- תאר את הכימיה של ארנים על בסיס התגובות הבאות של בנזן ומתילבנזן: (א) תגובות הצבה עם $\text{Cl}_2$ ועם $\text{Br}_2$ בנוכחות חומר זריק, $\text{AlCl}_3$ או $\text{AlBr}_3$, ליצירת הלוארנים (הלוגני אריל) (ב) ניטרציה בעזרת תערובת של $\text{HNO}_3$ מרוכז ו-$\text{H}_2\text{SO}_4$ מרוכז בטמפרטורה בין $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ ל-$60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (ג) אלקיציית פרידל-קראפט על ידי $\text{CH}_3\text{Cl}$ ו-$\text{AlCl}_3$ בחום (ד) אצילציות פרידל-קראפט על ידי $\text{CH}_3\text{COCl}$ ו-$\text{AlCl}_3$ בחום (ה) חמצון מלא של השלשלת צד באמצעות $\text{KMnO}_4$ עורפי וחם ולאחר מכן חומצה דלולה לקבלת חומצה בנזואית (ו) הידרוגנציה של טבעת הבנזן באמצעות $\text{H}_2$ ו-$\text{Pt/Ni}$ כחומר זריק ובחום ליצירת טבעת סיקלוהקסן
- תאר את המנגנון של הצבה אלקטרופילית בארנים: (א) כפי שמוצג בהיווצרות ניטרובנזן וברומובנזן (ב) בהתייחס להשפעת הדילוקליזציה (הייצוב הארומטי) של אלקטרונים בארנים כדי להסביר את ההעדיפות לתגובות הצבה לעומת תגובות הוספה
- נבא האם תתרחש הלגנציה בשלשלת הצד או בטבעת הארומטית בארנים בהתאם לתנאי התגובה
- תאר כי בהצבה אלקטרופילית של ארנים, מצבים שונים מדריכים לתפקידים שונים בטבעת (מוגבל לאפקטים המכוונים של $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ ו-$-\text{COR}$)
הידרוקרבונים
כימיה A-Level · נושא 30
7:42
הידרוקרובונים (A2): ארנים
מים עם ברומ בצבע כתום הם המבחן הקלאסי לקשר כפול. מערבבים אותו עם אלקן, והצבע הכתום נעלם מיד. כעת מערבבים את אותו ברומ בדיוק…
קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון
30.1
ארנים
סיילבוס
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
ארנים הם הידרוקרבונים ארומטיים, המבוססים על טבעת הבנזן. הטבעת המוצללת של אלקטרונים היא יציבה ועשירה באלקטרונים, ולכן בנזן מגיב בעיקר באמצעות החלפה אלקטרופילית - שמירה על הטבעת - ולא באמצעות הוספה.
תגובות של בנזן ומתילבנזן
| תגובה | חומרי גלם ותנאים | מוצר |
|---|---|---|
| הלוגנציה | $\text{Cl}_2$ או $\text{Br}_2$, עם $\text{AlCl}_3$ או $\text{AlBr}_3$ כקטליזטור | הלוארן ארילי (הליד ארילי) |
| ניטרוציה | $\text{HNO}_3$ מרוכז + $\text{H}_2\text{SO}_4$ מרוכז, $25$–$60\,°\text{C}$ | ניטרובנזן |
| אליקצילציה של פרידל-क्राפטס | $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, חימום | מתילבנזן (מוסף קבוצה אלקילית) |
| אצילציה של פרידל-ক্রאפטס | $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, חימום | קטון פניל (מוסף קבוצה אצילית) |
| חמצון צד | $\text{KMnO}_4$ בסיסי חם, ולאחר מכן חומצה מדוללת | חומצה בנזואית |
| הידרוגנציה | $\text{H}_2$, קטליזטור $\text{Pt/Ni}$, חימום | סיצלוהקסן |
בחמצון השלשלת הצד, כל השלשלת הצד (כמו ה$\text{–CH}_3$ במטילבנזן) הופכת לקבוצת $\text{–COOH}$, ונוצר חומצה בנזואי. בהידרוגנציה, שלושה מולקולות של $\text{H}_2$ נוספות לטבעת הבנזן ליצירת טבעת ציקלוהקסאן רוויה.
המנגנון: החלפה אלקטרופילית
נניח את ההשלחה כדוגמה. תערובת החומצה יוצרת את האלקטרופיל $\text{NO}_2^+$. אז:
- האלקטרונים המעוכבים בטבעת יוצרים קשר עם האלקטרופיל, ונוצר אינטרמדיום לא יציב.
- $\text{H}^+$ משתחרר מהפחמן הזה, ושכך הטבעת היציבה מוחזרת.
החלפה עדיפה על חיבור מכיוון שהמעוכבות (הייצוב הארומטי) של הטבעת נשמרת. חיבור היה הרס מערכת יציבה זו, ולכן הוא אינו מועדף.
שלשלת צד או טבעת?
המיקום בו הלוגן מגיב תלוי בתנאים:
- עם מצעין נשיאת הלוגן (כמו ה$\text{AlCl}_3$) וללא אור UV → החלפה בטבעת.
- עם אור UV וללא מצעין → החלפת רדיקלים חופשיים בשלשלת הצד.
השפעות כוונוניות
קבוצה שכבר נמצאת בטבעת קובעת היכן תגיע הקבוצה הבאה — ההשפעה הכווננת שלה:
| קבוצה קיימת | מכינה את הקבוצה החדשה ל- |
|---|---|
| $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ | מיקומים 2 ו-4 |
| $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ | מיקום 3 |
דוגמה פתורה. מתיילבנזן וניטרובנזן עוברים ניטרציה כל אחד. תחזי איפה ייכנס הקבוצה החדשה $\text{NO}_2$, ואילו תרכובת מגיבה מהר יותר. ראה את הקבוצה שכבר קיימת על הטבעת. במתיילבנזן, ה-$\text{–CH}_3$ הוא קבוצה אלקילית: היא מפנה את הקבוצה החדשה למיקומים 2 ו-4, והיא משחררת אלקטרונים אל הטבעת, מה שהופך אותה למשיכה טובה יותר לאלקטרופיל - לכן מתיילבנזן עובר ניטרציה מהר יותר מאשר בנזן. בניטרובנזן, ה-$\text{–NO}_2$ מפנה למיקום 3, והוא מושך אלקטרונים מהטבעת - לכן ניטרובנזן עובר ניטרציה איט יותר מאשר בנזן. הקבוצה הקיימת קובעת גם את המיקום גם את הקצב, ושני הדברים תמיד נעים יחד: מקצבי 2,4 מפעילים את הטבעת, מקצבי 3 מדעירים אותה.
חקור
מסלול החלפת ארנאים
עקוב אחר ההצבה האלקטרופילית בביזול.
חקור
מעבדה: אפקטים כוונתיים
מיינו סובסטיטואנטים לפי השפעתם על טבעת הבנזן.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| arene/ˈæren/ | ארן |
| benzene/ˈbenziːn/ | בנזן |
| electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | החלפה אלקטרופילית |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | מצעין |
| halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ | הלוגנוארילן |
| nitration/naɪˈtreɪʃn/ | ניטורציה |
| Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ | אלקיילציה של פריידל-קרפטס |
| Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ | אצילציה של פריידל-קרפטס |
| benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ | חומצה בנזואית |
| hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ | מיצוק |
| side-chain/saɪd tʃeɪn/ | שרשרת צדדית |
| benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ | טבעת בנזן |
| delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ | דיוקליזציה |
| directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ | אפקט כיוון |
30.1
טיפים לבחינות
- בנזן עובר החלפה אלקטרופילית, לא תוספת, משום שתוספת הייתה מרוסה את הטבעת המבוזלת היציבה.
- למד ניטרציה ($\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$ מרוכז, $50-60\ ^\circ\text{C}$) והלוגנציה (הלוגן + $\text{AlCl}_3$) עם שלב יצירת האלקטרופיל.
- השווה תגובתיות: בנזן מתנגד לתוספת הרבה יותר מאשר אלקן בשל הבוזלציה.
שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה
לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.