فيديو الدرس: تفاعلات الكحولات الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف التفاعلات المختلفة للكحولات، ونتوقع النواتج المتكونة. وسوف نركز على تفاعلات نزع الماء، والاستبدال، والأكسدة.

الكحولات هي مركبات تحتوي على مجموعة هيدروكسيل، وهي ذرة أكسجين مرتبطة بذرة هيدروجين. الصيغة العامة للكحول هي ‪ROH‬‏، حيث يرمز الحرف ‪R‬‏ إلى بقية الجزيء. يعتمد النشاط الكيميائي للكحول وسلوكه إلى حد كبير على موضع مجموعة الهيدروكسيل. يمكن تصنيف الكحولات إلى كحولات أولية، ترتبط فيها مجموعة الهيدروكسيل بذرة كربون بها مستبدل ألكيل واحد؛ وثانوية، ترتبط فيها مجموعة الهيدروكسيل بذرة كربون بها مستبدلا ألكيل؛ وثالثية، ترتبط فيها مجموعة الهيدروكسيل بذرة كربون بها ثلاث مستبدلات ألكيل.

الآن وقد أصبح بإمكاننا التعرف على الكحولات الأولية والثانوية والثالثية، لنستعرض بعض التفاعلات التي تتضمن هذه الكحولات. يمكن إنتاج الكحولات عن طريق تفاعل ألكين يحتوي على ذرتي كربون مرتبطتين برابطة مزدوجة، مع الماء في وجود حمض الكبريتيك. هذا مثال على تفاعل الإماهة، وهو تفاعل كيميائي تتحد فيه المادة مع الماء. يمكن التنبؤ بالكحول الناتج عن إماهة الألكين باستخدام قاعدة ماركوفنيكوف. تنص هذه القاعدة على أن ذرة الهيدروجين الحمضية سوف تضاف إلى ذرة الكربون في الرابطة المزدوجة التي ترتبط بأكبر عدد من مستبدلات الهيدروجين.

خلال هذا التفاعل تضاف ذرة هيدروجين حمضية إلى ذرة الكربون في الرابطة المزدوجة التي ترتبط بأكبر عدد من مستبدلات الهيدروجين. تضاف مجموعة الهيدروكسيل من جزيء الماء إلى ذرة الكربون في الرابطة المزدوجة التي ترتبط بأقل عدد من مستبدلات الهيدروجين. وتنكسر الرابطة باي بين ذرات الكربون. وبهذا فإن إماهة البروبين ستنتج 2-بروبانول. تعد إماهة الألكين في حقيقتها تفاعل اتزان. في التفاعل العكسي، تنتزع مجموعة الهيدروكسيل وذرة الهيدروجين الموجودة على بعد ذرتين من مجموعة الهيدروكسيل، وتتكون رابطة كربون-كربون مزدوجة جديدة. هذا التفاعل هو أحد تفاعلات نزع الماء، وهو تفاعل كيميائي ينزع فيه جزيء ماء من المتفاعل.

يمكن أن يتغير اتجاه التفاعل بين الإماهة ونزع الماء تبعًا لظروف التفاعل. يفضل اتجاه الإماهة عند إجراء التفاعل في وجود زائد من الماء وتركيز منخفض من الحمض. ويفضل اتجاه نزع الماء عند إزالة الماء الناتج في التفاعل بمجرد تكونه. يمكن أيضًا تغيير الاتزان عن طريق مراقبة درجة حرارة التفاعل عن كثب. تفضل إماهة الألكين لإنتاج كحول ثانوي عند درجة حرارة أقل من 100 درجة سلزية. ويفضل نزع الماء من الكحول الثانوي لإنتاج ألكين عند درجات حرارة أعلى من 140 درجة سلزية. وبالنسبة إلى تفاعل الاتزان بين الألكين والكحول الثالثي، تفضل الإماهة عند درجات حرارة أقل من 25 درجة سلزية. ويفضل نزع الماء عند درجات حرارة أعلى من 50 درجة سلزية.

استعرضنا الكحولات الثانوية والثالثية. لكن ماذا عن الكحولات الأولية؟ بما أن إماهة أحد الألكينات تتبع قاعدة ماركوفنيكوف، فليس من الممكن إنتاج الكحولات الأولية من خلال هذا التفاعل. هذا يعني أن نزع الماء من كحول أولي لا يكون في حالة اتزان مع إماهة الألكين المقابل. ومع ذلك، ينبغي الاستمرار في مراقبة درجة حرارة التفاعل عن كثب. عند درجات حرارة تناهز 180 درجة سلزية، يحدث تفاعل نزع الماء كما هو متوقع. ولكن عندما تكون درجة الحرارة في حدود 140 درجة سلزية، لا يميل الكحول إلى نزع الماء لإنتاج الألكين. بدلًا من ذلك، يتفاعل جزيئان من الكحول معًا لإنتاج إيثر متماثل. وهذا التفاعل تفاعل استبدال.

تفاعل الاستبدال هو تفاعل كيميائي يزال فيه جزء من أحد الجزيئات ويحل محله جزء آخر. في تفاعل الاستبدال بين كحولين أوليين، تزال مجموعة الهيدروكسيل من أحد جزيئي الكحول. ويحل محلها جزيء الكحول الآخر لإنتاج الإيثر. هذا التفاعل هو مجرد مثال واحد على تفاعل الاستبدال.

يمكن أن تخضع الكحولات الأولية والثانوية والثالثية لتفاعل استبدال في وجود حمض هالوجيني، مثل حمض الهيدروكلوريك، أو حمض الهيدروبروميك، أو حمض الهيدرويوديك. على مدار التفاعل تزال مجموعة الهيدروكسيل ويحل محلها الهالوجين من الحمض الهالوجيني. ونواتج تفاعل الاستبدال هذا هي الهالو ألكان والماء. وعند استخدام حمض الهيدروكلوريك باعتباره كاشفًا، يضاف كلوريد الزنك عادة باعتباره عاملًا حفازًا.

أحد تفاعلات الكحول الشائعة الأخرى هو تفاعل الأكسدة. في تفاعل الأكسدة تزال ذرة الهيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل وذرة الهيدروجين المرتبطة بنفس ذرة الكربون المرتبطة بها مجموعة الهيدروكسيل. للتعويض عن فقد هذه الروابط، تتكون رابطة مزدوجة بين ذرة الأكسجين وذرة الكربون اللتين فقدت كل منهما ذرة هيدروجين. يتضمن ناتج أكسدة الكحول مجموعة كربونيل، وهي ذرة كربون مرتبطة برابطة مزدوجة مع ذرة أكسجين.

الكحولات الأولية والثانوية يمكن أن تتأكسد بينما الكحولات الثالثية لا يمكنها ذلك. وسبب ذلك أن ذرة الكربون المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل يجب أن تحتوي على مستبدل هيدروجين يمكن إزالته خلال الأكسدة. لا تحتوي ذرة الكربون المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل في كحول ثالثي على مستبدل هيدروجين يمكن إزالته خلال الأكسدة. لذلك لا تحدث أكسدة للكحول الثالثي.

تتطلب أكسدة الكحول وجود عامل مؤكسد. هناك عاملان مؤكسدان شائعان وهما ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة وبرمنجنات البوتاسيوم. يعرف ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة أيضًا باسم كاشف جونز، ويحضر بإذابة ثاني كرومات البوتاسيوم في حمض الكبريتيك المائي لإنتاج حمض الكروميك في المحلول. ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة برتقالية اللون بسبب وجود الكروم السداسي. وعند إضافتها إلى كحول أولي أو ثانوي يتأكسد الكحول، ويختزل الكروم السداسي إلى كروم ثلاثي، وهو ما يغير لون المحلول إلى اللون الأخضر. برمنجنات البوتاسيوم بنفسجية اللون بسبب وجود المنجنيز السباعي. وعند إضافتها إلى كحول أولي أو ثانوي، يتأكسد الكحول ويختزل المنجنيز السباعي إلى المنجنيز الرباعي، وهو ما يجعل المحلول عديم اللون. وهذا التغير اللوني الملحوظ الناتج عن اختزال هذه العوامل المؤكسدة من الممكن أن يفيد في مراقبة مسار التفاعل.

والآن لنستعرض أكسدة الكحولات الثانوية. في معادلة التفاعل يمكننا استخدام حرف ‪O‬‏ كبيرًا مكتوبًا بين قوسين لتمثيل الأكسجين بصفته عاملًا مؤكسدًا. نعلم أن تفاعل الأكسدة يتضمن إزالة ذرتي هيدروجين وتكوين رابطة كربون-أكسجين مزدوجة جديدة. وسواء استخدمنا ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة أم برمنجنات البوتاسيوم باعتباره عاملًا مؤكسدًا، سيكون ناتج أكسدة الكحول الثانوي كيتونًا، وهي ذرة أكسجين مرتبطة برابطة مزدوجة بذرة كربون لها مستبدلا ألكيل.

تحدث عملية مشابهة، ولكن مختلفة قليلًا، عندما تتأكسد الكحولات الأولية. عند إضافة عامل مؤكسد إلى كحول أولي، تزال ذرات الهيدروجين وتتكون رابطة مزدوجة جديدة بين الكربون-الأكسجين. ناتج هذا التفاعل هو ألدهيد، وهو ذرة أكسجين مرتبطة برابطة مزدوجة بذرة كربون لها مستبدل هيدروجين واحد على الأقل. لكن الألدهيدات تتأكسد بسهولة. وإذا استمر وجود العامل المؤكسد والماء في وعاء التفاعل، فإن الألدهيد المتكون حديثًا يتأكسد في سلسلة من الخطوات المعقدة منتجًا حمضًا كربوكسيليًّا، وهو ذرة أكسجين مرتبطة برابطة مزدوجة بذرة كربون بها مستبدل هيدروكسيل. وهكذا يمكن لأكسدة الكحولات الأولية إنتاج كل من الألدهيدات والأحماض الكربوكسيلية. وستحدد الظروف المستخدمة في التفاعل أي ناتج من المرجح الحصول عليه.

برمنجنات البوتاسيوم عامل مؤكسد قوي. وسوف تؤكسد الكحول ليتحول إلى ألدهيد، والذي يتأكسد سريعًا إلى حمض كربوكسيلي. وبهذا يكون الناتج الرئيسي في ظروف التفاعل تلك هو حمضًا كربوكسيليًّا. لاحظ أن مخطط التفاعل هذا لا يعبر عن معادلة كيميائية موزونة وإنما يوضح فقط المادة الأولية والكاشف والناتج العضوي الرئيسي. هناك طريقة أخرى لإنتاج حمض كربوكسيلي بالأكسدة، وهي استخدام كمية كبيرة من ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة تحت تأثير التكثيف المرتد. تضمن ظروف التفاعل هذه أن أي ألدهيدات متكونة عن طريق الأكسدة الأولية، ستواصل التأكسد منتجة حمضًا كربوكسيليًّا. إذا كان الألدهيد هو الناتج المطلوب فعلينا توخي الحرص لمنع تعرض الألدهيد للأكسدة.

لا يزال استخدام ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة ممكنًا ولكن ليس بكمية كبيرة منها. ولن نلجأ إلى تسخين التفاعل تحت تأثير التكثيف المرتد. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي استخدام كمية كبيرة من الكحول وإزالة الألدهيد فور تكونه. في تجهيزات المختبر العملية تستخدم عادة الكواشف المتخصصة مثل كلوروكرومات البيريدينوم أو ‪PCC‬‏ لأكسدة الكحولات الأولية، لأنها لا تسمح للألدهيد بالخضوع للمزيد من عمليات الأكسدة.

استعرضنا حتى الآن تفاعلات نزع الماء والاستبدال والأكسدة للكحولات. ولكن لدينا تفاعلًا أخيرًا لنستعرضه. تعد الكحولات أحماضًا وقواعد ضعيفة على حد سواء. وعند اتحادها مع قاعدة قوية، يمكن إزالة بروتون مجموعة الهيدروكسيل. والنوع الناتج ذو الشحنة السالبة يسمى ألكوكسيد. الألكوكسيدات هي القاعدة المرافقة للكحول، وهي كواشف مهمة للعديد من المركبات العضوية. وهناك قاعدة قوية شائعة الاستخدام لتحويل الكحول إلى ألكوكسيد وهي أميد الصوديوم. ويمكن أيضًا إنتاج الألكوكسيدات عن طريق تفاعل كحول مع فلزات الصوديوم أو البوتاسيوم أو الليثيوم. يحدث تفاعل أكسدة واختزال ويتحرر غاز الهيدروجين من التفاعل.

قبل أن نلخص ما تعلمناه، لنستعرض أحد الأسئلة.

يوضح مخطط التفاعل الآتي تفاعلات متنوعة يمكن أن يخضع لها جزيء 2-بروبانول. أي ناتج يعد كيتونًا؟

‏2-بروبانول كحول ثانوي. وعندما يتفاعل كحول ثانوي مع حمض هالوجيني مثل حمض الهيدروكلوريك، يحدث تفاعل استبدال وينتج هالو ألكان. وعندما يتفاعل كحول ثانوي مع حمض الكبريتيك المركز عند درجة حرارة أعلى من 180 درجة سلزية، يحدث تفاعل نزع للماء وينتج ألكين. وعندما يتفاعل كحول ثانوي مع ثاني كرومات البوتاسيوم المحمضة تحت تأثير التكثيف المرتد، يحدث تفاعل أكسدة وينتج كيتونًا، وهو البروبانون في هذه الحالة. وبهذا يكون الكيتون الناتج هو ‪B‬‏.

الجزء (ب) ما اسم الناتج ‪C‬‏؟ (أ) 2-كلورو-2-بروبانول (ب) 2-كلورو بروبان (ج) 1-كلورو بروبان.

يتكون الناتج ‪C‬‏ عبر تفاعل استبدال. تفاعل الاستبدال هو تفاعل كيميائي يزال فيه جزء من الجزيء ويحل محله شيء آخر. في تفاعل الاستبدال هذا تزال مجموعة الهيدروكسيل ويحل محلها الهالوجين، وهو الكلور في هذه الحالة. هذا يعني أن الناتج سيحتوي على ذرة كلور مرتبطة بذرة الكربون الثانية، وهو نفس موضع مجموعة الهيدروكسيل في الجزيء الأصلي. لتسمية الهالو ألكان هذا نشير إلى موضع ذرة الكلور بكتابة اثنين شرطة كلور، حيث يشير العدد اثنان إلى أن ذرة الكلور مرتبطة بذرة الكربون الثانية. ثم نسمي سلسلة الكربون الأساسية بروبان، المقطع (بروبـ) للإشارة إلى ذرات الكربون الثلاث، والمقطع (ان) إشارة إلى الألكان، وهو ما يشير إلى أن ذرات الكربون ذات روابط أحادية. الاسم الصحيح للناتج ‪C‬‏ هو الخيار (ب) 2-كلورو بروبان.

بالنسبة إلى الجزء التالي من السؤال، سنفصل المعلومات المهمة.

الجزء (ج) ما عدد المتشاكلات الموضعية المختلفة الناتجة عن التفاعل لتكوين الناتج ‪A‬‏؟ (أ) متشاكل واحد (ب) متشاكلان (ج) أربعة متشاكلات (د) ثلاثة متشاكلات.

أثبتنا بالفعل أن هذا التفاعل هو تفاعل نزع للماء، وهو تفاعل كيميائي ينزع فيه جزيء الماء من المتفاعل. خلال هذا التفاعل ستزال مجموعة الهيدروكسيل وذرة هيدروجين واحدة مرتبطة بذرة كربون على بعد موضعين من مجموعة الهيدروكسيل. وستتكون رابطة كربون-كربون مزدوجة جديدة بين ذرتي الكربون اللتين فقدت كل منهما مستبدلًا. توجد ست ذرات هيدروجين محتملة يمكن إزالتها بالإضافة إلى مجموعة الهيدروكسيل. في حالة فقد أي من ذرات الهيدروجين الموجودة في أقصى اليسار أثناء تفاعل نزع الماء، تتكون رابطة مزدوجة بين ذرة الكربون الموجودة في أقصى اليسار وذرة الكربون الوسطى، ويكون الناتج هو البروبين. وفي حالة فقد أي من ذرات الهيدروجين الموجودة في أقصى اليمين، تتكون رابطة مزدوجة بين ذرة الكربون الوسطى وتلك الموجودة في أقصى اليمين. وهذا سينتج أيضًا البروبين. وبما أن الناتجين متماثلان، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ). سينتج عن هذا التفاعل متشاكل واحد فقط.

والآن، لنلخص ما تعلمناه بذكر النقاط الأساسية. يمكن نزع الماء من الكحولات باستخدام حمض الكبريتيك لإنتاج الألكينات. يعد نزع الماء من الكحولات الثانوية والثالثية تفاعل اتزان. من الممكن لدرجة الحرارة التي يحدث عندها التفاعل أن تغير الاتزان. في وجود حمض الكبريتيك عند درجات حرارة منخفضة، يمكن أن تتفاعل الكحولات الأولية لتكوين إيثرات متماثلة. يمكن أن تخضع الكحولات الأولية والثانوية والثالثية لتفاعل استبدال في وجود الأحماض الهالوجينية لإنتاج هالو ألكانات. تتأكسد الكحولات الثانوية إلى كيتونات في حين تتأكسد الكحولات الأولية إلى ألدهيدات أو أحماض كربوكسيلية تبعًا لظروف التفاعل. يتفاعل الكحول مع فلز الصوديوم لينتج غاز الهيدروجين وألكوكسيد، وهو كاشف عضوي مهم.