طرق تحضير الأرينات
يتم تخليق الهيدروكربونات الأروماتية سواء في الصناعة أو في المختبرات بطرق مختلفة:
- الطريقة الصناعية. يُعد الفحم الحجري المصدر الرئيسي للبنزين والتولوين. وتسمى هذه العملية بالتقطير الاتلافي، حيث يُسخّن الفحم بمعزل عن الأكسجين.
- نزع الهيدروجين من السيكلوألكانات. يمكن تخليق البنزين من السيكلوهكسان. يتطلب ذلك محفزاً وهو البلاتين ($Pt$)، وينتج عن التفاعل انطلاق غاز الهيدروجين.
- الطرق المخبرية وغيرها. وتشمل إزالة الهيدروجين الحلقي للألكانات والتلمرة الثلاثية للألكاينات. على سبيل المثال، عند تسخين البروبين بوجود حمض الكبريتيك المركز يتكون 3,5,1-ثلاثي ميثيل بنزين متماثل (المسيتيلين).
- نزع مجموعة الكربوكسيل من الأملاح. يمكن الحصول على البنزين في خطوة واحدة بصهر بنزوات الصوديوم الصلبة وهيدروكسيد الصوديوم الصلب. ونتيجة للتفاعل يتكون البنزين وكربونات الصوديوم.
الأكسدة والإضافة
النظام الأروماتي للبنزين مستقر جداً، ولذلك فإن تفاعلات الإضافة والأكسدة للحلقة تحدث بصعوبة.
الأكسدة:
- الاحتراق: يحترق البنزين بلهب دخاني بسبب محتواه العالي من الكربون، مما يؤدي إلى احتراق غير تام وانبعاث السناج.
- الأكسدة الحفزية: عند تعرض البنزين للأكسجين وبوجود محفز $V_2O_5$ تتدمّر الحلقة الأروماتية لتتكون حمض المالييك.
- أكسدة المتجانسات: عند تأثير المؤكسدات القوية (مثل $KMnO_4$ في وسط حمضي) تتدمّر السلسلة الجانبية وليس الحلقة نفسها. تتأكسد مجموعة الميثيل في التولوين لتتحول إلى مجموعة كربوكسيل مكونة حمض البنزويك. وفي الجذور الطويلة (الإيثيل، البروبيل) يحدث انكسار للرابطة بين ذرتي الكربون $\alpha$ و$\beta$.
تفاعلات الإضافة:
- الهدرجة: عند التسخين الشديد ($180^\circ C$) ووجود محفز النيكل، يضيف البنزين الهيدروجين ليتحول إلى سيكلوهكسان.
- الكلورة (بالجذور الحرة): تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية، يتفاعل البنزين مع الكلور لتكوين سيكلوهكسان مكلور (هكساشلوران) - وهو مركب كان يُستخدم سابقاً كمبيد حشرات، ولكنه مُنع بسبب سُميته العالية وبطء تحلله في التربة.
تفاعلات الاستبدال الكهربي
تعتبر تفاعلات استبدال الهيدروجين الأكثر تميزاً للأرينات، والتي تحدث وفق ميكانيكية الاستبدال الكهربي ($S_E$). وتُستخدم لتخليق الأدوية والأصباغ ومواد أخرى.
ميكانيكية التفاعل على مثال البرمنة تتضمن ثلاث مراحل:
- الاستقطاب. يُستقطب جزيء البروم تحت تأثير المحفز - حمض لويس (مثل $FeBr_3$).
- تكوين معقد $\sigma$. يهاجم الجسيم الموجب $Br^+$ الحلقة. وفي هذه الحالة تنتقل ذرة الكربون إلى تهجين $sp^3$， وتتخلخل الصفة الأروماتية.
- استعادة الصفة الأروماتية. ينفصل بروتون ($H^+$) عن ذرة كربون التهجين $sp^3$， فيستعيد النظام المترافق استقراره، ويتكون ناتج الاستبدال.
ومن تفاعلات $S_E$ الهامة الأخرى السلفنة، حيث يتفاعل البنزين مع الأوليم لتكوين حمض بنزين سلفونيك.
باختصار: إجابات عن أسئلة حول الموضوع
ما الفرق بين أكسدة البنزين وأكسدة متجانساته؟
تختلف أكسدة البنزين عن أكسدة متجانساته في أن المتجانسات تخضع أكسدتها للسلاسل الجانبية وليس لحلقة البنزين نفسها.
| الخصائص | البنزين | متجانسات البنزين |
|---|---|---|
| الكواشف والظروف | الأكسجين ($O_2$)، محفز $V_2O_5$ | برمنجنات البوتاسيوم ($KMnO_4$) في وسط حمضي ($H_2SO_4$) |
| مكان الأكسدة | حلقة البنزين | الجذور الهيدروكربونية (السلاسل الجانبية) |
| نواتج التفاعل | حمض المالييك | مجموعة الكربوكسيل ($-COOH$)، حمض البنزويك |
| الخصائص | الأكسدة الحفزية للأبخرة | في حال الجذور الطويلة يحدث انكسار للرابطة بين ذرتي الكربون $\alpha$ و$\beta$ |
أسئلة من المحاضرات والامتحانات
لماذا يحترق البنزين بلهب دخاني؟
يحتوي جزيء البنزين على نسبة عالية نسبياً من الكربون. وهذا يجعل الاحتراق التام صعباً، مما ينتج عنه جزيئات السناج.
ماذا يحدث عند أكسدة متجانسات البنزين؟
عند تأثير المؤكسدات القوية (برمنجنات البوتاسيوم)، لا تتأكسد حلقة البنزين بل السلسلة الجانبية (الجذر الهيدروكربوني). على سبيل المثال، يتحول التولوين إلى حمض البنزويك.
لماذا تحدث تفاعلات الإضافة للأرينات بصعوبة؟
يتمتع نظام إلكترونات $\pi$ الأروماتي باستقرار عالٍ. إن تدميره غير مجدٍ من الناحية الطاقوية، ولهذا تفضل الأرينات الدخول في تفاعلات الاستبدال.
مواضيع أخرى للمراجعة في نفس السياق
- ميكانيكية الاستبدال الكهربي بالتفصيل
- خصوصية أكسدة الجذور الطويلة لمتجانسات البنزين
- تطبيق أحماض لويس كمحفزات
- الجوانب البيئية لاستخدام الهكساشلوران
مواضيع أخرى من قسم «الفصل 15. الهيدروكربونات»
تم إعداد المادة بواسطة أعضاء هيئة التدريس في WhiteCoat Pro وفقاً للمنهج الدراسي لكليات الطب. وهي ذات طابع تعليمي.