينتج ضغطًا إضافيًّا.

تعريف: تفاعل استبدال النيترو

تفاعل استبدال النيترو نوعُ تفاعلٍ يَجري خلاله نزع أجزاء من جزيء وإحلال مجموعة نيترو (NO2) محلها.

يمكن الحصول على نيترة البنزين من خلال معالجة البنزين بخليط من حمض الكبريتيك (HSO24) وحمض النيتريك (HNO3). يتفاعل هذان الحمضان لإنتاج أيون النيترونيوم (NO+2)، الذي يعمل باعتباره مادةً محِبَّة للإلكترونات في تفاعل الاستبدال.

موضَّح فيما يلي تفاعل النيترة الأحادية للبنزين:

يمكن إجراء تفاعلات إضافية مع حمض النيتريك، وهو ما يُنتج عديد النيترو بنزين، لكن كلما زادت مجموعات النيترو المقترنة بالبنزين، قلَّ نشاطه حيال المزيد من النيترة.

مثال ٢: تحديد الاستخدام الأساسي لحمض البكريك في مجموعة من الاستخدامات

حمض البكريك، الذي يُعرَف أيضًا بـ 6،4،2-ثلاثي نيترو فينول، هو أحد مشتقات البنزين التي تحتوي على العديد من مجموعات النيترو. بالنظر إلى المجموعات الكيميائية التي يحتوي عليها حمض البكريك، ما الاستخدام الأساسي له؟

NO2NO2NO2OH
  1. وقود للسيارات
  2. الأسمدة
  3. المواد المتفجِّرة
  4. حفظ الطعام
  5. الدهانات

الحل

تحتوي جزيئات حمض البكريك على ثلاث مجموعات نيترو. عند تسخين حمض البكريك وحرقه، تنتج كمية كبيرة من الحرارة والغاز. وهو أيضًا مصدر مكثف للأكسجين (الذي يتفاعل لتكوين الماء وأكاسيد الكربون)، وتتجمَّع ذرات النيتروجين لتكوين غاز النيتروجين.

يمكن أن تؤدِّي الحرارة والزيادة الهائلة في ضغط الغاز إلى حدوث انفجار مدمِّر. حمض البكريك الجاف والنقي خطير للغاية؛ ويُمكن أن ينفجر إذا لُمِس.

وبناءً على ذلك، نتوقَّع أن يتمثَّل التطبيق الأساسي لحمض البكريك في صناعة المواد المتفجِّرة.

على الرغم من أن المركبات التي تحتوي على النيتروجين والأكسجين يمكن أن تكون مفيدة باعتبارها إضافات للوقود أو أسمدة، فإن تركيز مجموعات النيترو غير المستقرة يجعل حمض البكريك غير مناسب لهذه الاستخدامات.

إذن الاستخدام الأساسي المرجَّح لحمض البكريك هو صناعة المواد المتفجِّرة.

يمكن أن تُسمَّى سلفنة البنزين أيضًا باستبدال حمض السلفونيك في البنزين، لكن هذا غير شائع. هذه مجموعة حمض السلفونيك: SOH3. يُستخدَم حمض بنزين السلفونيك (أحد النواتج المحتملة لسلفنة البنزين) عاملَ تنظيفٍ في منظِّفات غسل الملابس.

تعريف: تفاعل استبدال حمض السلفونيك

تفاعل استبدال حمض السلفونيك نوعُ تفاعلٍ يَجري خلاله نزع أجزاء من جزيء وإحلال مجموعة حمض السلفونيك (SOH3) محلها.

يمكن الحصول على سلفنة البنزين من خلال معالجة البنزين بحمض الكبريتيك المركَّز (HSO24) في ظل التكثيف المرتد لعدد قليل من الساعات.

موضَّح فيما يلي سلفنة أحادية للبنزين:

في حالة السلفنة، تكون المادة المحِبَّة للإلكترونات هي ثالث أكسيد الكبريت (SO3)، التي تتكوَّن بكميات صغيرة في حمض الكبريتيك المركَّز.

بدلًا من ذلك، يمكن استخدام محلول حمض الكبريتيك المولِّد للدخان، المعروف أيضًا باسم الأوليوم (HSO227).

لا يُسمَّى البنزين المسلفن سلفو بنزين؛ وبدلًا من ذلك، يُسمَّى حمض بنزين السلفونيك. وهذه الطريقة تُشبه تلك التي يُنتج بها بنزين الكربوكسيلات أحماض البنزويك.

تفاعُل الإضافة للبنزين يتضمَّن إضافة 2 أو 4 أو 6 مجموعات وظيفية، بدون أي نواتج ثانوية. عادةً ما تتضمَّن تفاعلات الإضافة هذه جزأين من جزيء بسيط يُضاف إلى ذرات الكربون عند أيٍّ من طرفَي رابطة الكربون-الكربون المزدوجة.

تعريف: تفاعُل الإضافة

تفاعُل الإضافة نوعُ تفاعلٍ يتحد خلاله جزيئان أو أكثر لتكوين جزيء أكبر، دون تكوين أي نواتج ثانوية.

سنتناول تفاعلات الإضافة للبنزين، وهي الهدرجة والهلجنة.

تفاعل الإضافةبنزين + ظروف التفاعلالعوامل الحفَّازة
الهدرجةH2150C-190C
ضغط عالٍ
Ni أو Pd أو Pt عامل حفَّاز
الكلورةCl2ضوء UV
حرارة
لا شيء
البرومةBr2ضوء UV
حرارة
لا شيء

يتضمَّن تفاعل هدرجة البنزين، أو إضافة الهيدروجين إلى البنزين، إضافة 2 أو 4 أو 6 ذرات هيدروجين إلى ذرات الكربون في البنزين. ينتج الهكسان الحلقي عند هدرجة البنزين بالكامل. الهكسان الحلقي مذيب مفيد ومادة أوَّلية في إنتاج مواد كيميائية أخرى.

تعريف: تفاعل إضافة الهيدروجين

تفاعل إضافة الهيدروجين نوعُ تفاعلٍ يتحد خلاله جزيء مع جزيء واحد أو أكثر من جزيئات الهيدروجين لتكوين جزيء أكبر، دون تكوين أي نواتج ثانوية.

يوضِّح التفاعل الآتي هدرجة متتالية للبنزين:

تُجرى هذه التفاعلات باستخدام عوامل حفَّازة هي النيكل أو البالاديوم أو البلاتين، ودرجات حرارة وضغط معتدلَيْن. الحد الأدنى المطلوب لدرجة الحرارة هو 70C، لكن عادةً ما تُجرى التفاعلات عند 150C -190C.

فيما يلي عملية هدرجة كاملة للبنزين:

مثال ٣: توقُّع ناتج هدرجة البنزين في وجود كمية فائضة من الهيدروجين

ما ناتج إضافة الهيدروجين إلى البنزين باستخدام النيكل عاملًا حفَّازًا وكمية فائضة من الهيدروجين؟

  1. الهكسين الحلقي
  2. ثاني أكسيد الكربون
  3. الإيثاين
  4. الهكسان الحلقي
  5. الهكسان

الحل

تتضمَّن هدرجة البنزين إضافة جزيء واحد أو أكثر من جزيئات الهيدروجين إلى كل جزيء من البنزين في التفاعل.

وفي حال وجود كمية فائضة من الهيدروجين، يمكننا توقُّع هدرجة البنزين بالكامل.

البنزين (CH66) عبارة عن حلقة أروماتية من ذرات الكربون، تحمل كلٌّ منها ذرة هيدروجين واحدة. ويمكن تمثيل ذلك بطرق عدة، لكن قد تكون هذه هي الطريقة الأكثر فائدةً الآن:

CCCHHCHCHCHH

يمكن أن تكتسب كل ذرة كربون ذرة هيدروجين واحدة أو أكثر (يمكن أن تُكوِّن ذرات الكربون أربع روابط أحادية بحدٍّ أقصى):

CCHCHCHHCHHHCHHHHH

هذا الجزيء يُسمَّى الهكسان الحلقي (وهو حلقة مكوَّنة من 6 ذرات كربون، مشبَّعة بالهيدروجين).

قد تعتقد أن الإجابة هي الهكسين الحلقي، أو 3،1-سيكلو هكسادايين، لكن لا تتكوَّن هذه النواتج إلا إذا كانت كمية الهيدروجين محدودة. وفي حال وجود كمية فائضة من الهيدروجين، يكون التفاعل كالآتي:

+3NiCHHCCHHCHHCCHHHHHHCCCHHCCHHCHHHH

هلجنة البنزين، أو تفاعل إضافة الهالوجين للبنزين، يتضمَّن إضافة 2 أو 4 أو 6 ذرات هالوجين إلى ذرات الكربون في البنزين. استُخدِمت في السابق مركبات مختلفة من سداسي كلورو إيثان لتكوين مبيدات حشرية، لكنها محظورة الآن.

تعريف: تفاعل إضافة الهالوجين

تفاعل إضافة الهالوجين نوعُ تفاعلٍ يتحد خلاله جزيء مع جزيء واحد أو أكثر من جزيئات الهالوجين لتكوين جزيء أكبر، دون تكوُّن أي نواتج ثانوية.

من الناحية النظرية، يمكننا هلجنة البنزين بصورة متتالية باستخدام أي هالوجين:

لكن كما هي الحال في تفاعل الاستبدال، فإن التفاعلات التي تتضمَّن الفلور أو اليود غير عملية، بسبب النشاط الشديد للغاية للفلور والنشاط المنخفض للغاية لليود (ويحدث ذلك على الأقل عند عدم تضمين متفاعلات أخرى).

وبناءً عليه، سنتناول فقط تفاعلات إضافة الكلور والبروم للبنزين.

يتفاعل الكلور والبروم بالطريقة نفسها. وفي حال عدم وجود عامل حفَّاز، يكفي ضوء UV والحرارة لإجراء عملية هلجنة كاملة.

فيما يلي كلورة كاملة للبنزين بالإضافة:

وفيما يلي برومة كاملة للبنزين بالإضافة:

النقاط الرئيسية

  • يمكن أن يساهم البنزين في تفاعلات استبدال مع هالوجينات (مثل الكلور والبروم)، وكلورو الألكانات وحمض النيتريك وحمض الكبريتيك، وكذلك في تفاعلات الهلجنة والألكلة والنيترة والسلفنة.
  • تفاعل الاستبدال نوعُ تفاعلٍ يجري خلاله نزع أجزاء من جزيء وإحلال مجموعات وظيفية أخرى محلها.
    تفاعل الاستبدالبنزين + العوامل الحفَّازةالنواتج
    الكلورةCl2AlCl3 أو FeCl3كلورو بنزين + HCl
    البرومةBr2AlBr3 أو FeCl3برومو بنزين + HBr
    الألكلة (فريدل كرافتس)RClAlCl3 أو FeCl3ألكيل بنزين + HCl
    النيترة(NO+2) HNO3HSO24نيترو بنزين + ماء
    السلفنة(SO3) HSO24 مركزلا شيءبنزين مسلفن + ماء
  • يمكن أن يساهم البنزين في تفاعلات إضافة مع الهيدروجين والهالوجينات (مثل الكلور والبروم)، في عمليات الهدرجة والهلجنة.
  • تفاعل الإضافة نوعُ تفاعلٍ يتحد خلاله جزيئان أو أكثر لتكوين جزيء أكبر، دون تكوين أي نواتج ثانوية.
    تفاعل الإضافةبنزين + ظروف التفاعلالعوامل الحفَّازة
    الهدرجةH2150C-190C
    ضغط عالٍ
    Ni أو Pd أو Pt عامل حفَّاز
    الكلورةCl2ضوء UV
    حرارة
    لا شيء
    البرومةBr2ضوء UV
    حرارة
    لا شيء

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.