الهيدروكربونات الأروماتية

4-5

الهيدروكربونات الأروماتية

Aromatic Hydrocarbons

الأهداف

• تقارن بين خواص الهيدروكربونات الأروماتية والأليفاتية.
• توضح المقصود بالبادئة أرثو، وتذكر بعض الأمثلة عليها.
• تسمي المركبات الهيدروكربونية الأروماتية.

مراجعة المفردات

المجالات المهجنة: دمج المجالات الإلكترونية المختلفة في الشكل والطاقة للحصول على مجالات إلكترونية متماثلة الشكل والطاقة.

المفردات الجديدة

• المركب الأروماتي.
• المركب الأليفاتي.

الفكرة الرئيسية

تتصف الهيدروكربونات الأروماتية بدرجة عالية من الثبات بسبب بنائها الحلقي، حيث الأزواج الإلكترونية غير متمركزة.

الربط مع الحياة

ما الشيء المشترك بين الأنسجة ذات الألوان الزاهية والزيوت العطرية (الطيارة) المستخدمة في العطور؟ كل منها يحتوي على هيدروكربونات أروماتية.

الصيغة البنائية للبنزين

The Structure of Benzene

إن الأصباغ الطبيعية - ومنها تلك الموجودة في الأنسجة الظاهرة في الشكل 4-24 - والزيوت العطرية، تحتوي على صيغ بنائية ذات حلقة كربونية سداسية. وقد عرفت هذه المركبات واستعملت منذ قرون. فقد كان لدى الكيميائيين في منتصف القرن التاسع عشر معرفة ودراية أساسية بأشكال الهيدروكربونات البنائية ذات الروابط المشتركة الأحادية والثنائية والثلاثية. ومع ذلك بقيت بعض التراكيب الحلقية غامضة.

إن أبسط مثال على هذه الفئة من الهيدروكربونات هو البنزين، الذي عزل أول مرة عام 1825م على يد الفيزيائي البريطاني مايكل فاراداي Michael Faraday (1791-1867م) من الغازات المنبعثة من زيت الحيتان المستخدم للإضاءة. وعلى الرغم من قيام الكيميائيين بتحديد صيغة البنزين الجزيئية C6H6، إلا أنه كان من الصعب عليهم تحديد البناء الهيدروكربوني الذي يعطي هذه الصيغة. فالصيغة الجزيئية للهيدروكربون المشبع ذي ذرات الكربون الست هي C6H14. ولأن جزيء البنزين ينقصه القليل من ذرات الهيدروجين، فقد استنتج الكيميائيون أنه من الضروري أن يكون غير مشبع، وهذا يعني أن لديه بعض الروابط الثنائية أو الثلاثية أو كليهما معًا. واقترحوا الكثير من الصيغ البنائية المختلفة، ومنها الصيغة أدناه التي اقترحت عام 1860م:

CH2 = C = CH - CH = C = CH2

الشكل 4-24

لا تستعمل الأصباغ في إنتاج الأنسجة ذات الألوان الزاهية على مر العصور.

فسر: ما الشيء المشترك بين الأصباغ الطبيعية والزيوت الطيارة (العطرية) المستخدمة في العطور؟

===========================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_4-25_سحابة_إلكترونات_البنزين_غير_المتمركزة.png

وعلى الرغم من أن الصيغة الجزيئية هذه لها الصيغة البنائية C6H6 فإنها تمثل هذا الهيدروكربون نوعًا غير مستقر، وشديد التفاعل، ولا وجود له. والروابط الثنائية، إلا أن البنزين مادة غير نشطة كيميائيًا، ولا تتفاعل بالطرائق التي تتفاعل بها الألكينات والألكاينات عادة. ولهذا السبب استنتج العلماء أن مثل هذه الصيغة البنائية غير صحيحة.

حلم كيكولي

في عام 1865م اقترح الكيميائي الألماني فريدريك أوجست كيكولي Friedrich August Kekulé (1829-1896م) صيغة بنائية حلقية للبنزين، وهي شكل سداسي مكون من ذرات الكربون تتناوب فيه الروابط الأحادية والثنائية. فكيف تقارن الصيغة الجزيئية بهذا الشكل بالصيغة الجزيئية للبنزين؟

ادعى كيكولي أنه رأى الصيغة البنائية للبنزين في المنام عندما غلبه النعاس أمام لهب في مدفأته؛ إذ قال إنه حلم ببلع حية ذيلها، وهو شعار مصري قديم تظهر فيه أفعى تفترس ذيلها، مما جعله يفكر في الشكل الحلقي. ويفسر الشكل السداسي المسطح الذي اقترحه كيكولي بعض خصائص البنزين، ولكنه لا يفسر ضعف نشاطه الكيميائي.

نموذج البنزين الحديث

أحد علماء الأبحاث عند اقتراح كيكولي الصيغة البنائية للبنزين في ضوء أشكال السداسي، وعلى الرغم من ذلك لم تفسر ضعف النشاط الكيميائي للبنزين حتى عام 1930م، عندما اقترح لينوس بولنج نظرية المجالات المهجنة. وعند تطبيقها على البنزين تبيَّنت هذه النظرية أن أزواج الإلكترونات المكوِّنة للروابط الثنائية لا تتجمع بين ذرتي كربون محددتين كما هو الحال في الألكينات. وعوضًا عن ذلك تكون أزواج الإلكترونات غير متمركزة delocalized، أي أمها تشترك في جميع ذرات كربون الست في الحلقة.

والشكل 4-25 يوضح أن عدم التمركز هذا يجعل جزيء البنزين ثابتًا كيميائيًا؛ لأن الإلكترونات المشتركة مع ست نوى كربون يصعب سحبها بعيدًا مقارنة بالإلكترونات الثابتة حول نواتين فقط. ولا تكتب ذرات الهيدروجين الست عادة في الشكل، ولكن من الضروري أن تتذكر أنها موجودة. وفي هذا التمثيل ترمز الدائرة في منتصف الشكل السداسي إلى الغيمة المكونة من أزواج الإلكترونات الثلاثة.

الشكل 4-25

تتوزع الإلكترونات المشتركة حول الحلقة بالتساوي، كغيمة ثنائية حول الحلقة بدلًا من البقاء قريبة من الذرات المنفردة.

المفردات

الاستعمال العلمي مقابل الاستعمال الشائع

أروماتي (Aromatic)

الاستعمال العلمي: مركب عضوي ثابت التركيب بسبب عدم بقاء الإلكترونات في مكان واحد.

مثال: البنزين مركب أروماتي.

الاستعمال الشائع: له رائحة قوية.

مثال: هذا العطر ذو رائحة قوية.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_4-26_أمثلة_على_المركبات_الأروماتية_ومنتجاتها.png

الشكل 4-26

توجد الهيدروكربونات الأروماتية بسبب الاحتراق غير الكامل للهيدروكربونات، وتستخدم في صناعة الكثير من المنتجات.

أمثلة موضحة في الشكل:

• يستخدم الأنثراسين في إنتاج الأصباغ والدهان.
• يستخدم النفثالين في عمل الأصباغ ويتخذ طاردًا للعث.
• يكثر الفينانثرين في السخام الناتج من الاحتراق غير الكامل للهيدروكربونات.
• يستخدم البارا-زايلين في عمل ألياف البوليستر والأنسجة.

المركبات الأروماتية

Aromatic Compounds

تسمى المركبات العضوية التي تحتوي على حلقات البنزين جزءًا من بنائها المركبات الأروماتية. استخدم المصطلح أروماتي (aromatic) في الأصل؛ لأن الكثير من المركبات المرتبطة مع البنزين والمعروفة في القرن التاسع عشر وجدت في الزيوت ذات الرائحة الطيبة الموجودة في البهارات والفواكه وغيرها من أجزاء النباتات. وتسمى الهيدروكربونات مثل الألكانات، والألكينات، والألكاينات المركبات الأليفاتية تمييزًا عن المركبات الأروماتية. وكلمة أليفاتي aliphatic في الأصل تعني الدهن، وذلك لأن الكيميائيين القدامى حصلوا على المركبات الأليفاتية بتسخين دهون الحيوانات وشحومها.

ماذا قرأت؟ استنتج لماذا استمر الكيميائيون في استخدام مصطلحي المركبات الأروماتية والمركبات الأليفاتية إلى الآن؟

تظهر الصيغ البنائية لبعض المركبات الأروماتية في الشكل 4-26. لاحظ الصيغة البنائية للنفثالين، تبدو كحلقتي بنزين ملتصقتين جنبًا إلى جنب. وهناك تشابه بين هذا وبين نظام الحلقات الملتحمة (fused) في المركب العضوي إلى الكوليسترول على حلقتين أو أكثر تشتركان في الضلع نفسه. وتشترك ذرات الكربون المكونة للحلقات بالإلكترونات كما في البنزين.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• صيغ_مركبات_البنزين_البديلة_ميثيل_بنزين_وإيثيل_بنزين_وثنائي_ميثيل_بنزين.png
• الشكل_4-27_تسمية_حلقات_البنزين_ذات_التفرعات.png
• الربط_مع_الصحة_التولوين.png

تسمية المركبات العضوية الأروماتية

لكي يسمى المركب الأروماتي، نبدأ بامتلاك مجموعة واحدة مختلفة مرتبطة مع ذرات الكربون في حلقة البنزين. فمثلًا عندما ترتبط مجموعة ميثيل حلقي بالبنزين، المعروف أيضًا بـ التولوين toluene، أو من مجموعة ميثيل مرتبطة مع حلقة البنزين تذكر أن ذرة هيدروجين تعد هناك.

وتسمى مركبات البنزين ذات المجموعات البديلة بطريقة الألكانات الحلقية نفسها. فعلى سبيل المثال، يحتوي إيثيل بنزين على مجموعة إيثيل المكونة من ذرتي كربون متصلة بالحلقة، ويتكون 4،1-ثنائي ميثيل بنزين، xylene، من مجموعتي ميثيل متصلتين بالموقعين 1 و4.

أمثلة موضحة:

• ميثيل بنزين (تولوين).
• إيثيل بنزين.
• 1،4-ثنائي ميثيل بنزين.

وترقم حلقات البنزين المتفرعة تمامًا مثل الألكانات الحلقية المتفرعة بطريقة تعطي أصغر أرقام ممكنة لمواقع المجموعات البديلة أو التفرعات، كما في الشكل 4-27. فالترقيم أعلاه كما هو مبين يعطي الأرقام 1 و2 و4 لمواقع المجموعة البديلة. ولأن كلمة إيثيل تأتي قبل ميثيل في الترتيب الهجائي، لذا فإنها تكتب أولًا على الصورة: 2-إيثيل-1،4-ثنائي ميثيل بنزين.

ماذا قرأت؟ فسر ماذا تعني الدائرة داخل الحلقة السداسية في الشكل 4-27؟

الشكل 4-27

تسمى حلقات البنزين ذات التفرعات بطريقة تسمية الألكانات الحلقية نفسها.

الربط مع الصحة

يوجد التولوين بشكل طبيعي في النفط الخام، ويستخدم في صناعة الطلاء، ومخففات الطلاء، المناكير، المواد اللاصقة، والنايلون، وفي بعض مراحل الطباعة والدباغة.

والتولوين ذات تأثير على الجهاز العصبي عند التعرض لكميات ضئيلة منه، فقد تظهر الأعراض التالية: التعب، الضعف، الاضطراب، الشعور بالسكر، فقدان الذاكرة، فقدان الشهية، فقدان السمع والبصر.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• مثال_4-4_تسمية_المركبات_الأروماتية_ومسائل_تدريبية.png

مثال 4-4

تسمية المركبات الأروماتية

سم المركب الأروماتي الآتي.

1 تحليل المسألة

لقد أعطيت مركبًا أروماتيًا. اتبع القواعد لتسميته.

2 حساب المطلوب

الخطوة 1. رقم ذرات الكربون لإعطاء أصغر أرقام ممكنة.

إن الرقمين 1 و3 كلاهما أصغر من الرقمين 1 و5. لذا فإن الأرقام التي يجب استخدامها لترقيم الهيدروكربون هي 1 و3.

الخطوة 2. حدد أسماء المجموعات البديلة. إذا تكررت المجموعة نفسها أكثر من مرة فأضف البادئة الدالة على عدد المجموعات الموجودة.

الخطوة 3. جمع الاسم ورتب المجموعات البديلة هجائيًا، مستخدمًا الفواصل بين الأرقام والشرطات بين الأرقام والكلمات، ثم اكتب الاسم على الصورة:

1،3-ثنائي بروبيل بنزين.

3 تقويم الإجابة

رقمت حلقة البنزين لتعطي التفرعات أصغر مجموعة ممكنة من الأرقام، وحددت أسماء المجموعات البديلة على نحو صحيح.

مسائل تدريبية

• سم الصيغ البنائية الآتية:

أ. مركب أروماتي يحتوي على مجموعة CH2CH2CH3 مرتبطة بحلقة البنزين.

ب. مركب أروماتي يحتوي على مجموعة CH3 ومجموعة CH2CH3 متصلتين بحلقة البنزين.

ج. مركب أروماتي يحتوي على مجموعات CH3 وCH3 وCH2CH3 متصلة بحلقة البنزين.

• تحفيز: ارسم الصيغة البنائية للمركب 1،4-ثنائي إيثيل بنزين.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_4-28_بنزوبيرين_مادة_مسرطنة_في_المدفأة_وعوادم_السيارات.png
• تقويم_4-5_الهيدروكربونات_الأروماتية.png

الشكل 4-28

بنزوبيرين مادة كيميائية مسببة للسرطان. توجد في المدافئ، وفي دخان السجائر وعوادم السيارات.

المواد المسرطنة

شاع سابقًا استخدام الكثير من المركبات الأروماتية، وبخاصة البنزين والتولوين والزايلين، بوصفها مذيبات صناعية ومخبرية، إلا أن الاختبارات أظهرت صورة مغايرة من استخدامها لهذه المركبات؛ لأنها تؤثر في صحة الإنسان بعد التعرض لها بصورة متكررة. وتشمل المخاطر الصحية المرتبطة مع المركبات الأروماتية أمراض الجهاز التنفسي، والمشاكل المتعلقة بالكبد، وتلف الجهاز العصبي. وبالإضافة إلى هذه المخاطر، فإن بعض المركبات الأروماتية مواد مسرطنة، أي تسبب مرض السرطان.

إن أول مادة مسرطنة تم تعرفها هي مادة أروماتية اكتشفت في القرن العشرين في سناج المداخن. وقد عرف منظفو المداخن في بريطانيا إصابتهم بالسرطان بمعدلات عالية جدًا. واكتشفت هذه المادة أن المسبب في ذلك يعود إلى المركب الأروماتي بنزوبيرين الظاهر في الشكل 4-28، وهو ناتج ثانوي عن احتراق الخلائط المعقدة من المواد العضوية، ومنها الخشب والفحم، وعرفت أيضًا بعض المركبات الأروماتية الموجودة في الجازولين أنها مسرطنة.

المطويات

أدخل معلومات من هذا القسم في مطويتك.

التقويم 4-5

الخلاصة

• تحتوي الهيدروكربونات الأروماتية على حلقات بنزين بوصفها جزءًا من صيغها البنائية.
• تتوزع الإلكترونات في الهيدروكربونات الأروماتية على الحلقة كاملة بالتساوي.

• الفكرة الرئيسية: فسر الشكل البنائي للبنزين، وكيف يجعله عالي الاستقرار أو الثبات؟

• فسر كيف تختلف الهيدروكربونات الأروماتية عن الهيدروكربونات الأليفاتية.

• صف خواص البنزين التي جعلت الكيميائيين يتوقعون احتمالية كونه ألكينًا ذا روابط ثنائية متعددة.

• سم الصيغ البنائية الآتية:

أ. حلقة بنزين مرتبطة بمجموعات CH3 وCH3 وCH2CH3.

ب. حلقة بنزين مرتبطة بمجموعتي CH2CH2CH3 وCH2CH3.

• فسر لماذا كانت العلاقة بين النيتروبنزين والسرطان طويلة؟