Chlorowanie benzenu: Mechanizm reakcji
- Szczegóły
Cząsteczki wykazują silne powinowactwo do aromatyczności, co może być siłą napędową niektórych reakcji. Powstanie produktu aromatycznego jest dla cząsteczki bardzo korzystne.
Węglowodory aromatyczne reagują w specyficzny sposób. Każdy schemat reakcji z benzenem będzie wyglądał podobnie. Jeśli jakakolwiek reakcja ma miejsce na pierścieniu benzenu, to wówczas można zaznaczyć, że reakcja będzie przebiegać zgodnie z mechanizmem elektrofilowym.
Wiemy, że benzen nie odbarwia wody bromowej, czyli samym bromem nie jest zainteresowany. Dlatego trzeba dodać katalizator, który umożliwi tę reakcję. Katalizatorem jest kwas Lewisa, jednak na maturze to raczej zawsze będzie kombinacja Br2 + FeBr3, a jeśli robimy chlorowanie to Cl2 + FeCl3. Zwróćmy uwagę, dlaczego działa np. kombinacja żelaza z bromem? Tam zwyczajnie ma miejsce reakcja, która prowadzi do utworzenia bromku żelaza(III). Więc i tak wychodzi na to samo!
Reakcja nitrowania jest dosyć prosta, jednak trzeba zapamiętać, że używamy do niej tak zwanej mieszaniny nitrującej, czyli mieszaniny kwasu azotowego(V) + kwasu siarkowego(VI). Również jest to reakcja substytucji elektrofilowej. To co jest akurat najtrudniejszego w tej reakcji to poprawne narysowanie wzoru Lewisa grupy nitrowej. Mamy tam jedno wiązanie koordynacyjne pomiędzy atomem azotu i atomem tlenu oraz jedno klasyczne wiązanie podwójne N=O i oczywiście jedno do benzenu.
Schemat reakcji sulfonowania benzenu. Nie da się nie zauważyć podobieństwa do reakcji nitrowania.
Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu
Reakcja alkilowania Friedla-Craftsa jest ekstremalnie ważna, ponieważ umożliwia nam stworzenie nowego wiązania węgiel−węgiel (C−C), czyli można przy jej pomocy rozbudować łańcuch węglowy.
Katalizatory, których używamy, nie biorą udziału w równaniu reakcji (nie widzimy ich po stronie substratów ani produktów). To jest ich ważna cecha charakterystyczna. Oczywiście katalizator jest potrzebny, żeby zapoczątkować reakcję, ale potem reakcja już sama leci, a katalizator się regeneruje i dzięki temu może wejść z powrotem do reakcji pełniąc swoją rolę. Katalizatory mają tutaj za zadanie utworzenie bardziej reaktywnych produktów pośrednich, aby wymusić reakcję na benzenie, ponieważ delokalizacja elektronów obniżała jego reaktywność.
Oczywiście reakcje, w których związek aromatyczny traci swoją aromatyczność jak najbardziej istnieją. Najprostsze byłoby całkowite uwodornienie (też nazywa się to katalityczne uwodornienie), które wymaga po prostu troszkę ostrzejszych warunków reakcji (dostosowane odpowiednio wartości ciśnienia i temperatury, szczypta katalizatora) i jak najbardziej to zajdzie.
Kwas Lewisa jest akceptorem pary elektronowej, natomiast zasada Lewisa jest dawcą tej pary elektronowej. Kwas Lewisa bierze (przyjmuje) elektrony, a zasada Lewisa te elektrony oddaje. Kwasem jest tutaj BF3 (atom boru jak pamiętamy, ma wolny orbital p, czyli miejsce na dodatkowe elektrony, którymi nie pogardzi − przecież atom boru nie ma oktetu elektronowego). Powyższa reakcja kwas − zasada opiera się na koordynowaniu wolnej pary elektronowej przez zasadę w kierunku pustego orbitalu kwasu. Powstały addukt to związek kompleksowy.
Z chemicznego punktu widzenia reakcje inicjowane światłem są kluczowe nawet dla naszego istnienia, w końcu gdyby nie proces fotosyntezy, życie na ziemi mogłoby wyglądać dosyć marnie (o ile by w ogóle istniało). W tym artykule omówimy sobie zwięźle o czterech takich reakcjach! Tak naprawdę za słowem „światło” stoi straszny termin „promieniowanie elektromagnetyczne”, które jest falą pól elektrycznego i magnetycznego. Co ważne, wszelkie promieniowanie elektromagnetyczne w próżni porusza się z niewyobrażalnie szybką prędkością 3,00 ∙ 108 m/s! Ta wyjątkowa prędkość ma nawet swój symbol „c”, tak to dokładnie to samo „c”, które występuje we wzorze E = mc2! 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.
Przeczytaj także: Skutki chlorowania wody z fenolem
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 emitowanego (lub pochłanianego przez ciało doskonale czarne).
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).
Pierwszy etap nazywamy inicjacją. 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.
Drugi etap nazywam propagacją. 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!
Ostatni, trzeci etap nazywamy terminacją. Mogliście zauważyć, że w reakcji powstaje wiele rodników (a to przecież najprostszy przypadek bo mamy tutaj tylko jeden węgiel), więc czy nie istnieją przypadki, gdzie np. dwa rodniki metylowe się ze sobą zderzą? Odpowiedź jest jasna- oczywiście, że istnieją takie przypadki! 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.
Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?
Benzen w obecności światła reaguje z chlorem dając 1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksan. 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. Co ważne, jest to reakcja, która przebiega stopniowo!
Na tapecie mechanizmy reakcji. Temat ten często pojawia się na egzaminie maturalnym i choć wydaje się skomplikowany, na potrzeby matury można go oswoić. Opanować musisz trzy rodzaje mechanizmów: rodnikowy, elektrofilowy i nukleofilowy. Ich nazwy pochodzą od czynników, które atakują cząsteczkę. Rodnik - cząsteczka lub atom zawierający niesparowany elektron. Elektrofil - coś, co “lubi” elektrony, czyli jon dodatni lub kwas Lewisa/Bronsteda.
Jeżeli czynnik atakujący szuka elektronów (bo jest to elektrofil), to od razu przychodzi na myśl wiązanie wielokrotne - w końcu nagromadzenie elektronów w jego okolicy jest bardzo duże. W chemii maturalnej reakcja addycji dotyczy w zasadzie wyłącznie alkenów i alkinów.
Addycji nukleofilowej mogą ulec związki, w których wiązanie podwójne znajduje się np. między węglem, a tlenem (grupa karbonylowa). W tym przypadku nukleofil przyłącza się do atomu węgla w tej grupie, a elektrony z wiązania π “przechodzą” na atom tlenu, tworząc na nim ładunek ujemny.
Tutaj znów przychodzi do głowy wiązanie podwójne. Ponieważ alkeny i alkiny “wykorzystaliśmy” przy addycji, zostają nam w zasadzie tylko związki aromatyczne. O substytucji elektrofilowej mówimy wtedy, kiedy podstawiamy wodór z chwilowym wykorzystaniem wiązania podwójnego. Elektrofil przyłącza się do jednego z węgli, a wodór zostaje odłączony od cząsteczki benzenu.
Jeżeli reakcja związku aromatycznego nie zachodzi w pierścieniu z podstawieniem wodoru, ale zastępujemy obecny już podstawnik innym, mówimy o substytucji nukleofilowej.
W liceum poznajesz w zasadzie jeden typ reakcji rodnikowej, a mianowicie halogenowanie (bromowanie/chlorowanie) alkanów z użyciem światła.
tags: #chlorowanie #benzenu #mechanizm #reakcji
