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 )، ويسبِّب السرطان ويشتعل مصحوبًا بدخان أسود.

يعتبر البنزين () 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.

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.

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

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.

الفلور () نشط جدًّا؛ بحيث لا يمكن استخدامه في التطبيقات العملية، واليود () 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 () والبروم () 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).

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

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

يمكن أن تُسمَّى نيترة البنزين أيضًا باستبدال النيترو في البنزين، لكن هذا غير شائع. هذه مجموعة نيترو: . 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.

يمكن الحصول على نيترة البنزين من خلال معالجة البنزين بخليط من حمض الكبريتيك () وحمض النيتريك (). يتفاعل هذان الحمضان لإنتاج أيون النيترونيوم ()، 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.

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

يمكن الحصول على سلفنة البنزين من خلال معالجة البنزين بحمض الكبريتيك المركَّز () 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 ()، التي تتكوَّن بكميات صغيرة في حمض الكبريتيك المركَّز.

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

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.

سنتناول تفاعلات الإضافة للبنزين، وهي الهدرجة والهلجنة.

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.

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 ، لكن عادةً ما تُجرى التفاعلات عند -.

فيما يلي عملية هدرجة كاملة للبنزين:

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.

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: