Skip to content · ⁨الانتقال إلى المحتوى⁩

Hydrocarbons · ⁨الهيدروكربونات⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩ · Topic 30 · ⁨الموضوع 30⁩

Video lesson for this topic · ⁨درس فيديو لهذا الموضوع⁩ Open the video page · ⁨افتح صفحة الفيديو⁩
7:42

الهيدروكربونات (A2): الأرينات

ماء البروم البرتقالي هو الاختبار الكلاسيكي للرابطة المزدوجة. هزه مع ألكين،ختفي اللون البرتقالي فوراً. الآن هز نفس ماء البروم بالضبط…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية⁩

30.1

Arenes · ⁨المركبات العطرية⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩
English
  1. describe the chemistry of arenes as exemplified by the following reactions of benzene and methylbenzene: (a) substitution reactions with $\text{Cl}_2$ and with $\text{Br}_2$ in the presence of a catalyst, $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$, to form halogenoarenes (aryl halides) (b) nitration with a mixture of concentrated $\text{HNO}_3$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ at a temperature between $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ and $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) Friedel–Crafts alkylation by $\text{CH}_3\text{Cl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (d) Friedel–Crafts acylation by $\text{CH}_3\text{COCl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (e) complete oxidation of the side-chain using hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid to give a benzoic acid (f) hydrogenation of the benzene ring using $\text{H}_2$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat to form a cyclohexane ring
  2. describe the mechanism of electrophilic substitution in arenes: (a) as exemplified by the formation of nitrobenzene and bromobenzene (b) with regards to the effect of delocalisation (aromatic stabilisation) of electrons in arenes to explain the predomination of substitution over addition
  3. predict whether halogenation will occur in the side-chain or in the aromatic ring in arenes depending on reaction conditions
  4. describe that in the electrophilic substitution of arenes, different substituents direct to different ring positions (limited to the directing effects of $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ and $-\text{COR}$)
العربية
  1. صف كيمياء المركبات العطرية كما تجلى في تفاعلات البنزين وتولوينيلي التالية: (أ) تفاعلات الاستبدال مع $\text{Cl}_2$ ومع $\text{Br}_2$ في وجود عامل حفاز، $\text{AlCl}_3$ أو $\text{AlBr}_3$، لتكوين هالوجين عطري (هاليد أريل) (ب) النترسة بمزيج من $\text{HNO}_3$ مركز و$\text{H}_2\text{SO}_4$ مركز عند درجة حرارة بين $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ و$60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (ج) ألكلة فريدل-كرافتس بواسطة $\text{CH}_3\text{Cl}$ و$\text{AlCl}_3$ والحرارة (د) أسيلة فريدل-كرافتس بواسطة $\text{CH}_3\text{COCl}$ و$\text{AlCl}_3$ والحرارة (هـ) الأكسدة الكاملة للسلسلة الجانبية باستخدام $\text{KMnO}_4$ القلوي الساخن ثم حميد مخفف للحصول على حمض البنزويك (و) الهدرجة لحلقة البنزين باستخدام $\text{H}_2$ و$\text{Pt/Ni}$ المحفز والحرارة لتكوين حلقة سيكلوهكسان
  2. صف آلية الاستبدال الإلكتروفي في المركبات العطرية: (أ) كما تجلى في تكوين نيتروبنزين وبروموبنزين (ب) فيما يتعلق بتأثير اللامركزية (التثبيت العطري) للإلكترونات في المركبات العطرية لتفسير سيطرة الاستبدال على الإضافة
  3. تنبأ بما إذا كان会发生 الهلجنة في السلسلة الجانبية أو في الحلقة العطرية في المركبات العطرية اعتماداً على ظروف التفاعل
  4. صف أنه في الاستبدال الإلكتروفي للمركبات العطرية، توجه المستبدلات المختلفة إلى مواقع مختلفة في الحلقة (مقتصر على تأثيرات التوجيه لـ $-\text{NH}_2$، $-\text{OH}$، $-\text{R}$، $-\text{NO}_2$، $-\text{COOH}$ و$-\text{COR}$)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨المصدر: منهج كامبريدج الدولي⁩

English

Arenes 芳烃 are aromatic hydrocarbons, built on the benzene 苯 ring. The delocalised ring of electrons is stable and electron-rich, so benzene mostly reacts by electrophilic substitution 亲电取代 — keeping the ring — rather than by addition.

Reactions of benzene and methylbenzene

Reaction Reagents and conditions Product
halogenation $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$, with $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ as a catalyst 催化剂 a halogenoarene 卤代芳烃 (aryl halide)
nitration 硝化 concentrated $\text{HNO}_3$ + concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$ nitrobenzene
Friedel–Crafts alkylation 傅克烷基化 $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat methylbenzene (adds an alkyl group)
Friedel–Crafts acylation 傅克酰基化 $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat a phenyl ketone (adds an acyl group)
side-chain oxidation hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid benzoic acid 苯甲酸
hydrogenation 氢化 $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat cyclohexane

In the side-chain oxidation, the whole side-chain 侧链 (such as the $\text{–CH}_3$ on methylbenzene) is turned into a $\text{–COOH}$ group, giving benzoic acid. In the hydrogenation, three molecules of $\text{H}_2$ add to the benzene ring 苯环 to make a saturated cyclohexane ring.

The mechanism: electrophilic substitution

Take nitration as the example. The acid mix makes the electrophile $\text{NO}_2^+$. Then:

  1. the delocalised electrons of the ring form a bond to the electrophile, giving an unstable intermediate.
  2. an $\text{H}^+$ is lost from that carbon, which restores the stable ring.

Substitution wins over addition because the delocalisation 离域 (aromatic stabilisation) of the ring is kept. Addition would destroy this stable system, so it is not favoured.

Side-chain or ring?

Where a halogen reacts depends on the conditions:

  • with a halogen-carrier catalyst (such as $\text{AlCl}_3$) and no UV light → substitution in the ring.
  • with UV light and no catalyst → free-radical substitution in the side-chain.

Directing effects

A group already on the ring decides where the next group goes — its directing effect 定位效应:

Group already present Directs the new group to
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ positions 2 and 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ position 3

Worked example. Methylbenzene and nitrobenzene are each nitrated. Predict where the new $\text{NO}_2$ group goes, and which compound reacts faster. Look at the group already on the ring. In methylbenzene the $\text{–CH}_3$ is an alkyl group: it directs the new group to positions 2 and 4, and it releases electrons into the ring, making the ring more attractive to an electrophile - so methylbenzene nitrates faster than benzene. In nitrobenzene the $\text{–NO}_2$ directs to position 3, and it withdraws electrons from the ring - so nitrobenzene nitrates more slowly than benzene. The group already present controls both the position and the rate, and the two always travel together: 2,4-directors activate the ring, 3-directors deactivate it.

العربية

المركبات العطرية هي هيدروكربونات عطرية، مبنية على حلقة البنزين. الحلقة المجهردة للإلكترونات مستقرة وغنية بالإلكترونات، لذا يتفاعل البنزين في الغالب عبر الاستبدال الإلكتروني — مع الحفاظ على الحلقة — بدلاً من الإضافة.

كومة من كرات طارد الحشرات البيضاء
النافتالين، المستخدم في حبوب طاردات العث، هو مركب عطري بسيط — حلقتا بنزين ملتصقتان معًا

تفاعلات البنزين وثنائي ميثيل البنزين

التفاعل الكواشف والشروط الناتج
الهلجنة $\text{Cl}_2$ أو $\text{Br}_2$، مع $\text{AlCl}_3$ أو $\text{AlBr}_3$ كـ عامل حفاز هالوجين أرين (هاليد أريل)
النترتة $\text{HNO}_3$ مركّز + $\text{H}_2\text{SO}_4$ مركّز، $25$–$60\,°\text{C}$ نيتروبينزين
ألكلة فريدل-كرافتس $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$، حرارة ميثيل بينزين (يضيف مجموعة ألكيل)
أسيلة فريدل-كرافتس $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$، حرارة كيتون فينيل (يضيف مجموعة أسيل)
أكسدة السلسلة الجانبية $\text{KMnO}_4$ قاعدي ساخن، ثم حميد مخفف حمض البنزويك
الإهدار $\text{H}_2$، محفز $\text{Pt/Ni}$، حرارة حلقي الهكسان
تضيف ألكلة فريدل-كرافتس مجموعة ألكيل؛ الأسيلة تضيف مجموعة أسيل
فريدل-كرافتس: الألكيلة تضيف مجموعة ألكيل، والأسيل تضيف مجموعة أسيل
بنزين في المركز مع أسهم نحو كلوروبينزين، نيتروبينزين، ميثيل بينزين، كيتون فينيل وحلقي الهكسان، كل منها مُسمى بالكواشف
يحافظ بنزين على حلقاته المستقرة، ويتفاعل معظم التفاعلات عن طريق الاستبدال الإلكتروفيلي (وعن طريق الإضافة فقط مع الهيدروجين)

في أكسدة السلسلة الجانبية، تتحول السلسلة الجانبية بأكملها (مثل $\text{–CH}_3$ في ميثيل بينزين) إلى مجموعة $\text{–COOH}$، مما يعطي حمض البنزويك. وفي الإهدار، تضاف ثلاثة جزيئات من $\text{H}_2$ إلى حلقة بنزين لتكوين حلقة مشبعة من حلقي الهكسان.

الآلية: الاستبدال الإلكتروفيلي

خذ النترتة كمثال. خليط الحمض ينتج الإليكتروفيل $\text{NO}_2^+$. بعد ذلك:

  1. تُكوّن إلكترونات الحلقة المجهولة رابطة مع الإلكتروفيل، مما يعطي وسطاً غير مستقر.
  2. يُفقد $\text{H}^+$ من ذلك الكربون، مما يستعيد الحلقة المستقرة.

يفوز الاستبدال بالإضافة لأن التجهيز (استقرار الأروماتيات) للحلقة يبقى محفوظاً. الإضافة ستدمر هذا النظام المستقر، لذلك لا تُفضّل.

آلية النترتة: تهاجم الحلقة NO2+ بسهم مجعد لتعطي وسيطاً موجباً، والذي يفقد H+ لاستعادة الحلقة كنيتروبينزين
الاستبدال الإلكتروفيلي (النترتة): تهاجم الحلقة الإلكتروفيل NO$_2^+$ لتعطي وسيطاً غير مستقر، ثم تفقد H$^+$ لاستعادة الحلقة

سلسلة جانبية أم حلقة؟

حيث يتفاعل الهالوجين يعتمد على الظروف:

  • مع عامل حمل هالوجين (مثل $\text{AlCl}_3$) وبدون ضوء UV → استبدال في الحلقة.
  • مع ضوء UV وبدون عامل حفاز → استبدال الجذر الحر في السلسلة الجانبية.
ميثيل بينزين مع الكلور يتفرع بطريقتين: مع AlCl3 وبدون UV يستبدل الكلور الحلقة، ومع UV وبدون عامل حفاز يستبدل مجموعة الميثيل الجانبية
الظروف تحدد: عامل حمل الهالوجين (AlCl₃) يستبدل الحلقة؛ ضوء UV يستبدل السلسلة الجانبية

التأثيرات التوجيهية

المجموعة الموجودة بالفعل على الحلقة تحدد أين ستذهب المجموعة التالية — تأثيرها التوجيهي:

حلقتا بنزين مرقمتان: الأولى تبرز فيها الموضعان 2 و4 لمجموعات الأمين والهيدروكسيل والألكيل، والثانية تبرز فيها الموضع 3 لمجموعات النيترو والكربوكسيل والأسيل
المجموعة الموجودة بالفعل على الحلقة توجه المجموعة التالية: –NH$_2$/–OH/–R ترسلها إلى الموضعين 2 و4؛ –NO$_2$/–COOH/–COR ترسلها إلى الموضع 3
المجموعة الموجودة بالفعل توجه المجموعة الجديدة إلى
$\text{–NH}_2$، $\text{–OH}$، $\text{–R}$ الموضعين 2 و4
$\text{–NO}_2$، $\text{–COOH}$، $\text{–COR}$ الموضع 3

مثال محلول. يتم نترات الميثيل بنزين والنيTROبنزين على حدة. تنبأ أين سيذهب مجموعة $\text{NO}_2$ الجديدة، وأي مركبين يتفاعل بسرعة أكبر. انظر إلى المجموعة الموجودة بالفعل على الحلقة. في الميثيل بنزين، مجموعة $\text{–CH}_3$ هي مجموعة ألكيل: توجه المجموعة الجديدة إلى المواضع 2 و4، وتقوم بـإطلاق الإلكترونات إلى الحلقة، مما يجعلها أكثر جاذبية للإليكتروفيل - لذا نترات الميثيل بنزين أسرع من البنزين. في النيTROبنزين، مجموعة $\text{–NO}_2$ توجه إلى الموضع 3، وتقوم بـسحب الإلكترونات من الحلقة - لذا نترات النيTROبنزين ببطء أكثر من البنزين. المجموعة الموجودة مسبقاً تحكم كلا الموضع والسرعة، وهذان العاملان يسيران دائماً معاً: موجهات 2,4 تُفعّل الحلقة، وموجهات 3 تُثبّطها.

Explore · ⁨استكشف⁩

Arene substitution route · ⁨مسار استبدال الأرينات⁩

Follow electrophilic substitution on benzene. · ⁨تابع الاستبدال الإلكتروفيلي على البنزين.⁩

Explore · ⁨استكشف⁩

Directing effects lab · ⁨مختبر تأثيرات التوجيه⁩

Classify substituents by how they affect the benzene ring. · ⁨صنّف المستبدلات حسب كيفية تأثيرها على حلقة البنزين.⁩

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩
English العربية
arene/ˈæren/ أرين
benzene/ˈbenziːn/ بنزين
electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ استبدال كهربوفيلي
catalyst/ˈkætəlɪst/ المحفز
halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ هالوجين أرين
nitration/naɪˈtreɪʃn/ نترتة
Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ ألكلة فريدل-كرافتس
Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ أسيلة فريدل-كرافتس
benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ حمض البنزويك
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ إهداء
side-chain/saɪd tʃeɪn/ السلسلة الجانبية
benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ حلقة البنزين
delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ التناظر الإلكتروني
directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ التأثير التوجيهي
30.1

Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

English
  • Benzene undergoes electrophilic substitution, not addition, because addition would destroy the stable delocalised ring.
  • Learn nitration (concentrated $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) and halogenation (halogen + $\text{AlCl}_3$) with the electrophile-generating step.
  • Compare reactivity: benzene resists addition far more than an alkene because of delocalisation.
العربية
  • يخضع بنزين لـ استبدال إلكتروفيلي، وليس إضافة، لأن الإضافة ستدمر الحلقة المجهولة المستقرة.
  • احفظ النترتة (مركّز $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$، $50-60\ ^\circ\text{C}$) والإهلالجة (هالوجين + $\text{AlCl}_3$) مع خطوة توليد الإليكتروفيل.
  • قارن التفاعل: يقاوم بنزين الإضافة أكثر بكثير من الألكين بسبب التجهيز.

Interactive lessons on this topic · ⁨دروس تفاعلية حول هذا الموضوع⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.⁩

Past Papers · ⁨أوراق الامتحانات السابقة⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩ · ⁨المزيد من المواضيع في A-Level Chemistry · ⁨A-Level الكيمياء⁩⁩

Log in or create account · ⁨تسجيل الدخول أو إنشاء حساب⁩

IGCSE, A-Level & AP