Chlorowanie Toluenu w Obecności Opiłków Żelaza: Mechanizm i Reakcje
- Szczegóły
Halogenowanie 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.
- 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.
Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu
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.
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 połączonego 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).
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. 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
Światło jest formą energii i dostarcza do układu reakcyjnego energii, która rozbija niektóre cząsteczki bromu lub chloru na atomy. 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!
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).
Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?
- 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.
tags: #chlorowanie #toluenu #w #obecności #opiłków #żelaza
