الشكل_5-13_منتجات_استهلاكية_من_البترول_والغاز_الطبيعي.png

• الشكل_5-13_منتجات_استهلاكية_من_البترول_والغاز_الطبيعي.png

5-4

تفاعلات أخرى للمركبات العضوية

Other Reactions of Organic Compounds

الأهداف

• تصنف تفاعلات المركبات العضوية إلى أحد الأنواع الخمسة الآتية: الاستبدال، والإضافة، أو الحذف، أو الأكسدة والاختزال، أو التكثف.
• تستعمل الصيغ البنائية لكتابة معادلات تفاعلات المركبات العضوية.
• تتوقع نواتج تفاعلات المركبات العضوية.

مراجعة المفردات

المحفز: مادة تزيد معدل سرعة التفاعل الكيميائي، بخفض طاقة التنشيط دون أن تستهلك في التفاعل.

المفردات الجديدة

• تفاعلات الحذف
• تفاعلات حذف الهيدروجين
• تفاعلات حذف الماء
• تفاعلات الإضافة
• تفاعلات إضافة الماء
• تفاعلات الهدرجة
• تفاعلات التكثف

الفكرة الرئيسية

تصنيف تفاعلات المركبات العضوية يجعل توقع نواتج التفاعلات أسهل.

الربط مع الحياة

عند تناولك طعام الغذاء لا يخطر ببالك ما يحدث من أكسدة للمركبات العضوية. ومع ذلك، فهذا ما يحدث داخل جسمك؛ حيث تعمل أجهزة الجسم على تصنيف الطعام الذي تناولته للحصول على الطاقة اللازمة لجسمك.

تصنيف تفاعلات المواد العضوية

Classifying Reactions of Organic Substances

اكتشف علماء الكيمياء العضوية آلاف التفاعلات التي يمكن بها تحويل المركبات العضوية إلى مركبات عضوية أخرى مختلفة. وباستعمال مجموعة من هذه التفاعلات، تعتمد الصناعات الكيميائية على تحويل المركبات الصغيرة من البترول والغاز الطبيعي إلى مركبات كثيرة. وتوجد المركبات العضوية المعقدة للعديد من المنتجات؛ مثل، مستحضرات التجميل والبلاستيك، كما في الشكل 5-13. وبالإضافة إلى تفاعلات الاستبدال والتكثف هناك أنواع أخرى من التفاعلات العضوية، هي: الحذف والإضافة والأكسدة والاختزال.

تفاعلات الحذف

هناك طريقة واحدة لتغيير الألكان إلى مادة أكثر نشاطًا في التفاعلات الكيميائية، ألا وهي تكوين رابطة ثنائية بين ذرتين من الكربون لتكوين الألكين. وتسمى عملية تكوين الألكين من الألكان تفاعلات الحذف. وهي التفاعلات التي يتم فيها حذف ذرتين من الذرات المرتبطة مع ذرتي كربون متجاورتين؛ حيث يتم إضافة رابطة ثنائية بين ذرتي الكربون. وغالبًا ما تكون الذرات المحذوفة جزيئات مستقرة، مثل H2O، أو HCl، أو H2.

ماذا قرأت؟ عرّف تفاعلات الحذف مستعملًا كلماتك الخاصة.

الشكل 5-13

الكثير من المنتجات الاستهلاكية - ومنها الأواني البلاستيكية والألياف المستعملة في صناعة الحبال والملابس، والزيوت والشموع التي تستعمل في مستحضرات التجميل - مصنوعة من البترول والغاز الطبيعي.

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

صور الصفحة:

• الشكل_5-14_بولي_ايثين_منخفض_الكثافة_وملاعب_الأطفال.png
• الكيمياء_في_واقع_الحياة_الهيدروكربونات_العطرية_متعددة_الحلقات.png
• تفاعلات_حذف_الهيدروجين_وحذف_الماء_معادلات_توضيحية.png

الشكل 5-14

يصنع البولي إيثيلين المنخفض الكثافة من غاز الإيثين تحت ضغط مرتفع من وجود مواد محفزة. ويستعمل هذا النوع من البلاستيك في تجهيزات ملاعب الأطفال؛ لسهولة تشكيله في أشكال متنوعة، كما يسهل إعطاؤه ألوانًا متعددة، إضافة إلى قدرته على تحمل الاستعمال المتكرر.

يحضر الإيثين، وهو المادة الأولية المستعملة في صناعة أدوات وأرضيات الملاعب، كما هو مبين في الشكل 5-14. وتسمى التفاعلات التي يصاحبها حذف ذرتي هيدروجين من الإيثان تفاعلات حذف الهيدروجين. لاحظ أن ذرتي الهيدروجين قد كونتا غاز الهيدروجين.

إيثان → إيثين + H2

ويمكن أن يدخل هاليد الألكيل في تفاعل حذف لإنتاج الألكين وهاليد الهيدروجين، كما هو مبين لاحقًا:

R-CH2-CH2-X → R-CH=CH2 + HX

هاليد ألكيل → ألكين + هاليد الهيدروجين

ويمكن أن تدخل الكحولات أيضًا في تفاعلات حذف يتم فيها فقد ذرة هيدروجين ومجموعة هيدروكسيل وتكوين الماء، كما هو مبين أدناه. وتسمى تفاعلات الحذف التي يصاحبها تكوين الماء تفاعلات حذف الماء. وفي هذا التفاعل يتحول الكحول إلى ألكين وماء.

كحول → ألكين + ماء

ويمكن كتابة معادلة هذا التفاعل عمومًا على النحو الآتي:

R-CH2-CH2-OH → R-CH=CH2 + H2O

الكيمياء في واقع الحياة

الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)

الجزيئات البيولوجية تنزل الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات PAHs. وقد تم العثور عليها في النيازك، والمادة المحيطة بالنجوم الميتة. ونتيجة لمحاكاة العلماء لظروف في الفضاء تبين أن حوالي 10% من PAHs يتم تحويلها إلى كحولات، وكيتونات، وإسترات، ويمكن استعمال هذه الجزيئات لتكوين المركبات التي تعد ذات أهمية للأنظمة البيولوجية.

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

صور الصفحة:

• الجدول_5-12_تفاعلات_الإضافة.png

تفاعلات الإضافة

تفاعلات الإضافة نوع آخر من تفاعلات المركبات العضوية، وهي تعد تفاعلات عكسية لتفاعلات الحذف. وتحدث تفاعلات الإضافة عندما ترتبط ذرات أخرى مع ذرات الكربون المكونة للرابطة التساهمية الثنائية أو الثلاثية. وتتضمن تفاعلات الإضافة تكسير الرابطة الثنائية في الألكينات أو الرابطة الثلاثية في الألكاينات. وتحدث هذه التفاعلات عند وجود تركيز عالٍ من الإلكترونات في الرابطة الثنائية أو الثلاثية. لذلك تميل الجزيئات والأيونات إلى جذب الإلكترونات لتكوين روابط تستعمل فيها الإلكترونات الروابط الثنائية أو الثلاثية. وأكثر تفاعلات الإضافة شيوعًا هي التي تضاف خلالها جزيئات H2O و H2 و HX و X2 إلى الألكينات، كما في الجدول 5-12.

وتعد تفاعلات إضافة الماء المبينة في الجدول 5-12 تفاعلات إضافة، حيث فيها إضافة ذرة هيدروجين ومجموعة هيدروكسيل من جزيء الماء إلى الرابطة الثنائية أو الثلاثية. وتبين المعادلة العامة المبينة في الجدول 5-12 أن تفاعلات إضافة الماء عكس تفاعلات حذف الماء.

وتسمى تفاعلات إضافة الهيدروجين إلى ذرات الكربون التي تكون الرابطة الثنائية أو الثلاثية تفاعلات الهدرجة، حيث يتفاعل جزيء واحد من H2 مع الرابطة الثنائية بشكل تام، وعندما يضاف H2 إلى الرابطة الثنائية في الألكينات يتحول الألكين إلى الألكان.

ماذا قرأت؟ حدد التفاعل العكسي لتفاعل الهدرجة.

الجدول 5-12

تفاعلات الإضافة

الألكين المتفاعل:

R-CH=CH2

| المادة المتفاعلة المضافة | المادة الناتجة | نوع الناتج |
| ------------------------ | -------------- | ------------------- |
| الماء H-OH | R-CH(OH)-CH3 | الكحول |
| الهيدروجين H-H | R-CH2-CH3 | ألكان |
| هاليد الهيدروجين H-X | R-CHX-CH3 | هاليد الألكيل |
| الهالوجين X-X | R-CHX-CH2X | ثنائي هاليد الألكيل |

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

صور الصفحة:

• مختبر_تحليل_البيانات_هدرجة_زيت_الكانولا.png

تستعمل المحفزات عادة في عملية هدرجة الألكينات؛ لأن طاقة تنشيط التفاعل عالية جدًا في حال عدم وجود المحفزات. وتوفر المحفزات - مثل مسحوق البلاتين أو البلاديوم - سطحًا يعمل على امتصاص جزيئات المواد المتفاعلة، ويتيح الفرصة للإلكترونات للارتباط مع ذرات أخرى.

وتفاعلات الهدرجة شائعة الاستعمال في تحويل السوائل الدهنية غير المشبعة الموجودة في الزيوت النباتية - مثل فول الصويا والذرة والفول السوداني - إلى دهون مشبعة وصلبة عند درجة حرارة الغرفة؛ حيث تستعمل الدهون المهدرجة بعد ذلك في تصنيع السمن. وتدخل الألكاينات أيضًا في تفاعلات الهدرجة لإنتاج الألكينات أو الألكانات. ويجب إضافة جزيء واحد من H2 إلى كل رابطة ثلاثية لتحويل الألكاين إلى الألكين، كما يأتي:

R-C≡C-H + H2 → R-CH=CH2

ويتحول الألكاين إلى الألكين بعد إضافة الجزيء الأول من H2، وعند إضافة الجزيء الثاني من H2 يستمر تفاعل الهدرجة ويتحول الألكين إلى الألكان.

R-CH=CH2 + H2 → R-CH2-CH3

وتعد إضافة هاليد الهيدروجين إلى الألكين تفاعلات إضافة مهمة ومفيدة في التفاعلات الصناعية لإنتاج هاليد الألكيل. والمعادلة العامة لهذه التفاعلات هي كما يأتي:

R-CH=CH-R' + HX → R-CHX-CH2-R'

مختبر تحليل البيانات

مبنية على بيانات رقمية واقعية

تفسير البيانات

ما الظروف المناسبة لهدرجة زيت الكانولا؟

يتم هدرجة الزيوت النباتية للمحافظة على مذاقها وتغيير خواصها الذوبانية لها. ولأن الدلائل تشير إلى أن متشكلات ترانس - للأحماض الدهنية تقترن مع زيادة خطر الإصابة بأمراض القلب والسرطان، لذا يفضل توافر الحد الأدنى من هذه الدهون، وتوافر الحد الأقصى لمتشكلات سيس - لحمض الأوليك.

البيانات والملاحظات

يبين الجدول عن اليسار بعض بيانات التجربة.

تباينات حول زيت الكانولا

| رقم المحاولة | المحاكاة الحاسوبية: ترانس أحماض دهنية wt.% | المحاكاة الحاسوبية: سيس حمض الأوليك wt.% | التجريبية: ترانس أحماض دهنية wt.% | التجريبية: سيس حمض الأوليك wt.% |
| ------------ | -----------------------------------------: | ---------------------------------------: | --------------------------------: | ------------------------------: |
| 1 | 4.90 | 69.10 | 5.80 | 70.00 |
| 2 | 4.79 | 63.75 | 4.61 | 64.00 |
| 3 | 4.04 | 68.96 | 4.61 | 67.00 |
| 4 | 5.99 | 62.80 | 7.10 | 65.00 |
| 5 | 4.60 | 68.10 | 5.38 | 66.50 |

التفكير الناقد

• احسب النسبة المئوية للناتج في كل محاولة في الجدول.
• قوّم أي المحاولات تعطي أعلى نسبة مئوية من متشكلات سيس - لحمض الأوليك وأقل نسبة من متشكلات ترانس - للأحماض الدهنية؟
• فسر لماذا يتم استعمال هذه التقنية؟ وهل هي مفيدة في عمليات التصنيع؟

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

صور الصفحة:

• الجدول_5-13_تفاعلات_الأكسدة_والاختزال.png

تفاعلات الأكسدة والاختزال

يمكن تحويل كثير من المركبات العضوية إلى مركبات أخرى عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال. فعلى سبيل المثال، افترض أنك تريد تحويل الميثان الموجود في الغاز الطبيعي إلى ميثانول، وهو مذيب صناعي عام ومادة أولية لصنع الفورمالدهيد وإسترات الميثيل. ويتم تحويل الميثان إلى ميثانول، كما في المعادلة المبينة في الجدول 5-13؛ حيث تنتج [O] الأكسجين من مصدر مثل أكسيد النحاس II، أو ثاني كرومات البوتاسيوم، أو حمض الكبريتيك.

ماذا يحدث للميثان عندما يتفاعل؟ من المعروف أن الأكسدة هي عملية فقدان الإلكترونات، وتتأكسد المادة عندما تكسب الأكسجين أو تفقد الهيدروجين. أما الاختزال فهو عملية اكتساب الإلكترونات، وتختزل المادة عندما تفقد الأكسجين أو تكسب الهيدروجين. لذلك، حدثت أكسدة للميثان لأنه اكتسب الأكسجين وتحول إلى ميثانول. وبالتأكيد يتضمن كل تفاعل أكسدة واختزال عمليتي الأكسدة والاختزال. ويمكن وصف تفاعلات الأكسدة والاختزال في المواد العضوية اعتمادًا على التغير الذي يحدث للمركبات العضوية بعد التفاعل.

إن أكسدة الميثانول المبين في الجدول 5-13 بعد الخطوة الأولى من مجموعة خطوات لتحضير الألدهيد، كما في الجدول 5-13. وللتوضيح تم حذف العوامل المؤكسدة. ويعد تحضير الألدهيد بهذه الطريقة من المهام الصعبة؛ لأن الأكسدة قد تستمر فيتحول الألدهيد إلى حمض كربوكسيلي.

ماذا قرأت؟ حدد باستعمال الجدول 5-13 ناتجين محتملين عند استمرار أكسدة الألدهيد.

الجدول 5-13

تفاعلات الأكسدة والاختزال

تحويل الألكانات إلى كحولات

الميثان + [O] → الميثانول

CH4 + [O] → CH3OH

الحصول على الألدهيدات والأحماض الكربوكسيلية من الكحولات

الميثانول (الكحول المثيلي) --أكسدة: حذف هيدروجين--> الميثانال (الفورمالدهيد) --أكسدة: اكتساب أكسجين--> حمض الميثانويك (الفورميك) --أكسدة: حذف هيدروجين--> ثاني أكسيد الكربون

الحصول على الكيتونات من الكحولات

2-بروبانول --أكسدة: حذف هيدروجين--> 2-بروبانون

1-بروبانول --أكسدة: حذف هيدروجين--> البروبانال

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

صور الصفحة:

• الشكل_5-15_احتراق_الهيدروكربونات_ومصدر_الطاقة.png

ومع ذلك، لا تتأكسد جميع الكحولات إلى ألدهيدات، ومن ثم إلى أحماض كربوكسيلية. ولنفهم السبب، قارن بين أكسدة 1-بروبانول و2-بروبانول في الجدول 5-13. لاحظ أن أكسدة 2-بروبانول تنتج كيتونًا، وليس ألدهيدًا. والكيتون لا يتأكسد بسهولة إلى حمض كربوكسيلي، بينما يتأكسد 1-بروبانول بسهولة لتكوين حمض البروبانويك، في حين يتكون 2-بروبانون من أكسدة 2-بروبانول وهو لا يتفاعل لإنتاج حمض كربوكسيلي.

ماذا قرأت؟ اكتب معادلة تكوين حمض البروبانويك مستعملًا صيغًا جزيئية تشبه تلك الموجودة في الجدول 5-13.

ما أهمية تفاعلات الأكسدة والاختزال؟ لقد عرفت أن تفاعلات الأكسدة والاختزال لديها القدرة على أن تغير مجموعة وظيفية إلى أخرى. وتساعد هذه الخاصية الكيميائيين على استعمال تفاعلات الأكسدة والاختزال، إضافة إلى تفاعلات الاستبدال والإضافة لتحضير مجموعة هائلة ومتنوعة من المنتجات النافعة. وتعتمد أنظمة المخلوقات الحية جميعها على الطاقة الناتجة من تفاعلات الأكسدة. وتعد تفاعلات الاحتراق أو من أكثر تفاعلات الأكسدة والاختزال في الحياة. وتحدث تفاعلات العضوية التي تحتوي على الكربون والهيدروجين في وجود كمية كافية من الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء. وتوضح المعادلة الآتية احتراق الإيثان الطارد للحرارة:

2C2H6(g) + 7O2(g) → 4CO2(g) + 6H2O(g) ΔH = -3120 kJ

وتعتمد معظم بلدان العالم على احتراق المواد الهيدروكربونية بوصفه المصدر الرئيس للطاقة، كما في الشكل 5-15.

تفاعلات التكثف

Condensation Reactions

تتضمن العديد من التحضيرات التي تتم في المختبرات والعمليات الصناعية تفاعل مادتين من المواد المتفاعلة العضوية لتكوين مركب عضوي ضخم، مثل الأسبرين، كما هو موضح في الشكل 5-12. ويعرف هذا النوع من التفاعل بتفاعلات التكثف.

في تفاعل التكثف يتم ارتباط اثنين من جزيئات صغيرة لمركبات عضوية لتكوين جزيء آخر أكثر تعقيدًا. ويرافق هذه العملية فقدان جزيء صغير مثل الماء. وينتج هذا الجزيء عادة عن كلا الجزيئين المتحدين. وتعد تفاعلات التكثف تفاعلات حذف؛ بحيث تتكون رابطة بين ذرتين أو تكونا مرتبطتين سابقًا.

ومن أكثر تفاعلات التكثف شيوعًا تلك التي تتضمن الجمع بين الحمض الكربوكسيلي مع جزيئات كحول عضوية أخرى. والطريقة الشائعة لتحضير الإستر تتم بتفاعلات التكثف بين الأحماض الكربوكسيلية والكحول. ويمكن تمثيل هذا التفاعل بالمعادلة الكيميائية العامة الآتية:

RCOOH + R'OH → RCOOR' + H2O

توقع نواتج التفاعلات العضوية

Predicting Products of Organic Reactions

يمكن استعمال المعادلات العامة التي تمثل تفاعلات المواد العضوية - الاستبدال، والحذف، والإضافة، والأكسدة والاختزال، والتكثف - لتوقع نواتج التفاعلات العضوية. فعلى سبيل المثال، لو طلب إليك توقع نواتج تفاعل الحذف لتفاعل 1-بيوتانول، فأنت تعلم أن تفاعل الحذف الشائع يتضمن حذف الماء من الكحول.

الشكل 5-15

يعتمد الناس في جميع أنحاء العالم على أكسدة الهيدروكربونات للوصول إلى العمل ونقل المنتجات.

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

صور الصفحة:

• تقويم_5-4_تفاعلات_أخرى_للمركبات_العضوية.png

المعادلة العامة لحذف الماء من الكحول هي كما يأتي:

R-CH2-CH2-OH → R-CH=CH2 + H2O

ولتحديد النواتج العملية، ارسم أولًا الصيغة البنائية لـ 1-بيوتانول، ثم استعمل المعادلة العامة نموذجًا لإزالة مجموعة تتكون من H من ذرة الكربون المجاورة لمجموعة OH و OH من سلسلة الكربون. وأخيرًا ارسم الصيغة البنائية للناتج، كما في المعادلة الآتية:

CH3-CH2-CH2-CH2-OH → CH3-CH2-CH=CH2 + H2O

1-بيوتانول → 1-بيوتين + ماء

ومثال آخر، افترض أنك تود توقع نواتج التفاعل بين البنتين الحلقي وبروميد الهيدروجين. تذكر أن المعادلة العامة لتفاعلات الإضافة بين الألكينات وهاليدات الألكيل هي:

R-CH=CH-R' + HX → R-CHX-CH2-R'

ارسم أولًا الصيغة البنائية للبنتين الحلقي، ثم أضف صيغة بروميد الهيدروجين، ويمكنك من المعادلة العامة ملاحظة مكان إضافة كل من الهيدروجين والبروم على الرابطة الثنائية لتكوين هاليد الألكيل. وأخيرًا ارسم صيغة الناتج. فإذا كان عملك صحيحًا فستحصل على المعادلة الآتية:

بنتين حلقي + HBr → بروموبنتان حلقي

التقويم 5-4

الخلاصة

• يمكن تصنيف معظم تفاعلات المركبات العضوية ضمن واحد من خمسة أنواع: الاستبدال، والحذف، والإضافة، والأكسدة والاختزال، والتكثف.
• يمكن معرفة المركبات العضوية المتفاعلة من توقع نواتج التفاعل.

• الفكرة الرئيسية: صنف كل تفاعل إلى استبدال، أو تكثف، أو إضافة، أو حذف.

أ. CH3CH=CHCH2CH3 + H2 → CH3CH2CH2CH2CH3

ب. CH3CH2CH(OH)CH3 → CH3CH2CH=CHCH3 + H2O

• حدد نوع التفاعل العضوي الذي يحقق أفضل ناتج لكل عملية تحويل مما يأتي:

أ. هاليد ألكيل ← ألكين
ب. ألكين ← كحول
ج. كحول + حمض كربوكسيلي ← إستر
د. ألكين ← هاليد ألكيل

• أكمل كل معادلة مما يأتي عن طريق كتابة الصيغة البنائية للنواتج الأكثر احتمالًا:

أ. CH3CH=CHCH2CH3 + H2 →

ب. CH3CH2CH(Cl)CH2CH3 + OH- →

• توقع النواتج: فسر لماذا يؤدي إضافة الماء إلى 1-بيوتين إلى تكون نوعين من النواتج، بينما إضافة الماء إلى 2-بيوتين تكون نوعًا واحدًا من الناتج؟