Chlorowanie Benzenu z FeCl3: Mechanizm Reakcji

Szczegóły: Opublikowano: 03. 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.

Halogenowanie benzenu

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).

Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu

Etapy reakcji:

Etap 1: Tworzenie elektrofila
Ilustracja przedstawia etap tworzenia 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. Dodać cząsteczka halogenku żelaza(III) FeX₃. Od wolnej pary elektronowej na jednym z atomów X poprowadzono łukowatą strzałką do atomu żelaza. Strzałki równowagowe, za strzałkami kompleks składający 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
Ilustracja przedstawia etap tworzenia karbokationu, w którym to następuje atak pi elektronów pierścienia aromatycznego cząsteczki benzenu na atom chloru kompleksu obdarzony ładunkiem dodatnim, co przedstawiono jako poprowadzoną od wiązania podwójnego w pierścieniu aromatycznym łukowatą strzałkę do atomu X obdarzonego ładunkiem dodatnim. Strzałka w prawo, pod którą znajduje się zapis minus FeX₄^-. 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. Od niego poprowadzona jest łukowata strzałka do centrum karbokationowego symbolizująca ruch elektronów. Strzałka reprezentująca tworzenie drugiej struktury rezonansowej, która to składa się z sześcioczłonowego pierścienia, w którym atom halogenu X znajduje się w pozycji czwartej względem centrum karbokationowego, dwa wiązania podwójne znajdują się po przeciwnych stronach sześcioczłonowego pierścienia i łączą atomy węgla sąsiadujące z atomem węgla podstawionym atomem X oraz atomem węgla stanowiącym centrum karbokationowe. Od wiązania podwójnego poprowadzono łukowatą strzałkę do centrum karbokationowego, ruch elektronów spowodował utworzenie trzeciej struktury rezonansowej (ruch ten zachodzi po kolei w jedną stronę, tutaj zgodnie z ruchem wskazówek zegara, ale można sobie wyobrazić sytuację odwrotną). W ostatniej strukturze zaznaczono przy węglu podstawionym atomem X również znajdujący się tam atom wodoru. Od wiązania łączącego atom węgla i wspomniany atom wodoru poprowadzono łukowatą strzałką do centrum karbokationowego, co powoduje odtworzenie charakteru aromatycznego pierścienia oraz odejście protonu.
Etap 3: Odtworzenie układu aromatycznego i katalizatora
Ilustracja przedstawiająca ostatni etap, w którym to ma miejsce odtworzenie układu aromatycznego oraz katalizatora. Wolna para elektronowa atomu X w kompleksie FeX₄^- atakuje proton w pierścieniu, co odtwarza strukturę aromatyczną oraz katalizator z jedoczesnym 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.

Halogenowanie pochodnych benzenu

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.

Reakcja addycji benzenu

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.

1,2,3,4,5,6-heksachlorocykloheksan (lidan)

Ogólnie katalizatory mają tutaj za zadanie utworzenie bardziej reaktywnych produktów pośrednich, aby wymusić reakcję na benzenie, ponieważ jak wiemy, delokalizacja elektronów obniżała jego reaktywność.

Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?

tags: #chlorowanie #benzenu #z #fecl3 #mechanizm #reakcji