شارح الدرس: تفاعلات الكحولات الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف التفاعلات المختلفة للكحولات، ونتوقَّع النواتج المتكوِّنة.

الكحولات فئة من المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعة الهيدروكسيل (OH):

ويمكن تصنيف الكحولات إلى كحولات أوَّلية (1) أو كحولات ثانوية (2) أو كحولات ثالثية (3)، حسب موضع مجموعة الهيدروكسيل. ويؤثِّر موضع مجموعة الهيدروكسيل على نشاط الجزيء:

تُعتبر الكحولات مركبات مهمة للغاية؛ لأنه يمكن تصنيعها وتحويلها بسهولة إلى العديد من المجموعات الوظيفية الأخرى. ولهذا السبب، غالبًا ما تكون الكحولات مواد وسيطة في التخليقات العضوية الكبيرة.

عندما يتفاعل ألكين مع ماء في وجود حمض الكبريتيك، يمكن أن يتكوَّن الكحول. يمكن إضافة ذرة هيدروجين من حمض الكبريتيك إلى ذرة الكربون التي تحتوي على أكبر عدد من ذرات الهيدروجين في الرابطة المزدوجة. بعد ذلك تُضاف مجموعة هيدروكسيل من الماء إلى ذرة الكربون الأخرى في الرابطة المزدوجة وفقًا لما تنص عليه قاعدة ماركوفنيكوف. هذا هو تفاعل الإماهة لألكين:

تعريف: تفاعل الإماهة

تفاعل الإماهة تفاعل كيميائي يتفاعل فيه الماء مع مركب.

تفاعل: الإماهة المحفزة بالحمض لألكين

أءل+HSO24

يكون تفاعل إماهة الألكين في حالة اتزان مع تفاعل نزع الماء للكحولات الثانوية والثالثية.

تعريف: تفاعل نزع الماء

تفاعل نزع الماء تفاعل كيميائي يتضمَّن نزع الماء من مركب.

تفاعل: نزع الماء من الكحول

لأءHSO24+

يمكن التحكُّم في اتجاه الاتزان من خلال متابعة درجة الحرارة من كثب:

يؤدِّي التركيز المنخفض للحمض وكمية فائضة من الماء إلى إزاحة التفاعل إلى اليمين. وإذا كان نزع الماء مفضَّلًا، فيمكن تقطير الماء عند إنتاجه لإزاحة التفاعل إلى اليسار.

يمكن نزع الماء من الكحولات الأوَّلية بواسطة حمض الكبريتيك، ولكن لا يمكن إنتاج الكحولات الأوَّلية عن طريق إماهة ألكين، باستثناء الإيثانول. وهذا يعني أن نزع الماء من كحول أوَّلي لا يكون في حالة اتزان مع إماهة ألكين. وعلى الرغم من ذلك، يجب مراقبة درجة حرارة التفاعل من كثب. يحدث تفاعل نزع الماء كما هو متوقَّع عندما تكون درجة الحرارة 180C تقريبًا:

ومع ذلك، عندما تكون درجة الحرارة 140C تقريبًا، يتفاعل جزيئان من الكحول الأوَّلي معًا عن طريق الاستبدال لتكوين إيثر متماثل:

تفاعل: نزع الماء المحفز بالحمض لتحويل كحول أوَّلي إلى إيثر

مثال ١: تفاعل الإيثانول مع حمض الكبريتيك المركَّز

تفاعلت كمية فائضة من الإيثانول مع حمض الكبريتيك المركز عند 130C لإنتاج ناتجٍ صيغتُهُ الجزيئية CHO410. لم يكُن الناتج ألكينًا أو كحولًا. ما تصنيف الجزيء الناتج؟

الحل

الإيثانول له الصيغة الكيميائية CHOH25 والصيغة التوضيحية الآتية:

CH2CH3OH

يكون موضع مجموعة الهيدروكسيل في جزيء الإيثانول أوليًّا (1). ويمكن للكحولات الأوَّلية أن تُنتج ناتجَيْن مختلفين عندما يُنزَع منها الماء بواسطة حمض الكبريتيك المركَّز، بناءً على درجة حرارة التفاعل.

عند درجة حرارة 180C تقريبًا، يمكن أن يُنزَع الماء من الإيثانول لإنتاج الإيثين والماء:

وعند درجة حرارة 140C تقريبًا، سيتفاعل جزيئان من الإيثانول معًا لإنتاج إيثر ثنائي الإيثيل والماء:

كانت درجة حرارة التفاعل في السؤال 130C، ولم يكُن الناتج ألكينًا. وبناءً عليه، يُحتمل أن يكون تفاعل نزع الماء الثاني قد حدث. وعلاوةً على ذلك، فإن الصيغة الكيميائية للناتج هي CHO410. وهي تمثِّل الصيغة الكيميائية لإيثر ثنائي الإيثيل. ومن ثَمَّ، فإن تصنيف جزيء الناتج هو إيثر.

يمكن أن تتفاعل جميع الكحولات مع الأحماض الهالوجينية (HBr، HCl، HI) عن طريق تفاعل الاستبدال. وتفاعل الاستبدال تفاعل تُستبدَل فيه مجموعة وظيفية بأخرى.

تعريف: تفاعل الاستبدال

تفاعل الاستبدال نوعٌ من أنواع التفاعل يُزال فيه جزء من أحد الجزيئات، ويحل محله جزء آخر.

في هذا التفاعل، تُزال مجموعة الهيدروكسيل للكحول، ويحل محلها هالوجين الحمض الهالوجيني، ما يؤدِّي إلى إنتاج الهالو ألكان والماء:

ويُضاف كلوريد الزنك (ZnCl2) عادةً باعتباره عاملًا حفَّازًا عندما يُستخدم حمض الهيدروكلوريك لهذا التفاعل.

تفاعل: إحلال الهالوجين في الكحول

مثال ٢: تفاعل كحول ثالثي مع حمض الهيدروكلوريك

انظر التفاعل الآتي:

+HClZnCl2CCH2CH2CH2CH2CH2OHCH3

ما الناتج المتكوِّن من هذا التفاعل؟

أ.

CCH2ClCH2ClCH2CH2CH2

ب.

CCH2CHCH2CH2CH2Cl

ج.

CCH3CH2ClCH2CH2CH2CH2

د.

CCH2CHOHCH2CH2CH2

هـ.

CCH2OHCH2ClCH2CH2CH2CH2

الحل

إن المتفاعل العضوي الموضَّح هو 1-ميثيل هكسانول حلقي، وهو كحول ثالثي. وتتفاعل الكحولات الثالثية، مثلها مثل الكحولات الأوَّلية والثانوية، مع الأحماض الهالوجينية عن طريق الاستبدال. في تفاعل الاستبدال، تُستبدل مجموعة وظيفية بأخرى. وفيما يخص تفاعل كحول مع أحد الأحماض الهالوجينية، يحل الهالوجين محل مجموعة الهيدروكسيل الوظيفية.

ويَستخدِم التفاعل الموضَّح HCl في وجود ZnCl2 عاملًا حفَّازًا. ويحل الهالوجين، وهو الكلور، محل مجموعة الهيدروكسيل. ولا تحدث أي تغيُّرات أخرى في التركيب:

HCl+ZnCl2+CCH2OHCH3CH2CH2CH2CH2CCH3CH2CH2ClCH2CH2CH2HOH

الناتج المتكوِّن من هذا التفاعل هو 1-كلورو-1-ميثيل هكسان حلقي، إذن الإجابة هي الخيار ج.

يمكن أن تتأكسد الكحولات الأوَّلية والثانوية إلى مركبات تحتوي على مجموعات الكربونيل (CO) عن طريق تفاعل الأكسدة.

تعريف: تفاعل الأكسدة

تفاعل الأكسدة تفاعل يزيد فيه عدد تأكسد ذرة الكربون المركزية لمجموعة وظيفية. ويقترن هذا عادةً بزيادة عدد الروابط بين ذرة الكربون وذرة الأكسجين.

تتطلَّب هذه التفاعلات وجود عامل مؤكسد، مثل ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة (KCrO227) أو برمنجنات البوتاسيوم المحمَّضة (KMnO4). ويُعرَف ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة أيضًا باسم كاشف جونز، ويُحضَّر بإذابة ثاني كرومات البوتاسيوم في محلول مائي من حمض الكبريتيك لإنتاج حمض الكروميك (HCrO24).

خلال الأكسدة، تَفقد مجموعةُ الهيدروكسيل وذرة الكربون المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل ذرةَ هيدروجين. ولتعويض فقد الروابط، تكوِّن ذرة الأكسجين في مجموعة الهيدروكسيل رابطة مزدوجة مع ذرة الكربون.

وتعتمد المجموعة الوظيفية التي تتكوَّن عن طريق الأكسدة على نوع الكحول وظروف التفاعل المستخدَمة.

عند إضافة ثاني كرومات البوتاسيوم المُحمَّضة إلى كحول ثانوي، يُؤكسِد حمض الكروميك في المحلول الكحولَ إلى كيتون وينتج الماء. في هذه العملية، يُختزَل الكروم السداسي في حمض الكروميك إلى كروم رباعي:

ويخضع الكروم الرباعي لمزيد من التفاعلات في المحلول ليُختزَل إلى كروم ثلاثي. ويمكن ملاحظة تقدُّم التفاعل عندما يتأكسد الكروم السداسي البرتقالي اللون إلى الكروم الثلاثي الأخضر اللون.

برمنجنات البوتاسيوم بنفسجية اللون. وعند استخدامها في العامل المؤكسِد، يُختزَل المنجنيز، ويختفي اللون البنفسجي.

في معادلة تفاعل الأكسدة العامة، يمكننا استخدام الرمز [O] لتمثيل الأكسجين والإشارة إلى العامل المؤكسِد.

تفاعل: أكسدة كحول ثانوي إلى كيتون

يمكن أكسدة الكحولات الأوَّلية أيضًا باستخدام ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة لتكوين ألدهيد:

ومع ذلك، تتأكسد الألدهيدات بسهولة أيضًا. ويمكن أن يؤكسد حمض الكروميك المتبقي في المحلول الألدهيد المتكوِّن حديثًا إلى حمض كربوكسيلي:

يمكننا محاولة التحكُّم في ناتج أكسدة الكحول الأوَّلي من خلال تعديل ظروف التفاعل. عند إجراء التفاعل باستخدام كمية فائضة من ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة وتسخينها تحت تأثير التكثيف المرتد، يتأكسد الكحول الأوَّلي بالكامل إلى حمض كربوكسيلي.

تفاعل: أكسدة كحول أوَّلي إلى حمض كربوكسيلي

من أجل تجنُّب حدوث أكسدة تامة والحصول على الألدهيد، يجب استخدام كمية فائضة من الكحول، وتقطير الألدهيد عند إنتاجه. وتجدر الإشارة أيضًا إلى وجود بدائل لكاشف جونز في مواقف عملية، مثل كلوروكرومات البيريدينيوم (PCC)، الذي لا يمكنه أكسدة الكحول بالكامل، ما يؤدِّي إلى تكوُّن الألدهيد فقط.

تفاعل: أكسدة كحول أوَّلي إلى ألدهيد

تؤكسد برمنجنات البوتاسيوم الألدهيد سريعًا. وإذا أُضيفت برمنجنات البوتاسيوم إلى كحول أوَّلي، فسيتأكسد الكحول بالكامل إلى حمض كربوكسيلي، ولن نحصل على ألدهيد.

أما الكحولات الثالثية فلا يمكن أن تتأكسد بهذه الطرق دون كسر رابطة كربون-كربون. ويرجع ذلك إلى أن الأكسدة تحدث عن طريق إزالة ذرة هيدروجين من ذرة الكربون التي ترتبط بها مجموعة الهيدروكسيل. في الكحولات الثالثية، ترتبط مجموعة الهيدروكسيل بذرة كربون غير مرتبطة بأي ذرات هيدروجين.

مثال ٣: تحديد بنية كحول من ناتج الأكسدة

يتكوَّن الناتج الآتي من أكسدة أحد الكحولات:

CH3CH2CH2CCH3O
  1. هل الكحول أوَّلي أم ثانوي أم ثالثي؟
    1. ثالثي
    2. ثانوي
    3. أوَّلي
  2. أيُّ الكحولات الآتية يمكن أن يكون هو المتفاعل؟

أ.

CH3CH2CH2CH2CH2OH

ب.

CH3CCH2CH3OHCH3

ج.

CH3CH2CHCH2OHCH3

د.

CH3CH2CH2CHOHCH3

الحل

الجزء الأول

الناتج الموضَّح هو 2-بنتانون، وهو كيتون:

تتكوَّن الكيتونات عن طريق أكسدة الكحولات الثانوية. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار ب.

الجزء الثاني

في الجزء الأول، توصَّلنا إلى أن الكحول المستخدَم في الأكسدة كحول ثانوي. الخيار أ كحول أوَّلي، والخيار ب كحول ثالثي. والخياران ج، د كحولان ثانويان.

عندما يتأكسد كحول ثانوي إلى كيتون، يظل موضع ذرات الأكسجين والكربون دون تغيير. ولذا، إذا كان الناتج له سلسلة مكوَّنة من خمس ذرات كربون مع وجود ذرة أكسجين مرتبطة بذرة الكربون الثانية من السلسلة، فيجب أن يكون للمتفاعل نفس البنية الأساسية:

54321CH3CH2CH2COCH3

يمثِّل كلا الخيارين ج، د جزيئات تحتوي على خمس ذرات كربون في سلسلة. يمثِّل الخيار ج ذرة أكسجين مرتبطة بذرة الكربون الثالثة في السلسلة، ويمثِّل الخيار د ذرة أكسجين مرتبطة بذرة الكربون الثانية في السلسلة:

الخيار د موضع ذرة الكربون والأكسجين به مماثل للناتِج. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار د.

تُعَد الكحولات أحماضًا وقواعد ضعيفة على حدٍّ سواء. عندما يَمنح كحول بروتونًا، تتكوَّن القاعدة المترافقة، وهي ألكوكسيد، التي تُسمَّى أيضًا أيون الألكوكسيد:

الألكوكسيدات مواد متفاعلة مهمة في العديد من التخليقات العضوية. ويمكن تكوينها عن طريق تفاعل كحول مع قاعدة قوية، مثل أميد الصوديوم (NaNH2):

ويمكن أيضًا تكوين الألكوكسيدات من خلال إضافة فلز الصوديوم إلى كحول. يحدث تفاعل أكسدة واختزال، ويتحرَّر غاز الهيدروجين (H2):

ويمكن أيضًا إجراء هذا التفاعل مع الليثيوم أو البوتاسيوم.

تفاعل: تفاعل كحول مع فلز نشط لتكوين ألكوكسيد الفلز

مثال ٤: تحديد نواتج تفاعل الإيثانول مع فلز الصوديوم

أيٌّ من الآتي صواب عن تفاعل الإيثانول مع فلز الصوديوم؟

  1. تكوين إيثوكسيد الصوديوم مع تصاعد غاز الهيدروجين
  2. تكوين إيثوكسيد الصوديوم مع تصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون
  3. تكوين أسيتات الصوديوم مع تصاعد غاز الهيدروجين
  4. تكوين أسيتات الصوديوم مع تصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون
  5. تكوين إيثوكسيد الصوديوم مع تصاعد غاز أول أكسيد الكربون

الحل

الإيثانول كحول أوَّلي له الصيغة الكيميائية CHOH25، والصيغة التوضيحية الآتية:

عندما يتفاعل كحول مع فلز الصوديوم، يُزال الهيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل، ويتأكسد الفلز، ويتكوَّن الألكوكسيد، وهو القاعدة المرافقة للكحول. وعندما تحدث هذه العملية لجزيئَي كحول، يمكن أن تتَّحد ذرات الهيدروجين المُزالة لتكوين غاز الهيدروجين (H2) الذي يتصاعد من التفاعل:

يُسمَّى ألكوكسيد الفلز المتكوِّن عن طريق إزالة كلمة الفلز ووضع اسم الفلز المستخدَم في التفاعل محلها، والبادئة «ألكـ» تحل محلها البادئة التي تُشير إلى عدد ذرات الكربون المرتبطة بالمجموعة O. ومن ثَمَّ فإن ألكوكسيد الفلز المتكوِّن عند تفاعل الصوديوم مع الإيثانول سيكون إيثوكسيد الصوديوم:

إذن العبارة الصحيحة هي الخيار أ.

تُلخِّص خريطة التفاعل الآتية تفاعلات الكحولات التي تعلَّمناها.

مثال ٥: تفاعلات 2-بروبانول

يوضِّح مُخطَّط التفاعُل الآتي تفاعُلات مختلفة يُمكن أن يخضع لها جزيء 2-بروبانول:

  1. أيُّ ناتِج يُمكن أن يكون كيتونًا؟
    1. A
    2. B
    3. C
  2. ما اسم الناتج C؟
    1. 2-كلورو-2-بروبانول
    2. 2-كلورو بروبان
    3. 1-كلورو بروبان
  3. ما عدد المتشاكلات الموضعية المختلفة التي يُمكن أن تَنتج من التفاعل لتكوين الناتِج A؟
    1. متشاكل واحد
    2. متشاكلان
    3. أربعة متشاكلات
    4. ثلاثة متشاكلات

الحل

الجزء الأول

2-بروبانول عبارة عن كحول ثانوي. عندما تتفاعل الكحولات الثانوية مع حمض الهيدروكلوريك في وجود كلوريد الزنك، يحدث تفاعل استبدال، وينتج كلورو ألكان. وعندما تتفاعل الكحولات الثانوية مع حمض الكبريتيك المركَّز في درجة حرارة أكبر من 180C، يحدث تفاعل نزع الماء، وينتج ألكين. أما عندما تتفاعل الكحولات الثانوية مع ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة تحت تأثير التكثيف المرتد، يحدث تفاعل أكسدة، وينتج كيتون. إذن الناتج B سيكون كيتونًا.

الجزء الثاني

في الجزء الأول، توصَّلنا إلى أن الكحولات الثانوية تتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك في وجود كلوريد الزنك عن طريق تفاعل استبدال، لإنتاج كلورو ألكان. في تفاعل الاستبدال هذا، يحل الكلور من حمض الهيدروكلوريك محل مجموعة الهيدروكسيل الوظيفية للكحول:

اسم الناتج الذي ينتج عن هذا التفاعل هو 2-كلورو بروبان، وهو الخيار ب.

الجزء الثالث

عندما تتفاعل الكحولات الثانوية مع حمض الكبريتيك المركَّز، يحدث تفاعل نزع الماء الذي ينتج عنه ألكين وماء. ويكون هذا التفاعل في حالة اتزان، وعند درجات حرارة أعلى من 140C، يمكن أن ينزاح الاتزان باتجاه الألكين.

عندما يُنزَع الماء من جزيء يحتوي على كحول، سيَفقد الجزيء مجموعة الهيدروكسيل وذرة هيدروجين مرتبطة بذرة كربون تبعُد موضعين عن مجموعة الهيدروكسيل. وتتكوَّن رابطة كربون-كربون مزدوجة بين ذرة الكربون التي فَقدت ذرة الهيدروجين، وذرة الكربون التي فَقدت مجموعة الهيدروكسيل.

في جزيء 2-بروبانول، توجد ست ذرات هيدروجين يمكن إزالتها أثناء نزع الماء. ذرات الهيدروجين هذه محاطة بدوائر في الشكل الآتي:

إذا فُقدت أي ذرة من ذرات الهيدروجين على ذرة الكربون المرقَّمة برقم 1 خلال نزع الماء، فسيَنتج الناتج الآتي:

هذا المركب هو الألكين بروبين.

إذا فُقدت أي ذرة من ذرات الهيدروجين على ذرة الكربون المرقَّمة برقم 3 خلال نزع الماء، فسيَنتج الناتج الآتي:

هذا المركب أيضًا بروبين. وبناءً عليه، فإن ناتج نزع الماء من 2-بروبانول سيكون بروبين، دون النظر إلى أيٌّ من ذرات الهيدروجين الست حُذفت أثناء التفاعل. ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار أ: تكوَّن متشاكل موضعي واحد فقط من هذا التفاعل.

النقاط الرئيسية

  • يمكن نزع الماء من الكحولات الأوَّلية والثانوية والثالثية باستخدام حمض الكبريتيك لإنتاج ألكينات:
  • عند وجود حمض الكبريتيك، يمكن أن تتفاعل الكحولات الأوَّلية لتكوين إيثرات:
  • تخضع جميع الكحولات لتفاعل الاستبدال؛ إذ تتفاعل مع الأحماض الهالوجينية لإنتاج هالو ألكانات:
  • تتفاعل الكحولات الثانوية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الكيتونات:
  • تتفاعل الكحولات الأوَّلية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الألدهيدات أو الأحماض الكربوكسيلية، بناءً على ظروف التفاعل:
  • تتحوَّل الكحولات عن طريق نزع بروتون إلى ألكوكسيدات عندما تتفاعل مع فلز نشط:

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