هاليدات الألكيل وهاليدات الأريل

5-1

هاليدات الألكيل وهاليدات الأريل

Alkyl Halides and Aryl Halides

الأهداف

• تتعرف المجموعة الوظيفية، وتعطي أمثلة عليها.
• تقارن بين تراكيب هاليدات الألكيل وهاليدات الأريل.
• تقوّم درجة غليان الهاليدات العضوية.

مراجعة المفردات

المركب الأليفاتي: مركب هيدروكربوني غير عطري، مثل الألكانات، والألكينات، والألكاينات.

المفردات الجديدة

• المجموعة الوظيفية
• هاليدات الألكيل
• هاليدات الأريل
• البلاستيك
• تفاعلات الاستبدال
• الهلجنة

الفكرة الرئيسية

يمكن أن تحل ذرة هالوجين محل ذرة هيدروجين في بعض المركبات الهيدروكربونية.

الربط مع الحياة

إذا كنت تلعب ضمن فريق، فأي اللاعبين يمكن تغييره في أثناء اللعب؟ يمكن على سبيل المثال تغيير اللاعب الذي يشعر بالإرهاق. نلاحظ أن خواص الفريق قد تتغير بعد عملية الاستبدال.

المجموعات الوظيفية

Functional Groups

من المعروف أن ذرات الكربون في الهيدروكربونات ترتبط فقط مع ذرة كربون أخرى أو ذرات هيدروجين. ولكن يمكن لذرة الكربون أيضًا أن تكون رابطة تساهمية قوية مع عناصر أخرى، ومن أكثرها شيوعًا الأكسجين والنيتروجين والفلور والكلور والبروم واليود والكبريت والفوسفور.

وتوجد ذرات هذه العناصر في المواد العضوية بوصفها جزءًا من المجموعات الوظيفية. والمجموعة الوظيفية في المركبات العضوية هي ذرة أو مجموعة من الذرات تكسب جزيء المركب خصائص كيميائية وفيزيائية مميزة. وعندما تحتوي المواد الهيدروكربونية على مجموعات وظيفية للمركبات الهيدروكربونية تنتج دائمًا مواد لها خواص فيزيائية وكيميائية مختلفة عن المركبات الهيدروكربونية الأصلية. والمواد الظاهرة في الشكل 5-1 صناعية كانت أم طبيعية، جميعها تحتوي على مجموعات وظيفية تكسبها خواص فريدة تميزها، ومنها الرائحة مثلًا.

ويبين الجدول 5-1 المركبات العضوية التي تحتوي على أكثر من مجموعة وظيفية. ويمثل الرمز R أو R' سلسلة أو حلقة من الكربون مرتبطة مع المجموعة الوظيفية. تذكر أن كلًا من الرابطتين الثنائية والثلاثية بين ذرات الكربون تعد مجموعات وظيفية، على الرغم من وجود ذرات كربون وهيدروجين فقط. ومن خلال معرفة خواص المجموعة الوظيفية يمكنك توقع خواص المركبات العضوية التي تحتوي عليها، حتى لو لم تكن تعلمتها سابقًا.

الشكل 5-1

جميع هذه المواد تحتوي على نوع واحد - على الأقل - من المجموعات الوظيفية التي ستدرسها في هذا الفصل. فعلى سبيل المثال يكون للفواكه رائحة مميزة جدًا إلى وجود جزيئات الإستر في هذه المواد.

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

صور الصفحة:

• الجدول_5-1_المركبات_العضوية_ومجموعاتها_الوظيفية.png
• الشكل_5-2_كلوروميثان_وهاليد_الألكيل_في_المواد_اللاصقة.png

الجدول 5-1

المركبات العضوية ومجموعاتها الوظيفية

| نوع المركب | الصيغة العامة | المجموعة الوظيفية |
| -------------------- | ------------------------------------------------- | ----------------- |
| هاليدات الألكيل | R-X (X = F, Cl, Br, I) | الهالوجين |
| هاليدات الأريل | Ar-X أو حلقة بنزين مرتبطة بـ X (X = F, Cl, Br, I) | الهالوجين |
| الكحولات | R-OH | الهيدروكسيل |
| الإيثرات | R-O-R' | الإيثر |
| الأمينات | R-NH2 | الأمين |
| الألدهيدات | R-CHO | الكربونيل |
| الكيتونات | R-CO-R' | الكربونيل |
| الأحماض الكربوكسيلية | R-COOH | الكربوكسيل |
| الإسترات | R-COO-R | الإستر |
| الأميدات | R-CONH-R | الأميد |

مركبات عضوية تحتوي على الهالوجينات

Organic Compounds Containing Halogens

الهالوجينات هي أبسط المجموعات التي يمكن أن تفكر فيها على أنها مجموعات وظيفية مرتبطة مع الهيدروكربونات؛ فإذا حلت ذرة هالوجين محل أي ذرة هيدروجين من الألكانات ينتج هاليد الألكيل.

وهاليدات الألكيل مركبات عضوية تحتوي على ذرة هالوجين أو أكثر مرتبطة برابطة تساهمية مع ذرة كربون أليفاتية. وتعد الهالوجينات الأربعة الأولى: الفلور، والكلور، والبروم، واليود في العديد من المركبات العضوية. وعلى سبيل المثال، فإن الكلوروميثان هو هاليد ألكيل يتكون عندما تحل ذرة كلور محل ذرة من ذرات الهيدروجين الأربع في الميثان، كما هو موضح في الشكل 5-2.

الشكل 5-2

الكلوروميثان هو هاليد الألكيل، ويستعمل في صناعة المواد اللاصقة المعروفة تجاريًا بالسليكون، لتثبيت الأبواب والنوافذ.

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

صور الصفحة:

• الشكل_5-3_تسمية_هاليدات_الألكيل_والأريل.png
• مسائل_تدريبية_تسمية_هاليدات_الألكيل_والأريل.png

هاليدات الأريل

هاليدات الأريل مركبات عضوية تتكون من هالوجين يرتبط مع حلقة البنزين أو مجموعة أروماتية أخرى. وتكتب الصيغة البنائية لهاليدات الأريل برسم المركب الأروماتي أولًا، ثم استبدال ذرات الهيدروجين بذرات الهالوجين بشكل محدد، كما في الشكل 5-3a.

الربط مع علوم الأرض

تستعمل هاليدات الألكيل على نطاق واسع في المبردات وأنظمة التكييف على شكل كلوروفلوروكربونات CFCs. وقد بقيت كذلك حتى أواخر الثمانينيات. ومعلوم أن CFCs يؤثر في طبقة الأوزون. وقد استبدلت الفلوروكلوروكربون (CFCs) بالهيدروفلوروكربون (HFCs)؛ حيث تحتوي فقط على ذرات الهيدروجين والفلور المرتبطة مع الكربون. ومن أكثر مركبات HFCs شيوعًا 1،1،2-ثلاثي فلوروإيثان.

تسمية هاليدات الألكيل

تسمى المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعات وظيفية وفق طريقة IUPAC اعتمادًا على السلسلة الرئيسة للألكان. أما هاليدات الألكيل فيدل المقطع الأول على اسم الهالوجين مع إضافة حرف (و) في نهاية الاسم. لذا يكون المقطع الأول للفلور هو فلورو، والكلور هو كلورو، والبروم هو برومو، واليود هو أيودو، كما هو مبين في الشكل 5-3b.

في حالة وجود أكثر من ذرة هالوجين في الجزيء نفسه ترتب أسماء الذرات أبجديًا بحسب ترتيب الأحرف الإنجليزية. ويجب ترقيم السلسلة بحيث يعطي أقل رقم لموقع الذرة المرتبطة بذرة الهالوجين بحسب الترتيب الأبجدي. لاحظ كيفية تسمية هاليدات الألكيل في الشكل 5-3c. وبالطريقة نفسها ترقم حلقة البنزين في هاليدات الأريل لإعطاء أقل رقم لكل موقع بحسب الترتيب الأبجدي؛ بحيث يكون أقل رقم للذرة التي تأتي أولًا، كما في الشكل 5-3d.

ماذا قرأت؟ استنتج لماذا يتم وضع أقل قيمة رقمية عند تسمية هاليد الأريل بدلًا من استعمال الترقيم العشوائي؟

الشكل 5-3

تحتوي الجزيئات العضوية على مجموعات وظيفية، تسمى اعتمادًا على تركيب سلسلة الألكان، ووفق النظام الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC).

أمثلة الشكل:

• كلورو بنزين.
• فلورو إيثان.
• 2،1-ثنائي فلورو بروبان.
• 1-برومو-3-كلورو-2-فلورو بيوتان.
• فلورو بنزين.
• 1-برومو-3،5-ثنائي أيودو بنزين.

مسائل تدريبية

سمِّ هاليدات الألكيل أو الأريل التي لها الصيغ البنائية الآتية:

• صيغة ألكيل تحتوي على أربع ذرات كربون وذرتي فلور متصلتين بالسلسلة.
• صيغة ألكيل تحتوي على ذرة كلور في الطرف وذرة بروم في الطرف الآخر.
• حلقة بنزين مرتبطة بذرات بروم وكلور وبروم في مواقع مختلفة.

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

صور الصفحة:

• الجدول_5-2_مقارنة_بين_هاليدات_الألكيل_والألكانات_المقابلة.png
• الشكل_5-4_تفلون_PTFE_مادة_غير_لاصقة.png

الجدول 5-2

مقارنة بين هاليدات الألكيل والألكانات المقابلة لها

| الاسم الكيميائي | الصيغة الكيميائية | درجة الغليان (°C) | الكثافة (g/ml) في الحالة السائلة |
| --------------- | ----------------- | ----------------: | -------------------------------: |
| ميثان | CH4 | -162 | 0.423 عند -162°C |
| كلورو ميثان | CH3Cl | -24 | 0.911 عند 25°C |
| بنتان | CH3CH2CH2CH2CH3 | 36 | 0.626 |
| 1-فلورو بنتان | CH3CH2CH2CH2CH2F | 62.8 | 0.791 |
| 1-كلورو بنتان | CH3CH2CH2CH2CH2Cl | 108 | 0.882 |
| 1-برومو بنتان | CH3CH2CH2CH2CH2Br | 130 | 1.218 |
| 1-أيودو بنتان | CH3CH2CH2CH2CH2I | 155 | 1.516 |

خواص واستعمالات هاليدات الألكيل

يبين الجدول 5-2 مقارنة في بعض الخواص الفيزيائية لعدد من هاليدات الألكيل والألكانات المقابلة لها.

لاحظ أن درجة غليان وكثافة كل كلوريد الألكيل أعلى من درجة غليان وكثافة الألكان الذي يحتوي على عدد ذرات الكربون نفسها. لاحظ أيضًا أن درجة الغليان والكثافة تزداد عند الانتقال على الهالوجينات من الفلور إلى اليود. ويعود السبب في ذلك إلى أنه عند الانتقال من الفلور إلى اليود يزداد عدد الإلكترونات الخارجية البعيدة عن النواة، وتقل طاقة الإلكترونات التي تربط مكانها بسهولة. ونتيجة لذلك تزداد قوى هاليدات الألكيل لتكوين مركبات ثنائية القطب مؤقتة. ولأن الأقطاب تتجاذب معًا فتزداد الطاقة اللازمة لفصل الجزيئات بعضها عن بعض، وكذلك تزداد درجة غليان هاليدات الألكيل بازدياد حجم ذرة الهالوجين.

ماذا قرأت؟ اشرح العلاقة بين عدد الإلكترونات في الهالوجين ودرجة الغليان.

على الرغم من أن هرمونات الغدة الدرقية في الإنسان تحتوي على يود عضوي إلا أنه من النادر أن يتم العثور على الهاليدات العضوية في الطبيعة. إن ذرات الهالوجين التي ترتبط بذرات الكربون في هاليدات الهيدروكربون نشطة ومستقرة. ولهذا السبب فإن هاليدات الألكيل لها استعمالات كثيرة في الصناعات الكيميائية بوصفها مذيبات ومواد تنظيف؛ لأنها تذيب الجزيئات غير القطبية بسهولة، ومنها الدهون والزيوت.

ويظهر الشكل 5-4 تطبيقات رباعي فلورو بولي إيثين (PTFE). إذ يتم تصنيع هذا النوع من البلاستيك من ذرات فلورو إيثين. ويمكن تسخين البلاستيك وتشكيله عندما يكون لينًا. وهناك بلاستيك آخر شائع يسمى الفينيل، وهو كلوريد البولي فينيل (PVC) الذي يمكن صنعه في صورة لينة أو صلبة، ويمكن تشكيله على شكل صفائح رقيقة، أو نماذج للألعاب.

ماذا قرأت؟ اشرح لماذا تستعمل هاليدات الألكيل في الصناعات الكيميائية بوصفها مواد أولية بدلًا من الألكانات؟

الشكل 5-4

رباعي فلورو بولي إيثين (PTFE) يحتوي على حلقات من الوحدات، ويوفر سطحًا غير لاصق لكثير من أدوات المطبخ، ومن ذلك أدوات الخبز.

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

• الجدول_5-3_تفاعلات_الاستبدال.png
• الشكل_5-5_عمال_حقول_النفط_ومصدر_المركبات_العضوية.png

الجدول 5-3

تفاعلات الاستبدال

| تفاعلات الاستبدال العامة لتكوين هاليدات الألكيل | مثال على تفاعلات الاستبدال (الهلجنة) |
| ----------------------------------------------- | ------------------------------------ |
| R-CH3 + X2 → R-CH2X + HX | C2H6 + Cl2 → C2H5Cl + HCl |
| حيث X فلور، أو كلور، أو بروم | إيثان → كلورو إيثان |

| تفاعلات تكوين الكحولات | مثال على تفاعلات تكوين الكحولات |
| ---------------------- | ------------------------------- |
| R-X + OH- → R-OH + X- | CH3CH2Cl + OH- → CH3CH2OH + Cl- |
| هاليد ألكيل → كحول | إيثانول |

| تفاعلات تكوين الأمينات | مثال على تفاعلات تكوين الأمينات |
| ---------------------- | -------------------------------------------- |
| R-X + NH3 → R-NH2 + HX | CH3(CH2)6CH2Br + NH3 → CH3(CH2)6CH2NH2 + HBr |
| هاليد ألكيل → أمين | 1-برومو أوكتان → أوكتيل أمين |

تفاعلات الاستبدال

Substitution Reactions

من أين يأتي التنوع الهائل للمركبات العضوية؟ بعد البترول المصدر الأول لجميع المركبات العضوية الصناعية. ويظهر الشكل 5-5 عمال حقول النفط وهم ينقبون عن النفط، وهو أحد أشكال الوقود الأحفوري الذي يتألف معظمه من مواد هيدروكربونية تقريبًا، وبخاصة الألكانات. كيف يمكن تحويل الألكانات إلى مركبات مختلفة مثل هاليدات الألكيل والكحولات والأمينات؟

من طرائق إحداث التغيير المجموعة الوظيفية تفاعلات الاستبدال كما هو مبين في الجدول 5-3. وفي تفاعلات الاستبدال تحل ذرة أو مجموعة ذرة محل ذرة أو مجموعة ذرية أخرى في المركب. وفي حالة الألكانات، يمكن أن تحل ذرة هالوجين - مثل الكلور أو البروم - محل ذرة هيدروجين في عملية تسمى الهلجنة. ويوضح الجدول 5-3 أحد الأمثلة على عملية الهلجنة، إذ يتم استبدال ذرة هيدروجين بذرة كلور في مركب الإيثان. ويبين الشكل 5-6 نوعًا آخر من الهيدروكربونات المهلجنة يسمى الهالوثان (2-برومو-2-كلورو-1،1،1-ثلاثي فلورو إيثان)، والذي استعمل أول مرة للتخدير في خمسينيات القرن العشرين. يفسر الجدول 5-3 المعادلات العامة لتفاعلات الاستبدال، حيث إن X تكون ذرة هالوجين. ففي هذا التفاعل تستعمل ذرات الفلور أو الكلور أو البروم، ولكن ليس اليود؛ لأن اليود لا يتفاعل جيدًا مع الألكانات.

ماذا قرأت؟ ارسم الصيغة البنائية للهالوثان.

الشكل 5-5

عمال حقول النفط ينقبون عن البترول، ويمكن استخراج ما يزيد على 100 ألف برميل يوميًا من بئر النفط الواحد.

اشرح العلاقة بين النفط والمركبات العضوية الصناعية.

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

صور الصفحة:

• الشكل_5-6_استعمال_الهالوثان_في_الطب.png
• مطويات_قسم_هاليدات_الألكيل_وهاليدات_الأريل.png
• تقويم_5-1_هاليدات_الألكيل_وهاليدات_الأريل.png

الشكل 5-6

استعمل الهالوثان في الطب في خمسينيات القرن الماضي مخدرًا عامًا للمرضى عند إجراء العمليات الجراحية.

تفاعلات استبدال أخرى

عندما تتم هلجنة الألكانات يصبح هاليد الألكيل الناتج قابلًا للدخول في تفاعل استبدال آخر؛ حيث تحل ذرة أو مجموعة من الذرات محل ذرة الهالوجين. على سبيل المثال، تتفاعل هاليدات الألكيل مع المحاليل القاعدية، حيث تحل مجموعة OH- محل ذرة الهالوجين لينتج الكحول. ويبين الجدول 5-3 المعادلة العامة لتفاعل هاليد ألكيل مع محلول قاعدي بالإضافة إلى مثال على هذا التفاعل.

كما يؤدي تفاعل هاليد الألكيل مع الأمونيا NH3 إلى أن تحل مجموعة الأمين -NH2 محل ذرة الهالوجين لينتج الألكيل أمين، كما هو مبين في الجدول 5-3.

المطويات

ضمّن مطويتك معلومات من هذا القسم.

التقويم 5-1

الخلاصة

• يؤدي حلول مجموعات وظيفية محل ذرة هيدروجين في هيدروكربونات إلى تكوين مجموعة كبيرة من المركبات العضوية.
• هاليد الألكيل مركب عضوي يحتوي على واحد أو أكثر من ذرات الهالوجين المرتبطة مع ذرة كربون في مركب أليفاتي.

• الفكرة الرئيسية: قارن بين مختلف هاليدات الألكيل وهاليدات الأريل؟

• ارسم الصيغ البنائية لكل مما يأتي:

أ. 2-كلورو بيوتان.
ب. 1،1،1-ثلاثي كلورو إيثان.
ج. 1،3-ثنائي فلورو هكسان.
د. 4-برومو-1-كلورو بنزين.

• عرّف مجموعة الهالوجين ثم سم المجموعة الوظيفية في كل من الصيغ البنائية الآتية، ثم سم نوع المركب العضوي لكل منها:

أ. CH3CH2CH2OH
ب. CH3CHF
ج. CH3CH2NH2
د. CH3COOH

• قوّم: كيف يمكن توقع درجة غليان البروبان و1-كلورو بروبان عند إجراء مقارنة بينهما؟ فسر إجابتك.