Chlorowanie Benzenu: Mechanizm Reakcji i Rola Światła

Szczegóły: Opublikowano: 26. November 2025

Halogenowanie jest to reakcja chemiczna polegająca na addycji (dodaniu), substytucji (podstawieniu) lub przegrupowaniu atomów pierwiastków z grupy fluorowców (halogenów) do cząsteczek związków organicznych, w wyniku czego powstają halogenopochodne.

Halogenowanie Benzenu

Związki aromatyczne biorą udział w reakcjach, w których zostaje zachowany nienaruszony układ zdelokalizowanych elektronów pi. Do takich reakcji należy substytucja elektrofilowa.

Reakcja z halogenami, a przede wszystkim z chlorem lub bromem, zachodzi w obecności kwasu Lewisa, np. FeCl₃ lub FeBr₃. W praktyce używa się metalicznego żelaza w postaci pyłu lub opiłków. Żelazo reaguje z bromem lub chlorem, tworząc chlorek lub bromek żelaza(III). W reakcji tej tworzą się m.in. odpowiednie halogenopochodne benzenu - chlorobenzen lub bromobenzen.

Mechanizm Katalitycznego Halogenowania Benzenu

Reakcja przebiega w trzech etapach: tworzenie elektrofila, tworzenie kompleksu sigma oraz odtworzenie układu aromatycznego i katalizatora. W wyniku oddziaływania chmury elektronów π układu aromatycznego z powstałą (z bromu i FeBr₃) parą jonową, powstaje kompleks zwany kompleksem π. W kolejnym etapie tworzy się wiązanie sigma między elektrofilem a jednym z atomów węgla układu aromatycznego.

W powstałym kompleksie (zwanym kompleksem sigma) atom węgla, wiązany z elektrofilem, zmienia hybrydyzację z sp² na sp³, a ładunek dodatni jest w nim zdelokalizowany pomiędzy pozostałe pięć atomów węgla. Ostatnim etapem jest eliminacja protonu, połączona z aromatyzacją układu cyklicznego.

Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu

Etapy Reakcji:

Etap 1: Tworzenie elektrofila
Cząsteczka halogenku zbudowana z atomu X połączonego za pomocą wiązania pojedynczego z drugim atomem X. Na każdym atomie X zaznaczono po trzy wolne pary elektronowe symbolizowane przez sześć kropek. Dodaje się cząsteczkę halogenku żelaza(III) FeX₃. Od wolnej pary elektronowej na jednym z atomów X poprowadzono łukowatą strzałką do atomu żelaza. Kompleks składa się z atomu X obdarzonego cząstkowym ładunkiem dodatnim połączony przerywaną linią z drugim atomem X, który to łączy się również przerywaną linią z atomem żelaza podstawionym trzema atomami X. Atom żelaza obdarzony jest ładunkiem ujemnym.
Etap 2: Tworzenie karbokationu
Następuje atak pi elektronów pierścienia aromatycznego cząsteczki benzenu na atom chloru kompleksu obdarzony ładunkiem dodatnim. Za strzałką znajduje się karbokation, który to zbudowany jest z sześcioczłonowego pierścienia, w którym atom węgla podstawiony atomem X sąsiaduje z atomem węgla obdarzonym ładunkiem dodatnim. W pierścieniu występują dwa wiązania podwójne jedno pomiędzy atomem węgla sąsiadującym z centrum karbokationowym oraz atomem węgla bardziej oddalonym od tegoż centrum. Powoduje to utworzenie struktur rezonansowych.
Etap 3: Odtworzenie układu aromatycznego i katalizatora
Wolna para elektronowa atomu X w kompleksie FeX₄^- atakuje proton w pierścieniu, co odtwarza strukturę aromatyczną oraz katalizator z jednoczesnym utworzeniem cząsteczki HX.

Halogenowanie Pochodnych Benzenu

W przypadku związków aromatycznych z bocznym łańcuchem alkilowym (np. toluenu), podczas reakcji w obecności katalizatora (FeCl₃) następuje podstawienie pierścienia aromatycznego w pozycje orto i para (powstają dwa izomery).

Chlorowanie Benzenu w Obecności Światła

Benzen pod wpływem światła ultrafioletowego może ulec reakcji addycji do 1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksanu. Jest to reakcja addycji, która przebiega bardzo nietypowo jak na związek aromatyczny (który „chroni się” za wszelką cenę, aby nie stracić aromatyczności), gdyż tutaj aromatyczność traci.

Przeczytaj także: Skutki chlorowania wody z fenolem

Reakcję tę po raz pierwszy przeprowadził Michael Faraday w 1825 roku.

1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksan (lidan) jest powszechnie stosowany jako pestycyd, a także jako aktywny składnik preparatów do zwalczania szkodników, głównie w leśnictwie i w uprawach roślin przemysłowych. Wykazuje on właściwości owadobójcze, z tego powodu stosowano go do ochrony zielników przed owadami. W medycynie jest wykorzystywany jako lek do stosowania zewnętrznego przeciw wszawicy i świerzbowi.

Rola Światła w Reakcjach Chemicznych

Wpływ światła na nasze życie jest bezdyskusyjny. Z chemicznego punktu widzenia reakcje inicjowane światłem są kluczowe nawet dla naszego istnienia. Światło jest formą energii i dostarcza do układu reakcyjnego energii, która rozbija niektóre cząsteczki bromu lub chloru na atomy.

Podstawy Fizyczne Światła

Tak naprawdę za słowem „światło” stoi termin „promieniowanie elektromagnetyczne”, które jest falą pól elektrycznego i magnetycznego. Wszelkie promieniowanie elektromagnetyczne w próżni porusza się z prędkością 3,00 ∙ 10⁸ m/s! Światło jest falą co oznacza, że ma swoją częstotliwość. W zależności od częstotliwości możemy je podzielić między innymi na światło widzialne, mikrofale, promieniowanie ultrafioletowe (UV) czy promieniowanie podczerwone. Istotną zależnością światła jest to, że im ma większą częstotliwość tym ma większą energię.

Foton jest najmniejszą porcją energii fali elektromagnetycznej, którą wyrażamy wzorem E = h𝝂, gdzie E oznacza energię, h to stała Plancka (6,626 070 15⋅10^-34 J⋅s) a 𝝂 oznacza częstotliwość promieniowania.

Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?

Fotosynteza (Oksygeniczna)

W ogromnym uproszczeniu dwutlenek węgla reaguje z wodą pod wpływem światła dzięki czemu otrzymujemy glukozę i tlen. Woda w tym procesie jest istotna, gdyż jest źródłem jonów wodorowych H⁺, które następnie biorą udział w reakcji red-ox, redukując tym samym dwutlenek węgla. W samej reakcji fotosyntezy nie bierze udział dowolne światło (lecz światło o konkretnej długości). A to wszystko za sprawą barwników (takich jak np. chlorofil czy karoten), które pochłaniają (absorbują) tylko wybrane długości światła, które dostarczają energię potrzebną do zajścia fotosyntezy.

Halogenowanie Alkanów

Chlorowanie (halogenowanie) alkanów poznajemy zazwyczaj na początku naszej przygody z chemią organiczną. Zazwyczaj nad strzałką zapisujemy albo słownie „światło”, lub to tajemnicze h𝝂. Co istotne (względem matury) jest to, że reakcja przebiega według mechanizmu substytucji rodnikowej. Sama reakcja składa się z 3 etapów (inicjacji, propagacji i terminacji).

Inicjacja: Tutaj światło (a dokładniej światło ultrafioletowe o długości od 100nm do 400nm) gra kluczową rolę, gdyż rozbija nam chlor cząsteczkowy na dwa rodniki chlorowe, jest to tak zwany rozpad homolityczny.
Propagacja: W pierwszym etapie propagacji rodniki reagują (w tym przykładzie) z cząsteczką metanu odrywając od niego atom wodoru tworząc HCl oraz rodnik metylowy. Następnie rodnik metylowy reaguje z cząsteczką chloru tworząc chlorometan i nowy rodnik chlorowy, który ponownie uczestniczy w pierwszym etapie propagacji. Taką reakcję nazywamy reakcją łańcuchową!
Terminacja: W reakcji powstaje wiele rodników, więc istnieją przypadki, gdzie np. dwa rodniki metylowe się ze sobą zderzą. Ten etap zachodzi jednak dosyć rzadko, ponieważ stężenie rodników w dowolnym momencie reakcji jest dosyć niskie i prawdopodobieństwo zderzenia się dwóch rodników jest również małe.

tags: #chlorowanie #benzenu #mechanizm #reakcji