Chlorowanie Benzenu: Mechanizm, Przebieg i Zastosowania
- Szczegóły
Dzisiaj omówimy mechanizmy reakcji, a w szczególności chlorowanie benzenu. Temat ten często pojawia się na egzaminach i choć wydaje się skomplikowany, na potrzeby egzaminów 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.
Mechanizm Elektrofilowy w Reakcjach Benzenu
Substytucja elektrofilowa zachodzi wtedy, kiedy podstawiamy atom wodoru z chwilowym wykorzystaniem wiązania podwójnego. Elektrofil przyłącza się do jednego z węgli, a wodór zostaje odłączony od cząsteczki benzenu.
Halogenowanie Benzenu
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.
Związki aromatyczne biorą udział w reakcjach, w których zostaje zachowany nienaruszony układ zdelokalizowanych elektronów π. 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.
Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu
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. Wyeliminowany proton rozkłada anion FeBr4-, odtwarzając katalizator (FeBr3).
Etapy Reakcji Halogenowania Benzenu
- Etap 1: Tworzenie elektrofila
- Etap 2: Tworzenie karbokationu - atak pi elektronów pierścienia aromatycznego cząsteczki benzenu na atom chloru kompleksu obdarzony ładunkiem dodatnim.
- 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).
Gdy zaś reakcję prowadzi się w warunkach sprzyjających tworzeniu wolnych rodników (światło, nadtlenki), to wówczas podstawieniu ulega atom wodoru w łańcuchu bocznym.
Przeczytaj także: Skutki chlorowania wody z fenolem
Chlorowanie Benzenu w Obecności Światła
Benzen pod wpływem światła ultrafioletowego może ulec reakcji addycji do 1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksanu. 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.
1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksan jest substancją krystaliczną o słabym zapachu stęchlizny. 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.
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, gdyż tutaj aromatyczność traci. Co ważne, jest to reakcja, która przebiega stopniowo!
Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?
tags: #chlorowanie #benzenu #mechanizm
