الكيمياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1
25الألكينات والألكاينات: الإضافات المحبة للإلكترونات
رجّ ألكينًا مع ماء البروم البرتقالي يختفِ اللون في ثوانٍ: إنه أقدم اختبار للرابطة الثنائية كربون–كربون. ووراءه آلية. فإلكترونات في الرابطة الثنائية، المرتبطة بقوة أقل من إلكترونات والمكشوفة فوق مستوي الجزيء وتحته، تهاجم كاشفًا فقيرًا بالإلكترونات؛ ثم يأسر الكاتيون المتكوّن محبًا للنواة. والخطوتان نفساهما تضيفان هاليدات الهيدروجين، والماء والهالوجينات إلى الألكينات، وتقرّران أي كربون يتلقى أي جزء من الكاشف، وتحددان الكيمياء الفراغية للناتج. يطوّرهما هذا الفصل، مع القاعدة التي استخلصها كيميائي من القرن التاسع عشر من الملاحظة والكاتيون الكربوني الذي يفسّرها.
ما تعرفه من قبل
الكاتيونات الكربونية وثباتها والأسهم المنحنية (الفصل 18)؛ ومسلّمة هاموند (القضية 9.6)؛ والواصفان /، و(R)/(S)، ومركبات الميزو والخلائط الراسيمية (الفصل 16). وقد عدّد المجلد المدرسي (الصف الثاني عشر) إضافات الألكينات دون آلياتها.
25.1 الرابطة محبًا للنواة
تعريف 25.1 (الإضافة المحبة للإلكترونات)
الإضافة المحبة للإلكترونات إلى رابطة متعددة هي إضافة تكون خطوتها الأولى هجوم إلكترونات على محب للإلكترونات E: فيتكوّن كاتيون، يأسر بعد ذلك محبًا للنواة Nu، فينتهي E وNu على كربوني الرابطة الثنائية السابقة.
الرابطة هي الأضعف بين رابطتي C=C (الفصل 3)، وإلكتروناتها بعيدة عن النوى، فوق المستوي وتحته: فالألكينات محبات للنواة، وتتفاعل مع الأحماض والهالوجينات وغيرها من المحبات للإلكترونات التي تترك الألكانات المشبعة دون مساس.
25.2 إضافة هاليدات الهيدروجين: قاعدة ماركوفنيكوف
قضية 25.2 (قاعدة ماركوفنيكوف)
في إضافة HX إلى ألكين غير متناظر، يذهب الهيدروجين إلى كربون الرابطة الثنائية الذي يحمل أصلًا عددًا أكبر من الهيدروجينات (قاعدة ماركوفنيكوف). وبصيغة حديثة: يُضاف المحب للإلكترونات بحيث يعطي الكاتيون الكربوني الأكثر ثباتًا.
برهان. انتقال البروتون هو الخطوة المحددة للسرعة، وهو ماص للحرارة، وينتهي إلى كاتيون كربوني. وبمسلّمة هاموند (القضية 9.6) تشبه حالته الانتقالية الكاتيون الكربوني، فيكون للمسار المؤدي إلى الكاتيون الأكثر ثباتًا الحاجز الأدنى، ويكون أسرع بكثير. ووضع البروتون على الكربون الذي يحمل عددًا أكبر من الهيدروجينات يترك الشحنة على الكربون الذي يحمل عددًا أكبر من مجموعات الألكيل، وهو الكاتيون الأكثر ثباتًا (القضية 18.8). ∎
تعريف 25.3 (إعادة ترتيب الكاتيون الكربوني)
إعادة ترتيب الكاتيون الكربوني هي انتقال ذرة هيدروجين أو مجموعة ألكيل، داخل كاتيون كربوني، مع زوجها الرابط إلى الكربون الكاتيوني المجاور، فيتكوّن كاتيون كربوني أكثر ثباتًا (انتقال 1,2).
مثال 25.4 (انتقال مجموعة ميثيل)
يعطي 3,3-ثنائي ميثيل بوت-1-ين وكلوريد الهيدروجين كاتيونًا كربونيًا ثانويًا بجوار كربون رباعي؛ فتنتقل مجموعة ميثيل مع زوجها، فيتكوّن كاتيون ثالثي. والناتج الرئيسي 2-كلورو-2,3-ثنائي ميثيل البوتان، الذي يختلف هيكله عن هيكل الألكين؛ أما 3-كلورو-2,2-ثنائي ميثيل البوتان فثانوي.
25.3 إضافة الماء
تعريف 25.5 (إماهة الألكين)
الإماهة في الألكين هي إضافة الماء إليه، بحفز حمض قوي، فيتكوّن كحول: وهي عكس نزع الماء في الفصل 22.
الآلية هي آلية HX مع الماء محبًا للنواة: برتنة (ماركوفنيكوف)، ثم أسر الكاتيون الكربوني بالماء، ثم فقد بروتون من أيون الأوكسونيوم. فيعطي البروبين البروبان-2-أول، ويعطي 2-ميثيل البروبين 2-ميثيل البروبان-2-أول. والإماهة ونزع الماء هما التوازن نفسه، ؛ والحمض المائي المخفف ودرجة الحرارة المنخفضة يحابيان الكحول، أما الحمض المركّز والحرارة وإزالة الألكين فتحابي الألكين (الفصل 7).
25.4 إضافة الهالوجينات: أيونات الهالونيوم والإضافة المضادة
تعريف 25.6 (أيون الهالونيوم، الإضافة المضادة والإضافة المتزامنة)
في إضافة أو ، يهاجم زوج إحدى ذرتي الهالوجين بينما يرتبط زوج حر لتلك الذرة بالكربون الثاني: فيتكوّن أيون هالونيوم حلقي ثلاثي، وتغادر ذرة الهالوجين الأخرى على هيئة هاليد. والإضافة التي تنتهي فيها المجموعتان الجديدتان على وجهين متقابلين للرابطة الثنائية السابقة إضافة مضادة؛ وعلى الوجه نفسه، إضافة متزامنة.
قضية 25.7 (إضافة الهالوجين مضادة)
إضافة البروم إلى ألكين إضافة مضادة: فالبوت-2-ين-(E) يعطي 2,3-ثنائي برومو البوتان الميزو، والبوت-2-ين-(Z) يعطي الخليط الراسيمي من 2,3-ثنائي برومو البوتان-(2R,3R) و-(2S,3S).
برهان. يجسر أيون البرومونيوم أحد وجهي الرابطة الثنائية السابقة؛ ولا يستطيع البروميد أن يهاجم الكربون إلا من الوجه الآخر، فيفتح الحلقة كما في SN2 مع انقلاب عند ذلك الكربون. فتنتهي ذرتا البروم على وجهين متقابلين. ومن أجل البوت-2-ين-(E)، يعطي الهجوم على أيٍّ من الكربونين الناتج نفسه، الذي يكون فيه المركزان الفراغيان صورتين مرآويتين أحدهما للآخر: (2R,3S)، ميزو. ومن أجل البوت-2-ين-(Z)، يعطي الهجوم على أحد الكربونين (2R,3R)، وعلى الآخر (2S,3S)، باحتمال متساوٍ: خليط راسيمي. والبرهان بالرسم هو التمرين 25.10. ∎
في المختبر — ماء البروم
البروم سائل كثيف متطاير شديد السمية وأكّال. ويستعمل اختبار عدم التشبع ماء البروم المخفف (أو محلولًا تجاريًا لمعقد للبروم) في خزانة غازات، بضع قطرات في كل مرة؛ ويدل اختفاء اللون البرتقالي على إضافة. وفي الماء، يأسر الماء أيضًا أيون البرومونيوم، فيتكوّن بروموهيدرين إلى جانب ثنائي البروميد.
25.5 الألكاينات: الإضافات والأسيتيليدات
تضيف الألكاينات HX و مرتين، كل خطوة كما في الألكينات (ماركوفنيكوف في حالة HX). وإماهتها، بحفز حمض وملح للزئبق(II)، لا تعطي الكحول غير المشبع المتوقع بل كيتونًا: إذ يتحول الإينول فورًا إلى مركب الكربونيل، وهي عملية تُدرس في مجلد السنة الثانية.
تعريف 25.8 (الألكاين الطرفي، الأسيتيليد)
الألكاين الطرفي تقع رابطته الثلاثية في نهاية السلسلة. وتنزع قاعدة قوية (أميد الصوديوم) هيدروجينه، فيتكوّن أيون الأسيتيليد ، وهو محب للنواة كربوني جيد.
قضية 25.9 (حمضية الألكاينات الطرفية)
الرابطة C–H في الألكاين الطرفي أكثر حمضيةً بكثير من روابط الألكينات والألكانات، لكنها تبقى أقل حمضيةً بكثير من الماء: فالأسيتيليدات تتكوّن بأيونات الأميد، لا بالهيدروكسيد، ويهدمها الماء.
برهان. في أيون الأسيتيليد يشغل الزوج الحر مدارًا نصف طابعه s (كربون sp)، مشدودًا أقرب إلى النواة من مدارات الأنيونات الكربونية sp أو sp: فهو أكثر ثباتًا، وحمضه المرافق أقوى. لكنه يبقى قاعدة أقوى بكثير من الهيدروكسيد، فيبرتنه الماء. ∎
يهاجم الأسيتيليد هالوجينو ألكانًا أوليًا بالآلية SN2 (رابطة C–C جديدة، + ) أو يُضاف إلى الكربونيل كما يُضاف كاشف غرينيار: وهذه طريقة أخرى لبناء الهياكل الكربونية.
طريقة 25.10 (التنبؤ بإضافة)
- عيّن المحب للإلكترونات (، ) والمحب للنواة الذي سيليه (، أو الماء، أو الهاليد).
- من أجل : أضفه إلى الكربون الذي يعطي الكاتيون الكربوني الأكثر ثباتًا (ماركوفنيكوف)؛ وتحقق من احتمال انتقال 1,2.
- من أجل : اجسر أيون الهالونيوم وافتحه من الوجه المقابل (إضافة مضادة)؛ وارسم الهجومين الممكنين وقارن النواتج (ميزو أو راسيمي).
- وبوجود الماء، توقّع الكحول (أو الهالوهيدرين) أيضًا.
لمحة تاريخية — فلاديمير ماركوفنيكوف

صاغ فلاديمير ماركوفنيكوف قاعدته في القرن التاسع عشر، انطلاقًا من النواتج التي لاحظها هو وغيره، قبل وجود الكاتيونات الكربونية أو الأسهم المنحنية بزمن طويل: انتظامٌ في الطبيعة دُوّن قبل أن يمكن تفسيره. وصيغتها الحديثة عبر ثبات الكاتيون الكربوني تُظهر ما تضيفه الآلية إلى قاعدة تجريبية: فهي تقول متى ينبغي أن تخفق القاعدة. (صورة من نعي نُشر سنة 1905، ملكية عامة، ويكيميديا كومنز.)
25.6 تمارين
تمرين 25.1 ★
أعطِ الناتج الرئيسي لكل من: البروبين + HCl؛ و2-ميثيل البروبين + HBr؛ و1-ميثيل الهكسين الحلقي + HBr؛ والبوت-2-اين + مكافئ واحد من HCl.
حل
حل التمرين 25.1.
2-كلوروبروبان؛ 2-برومو-2-ميثيل البروبان؛ 1-برومو-1-ميثيل الهكسان الحلقي؛ 2-كلوروبوت-2-ين.
تمرين 25.2 ★
اكتب نواتج البروم مع الإيثين، والهكسين الحلقي والبروبين. وسمِّ كلًّا منها.
حل
حل التمرين 25.2.
1,2-ثنائي برومو الإيثان؛ 1,2-ثنائي برومو الهكسان الحلقي-trans؛ 1,2-ثنائي برومو البروبان.
تمرين 25.3 ★
أي كحول تعطيه الإماهة بحفز حمضي لكل ألكين: البروبين، و2-ميثيل البروبين، وميثيلين الهكسان الحلقي؟
حل
حل التمرين 25.3.
البروبان-2-أول؛ 2-ميثيل البروبان-2-أول؛ 1-ميثيل الهكسان الحلقي-1-أول (ماركوفنيكوف في كل حالة).
تمرين 25.4 ★
أي هذه المركبات يتفاعل مع أميد الصوديوم: البروباين، والبوت-2-اين، والبروبين، والإيثانول؟ اكتب التفاعلات.
حل
حل التمرين 25.4.
البروباين (ألكاين طرفي): . الإيثانول: . أما البوت-2-اين والبروبين فلا هيدروجين فيهما حمضيًا بما يكفي.
تمرين 25.5 ★★
اكتب الآلية الكاملة لإماهة 2-ميثيل البروبين بالأسهم المنحنية، وفسّر لماذا يكون التفاعل العكسي محابى في الحمض المركّز الساخن.
تمرين 25.6 ★★
فسّر بمسلّمة هاموند لماذا يتفاعل 2-ميثيل البروبين مع HCl أسرع بكثير من البروبين.
حل
حل التمرين 25.6.
برتنة 2-ميثيل البروبين تعطي كاتيونًا ثالثيًا، وبرتنة البروبين كاتيونًا ثانويًا. وللبرتنة المحددة للسرعة حالة انتقالية تشبه الكاتيون (هاموند): فيُبلغ الكاتيون الثالثي الأكثر ثباتًا عبر حاجز أدنى.
تمرين 25.7 ★★
يتفاعل البروم مع الهكسين الحلقي. بيّن أن الناتج هو 1,2-ثنائي برومو الهكسان الحلقي-trans، وبيّن هل هو كيرالي وهل الناتج نشط ضوئيًا.
حل
حل التمرين 25.7.
يجسر أيون البرومونيوم أحد وجهي الحلقة؛ ويفتحه البروميد من الوجه الآخر: فتنتهي ذرتا البروم في وضع trans. وثنائي البروميد trans كيرالي (لا مستوي مرآة فيه)، لكن البروميد يهاجم الكربونين بالتساوي: فيتكوّن المتماكبان المرآويان بكميتين متساويتين، ويكون الناتج راسيميًا، غير نشط ضوئيًا.
تمرين 25.8 ★★
اقترح آلية لإضافة HCl إلى 3-ميثيل بوت-1-ين تعطي أساسًا 2-كلورو-2-ميثيل البوتان.
حل
حل التمرين 25.8.
برتنة C1 تعطي الكاتيون الثانوي على C2، بجوار C3 الثالثي الحامل لهيدروجين؛ فينتقل ذلك الهيدروجين مع زوجه إلى C2 (انتقال هيدريد 1,2)، تاركًا كاتيونًا ثالثيًا على C3، يأسره : 2-كلورو-2-ميثيل البوتان.
تمرين 25.9 ★★
اقترح تخليقًا لهكس-2-اين من البروباين وهالوجينو ألكان، وتخليقًا للمركب 1-فينيل بوت-2-اين-1-أول من البروباين والبنزالدهيد.
حل
حل التمرين 25.9.
البروباين + أميد الصوديوم: أيون البروبينيد؛ ومع 1-بروموبروبان (SN2): ، أي هكس-2-اين. والبروبينيد مع البنزالدهيد، ثم حمض مخفف: ، أي 1-فينيل بوت-2-اين-1-أول.
تمرين 25.10 ★★★
برهن على الكيمياء الفراغية لإضافة البروم إلى البوت-2-ينين بالرسم: أيون البرومونيوم، والهجوم المضاد على كل كربون، وتمثيل كرام للنواتج، والواصفات. وعُدّ المتماكبات الفراغية المتكوّنة في كل حالة.
حل
حل التمرين 25.10.
البوت-2-ين-(E): برومونيوم على أحد الوجهين، وبروميد من الآخر على C2 أو على C3؛ والهجومان كلاهما يعطيان المركب نفسه، بالواصفين (2R,3S): مركب الميزو، متماكب فراغي واحد. البوت-2-ين-(Z): الهجوم على C2 يعطي (2S,3S) (أو صورته المرآوية من الوجه الآخر)، والهجوم على C3 (2R,3R)؛ بكميتين متساويتين: متماكبان فراغيان، خليط راسيمي.
تمرين 25.11 ★★★
يعطي ماء البروم مع البروبين 1-بروموبروبان-2-أول ناتجًا رئيسيًا. فسّر الانتقائية الموضعية: لماذا يهاجم الماء الكربون الأكثر استبدالًا في أيون البرومونيوم؟
حل
حل التمرين 25.11.
في أيون البرومونيوم غير المتناظر، يحمل الكربون الأكثر استبدالًا قسطًا أكبر من الشحنة الموجبة (فرابطته C–Br أطول وأضعف، كأنه كاتيون يكاد يكون ثالثيًا أو ثانويًا). فيهاجم الماء، الموجود بفائض كبير، ذلك الكربون من الوجه المقابل للجسر: 1-بروموبروبان-2-أول.
تمرين 25.12 ★★★
هيدروكربون يزيل لون ماء البروم ويضيف HBr فيعطي 2-برومو-2-ميثيل البوتان؛ وتعطي إماهته 2-ميثيل البوتان-2-أول. أوجد بنيتين ممكنتين واقترح طريقة للتمييز بينهما.
حل
حل التمرين 25.12.
: ألكين. يعطي 2-ميثيل بوت-1-ين و2-ميثيل بوت-2-ين كلاهما الكاتيون الثالثي، ومن ثم 2-برومو-2-ميثيل البوتان و2-ميثيل البوتان-2-أول. ويختلف طيفا الرنين المغناطيسي النووي للبروتون فيهما: بروتونان فينيليان (، أحاديتان) في الأول، وبروتون واحد (، رباعية) في الثاني.
25.7 مسألة: بوتينان والبروم
مسألة 25.1
مسألة نهاية الأسبوع — البوت-2-ينان، وآلية البرومونيوم، وثنائيا البروميد الميزو والراسيمي، ودورانهما الضوئي والكتلة المحصَّل عليها
لدى مختبر قارورتان من البوت-2-ين، إحداهما من المتماكب (Z) النقي، والأخرى من (E) النقي، ويعالج من كل منهما بالبروم في ثنائي كلورو الميثان. الكتل المولية (): 56.0، 159.8، 215.8.
الجزء الأول — الألكينان.
- ارسم البوت-2-ين-(Z) و-(E) وعلّل الواصفين.
- هل هما متماكبان فراغيان؟ مرآويان أم لامرآويان؟
- لماذا لا يتحول أحدهما إلى الآخر عند درجة حرارة الغرفة؟
- أيهما أكثر ثباتًا، ولماذا؟
- اكتب المعادلة الإجمالية لإضافة البروم.
- كم مركزًا فراغيًا في 2,3-ثنائي برومو البوتان؟ وكم متماكبًا فراغيًا على الأكثر، وكم في الواقع؟
الجزء الثاني — الآلية.
- اكتب تكوّن أيون البرومونيوم بالأسهم المنحنية.
- لماذا يتكوّن أيون برومونيوم جسري بدل كاتيون كربوني مفتوح؟
- اكتب فتح الأيون بالبروميد.
- لماذا يهاجم البروميد من الوجه المقابل للجسر؟
- أي نوع من الإضافة ينتج؟
- لماذا كان المذيب ثنائي كلورو الميثان لا الماء؟
الجزء الثالث — النواتج.
- انطلاقًا من البوت-2-ين-(E): ارسم ناتج الهجوم على C2 وأعطِ واصفي C2 وC3.
- والسؤال نفسه للهجوم على C3. قارن.
- بيّن أن الناتج ميزو.
- انطلاقًا من البوت-2-ين-(Z): ارسم الناتجين وواصفاتهما.
- بأي نسب يتكوّنان؟ سمِّ الخليط.
- هل التفاعل نوعي فراغيًا؟ علّل.
الجزء الرابع — الدوران والكتلة.
- أي دوران ضوئي يُظهره ناتج الألكين (Z)؟
- احسب كمية كل ألكين.
- احسب كتلة ثنائي البروميد المتوقعة من كل منهما بمردود .
- اذكر الدوران النوعي لثنائي البروميد المحصَّل عليه من البوت-2-ين-(E)، والكتلة المحصَّل عليها منه.
حل
حل المسألة 25.1.
1. على كل كربون تتقدم على H: في (Z) تقع مجموعتا الميثيل في الجهة نفسها، وفي (E) في جهتين متقابلتين. 2. متماكبان فراغيان ليس أحدهما صورة مرآوية للآخر: متماكبان لامرآويان. 3. الدوران حول C=C سيكسر الرابطة ، وهذا يكلّف طاقة أكبر بكثير مما توفره الاصطدامات عند درجة حرارة الغرفة. 4. (E): لأن مجموعتي الميثيل فيه لا تتزاحمان. 5. . 6. مركزان فراغيان متكافئان: أربعة على الأكثر، وثلاثة في الواقع ((2R,3R) و(2S,3S) والميزو (2R,3S)). 7. يهاجم زوج إحدى ذرتي Br في ، ويغادر زوج Br–Br على هيئة ، ويرتبط زوج حر لذرة البروم المهاجَمة بالكربون الثاني: أيون برومونيوم ثلاثي الحلقة. 8. في الأيون الجسري لكل ذرة ثمانية؛ أما الكاتيون الكربوني الثانوي المفتوح ففيه كربون بستة إلكترونات. 9. يرتبط زوج حر للأيون بأحد كربوني الحلقة؛ وتنكسر الرابطة C–Br في الجسر، فيذهب زوجها إلى ذرة البروم الجسرية. 10. يشغل الجسر أحد الوجهين؛ وكما في SN2، يدخل المحب للنواة من الجهة المقابلة للرابطة التي تنكسر. 11. إضافة مضادة. 12. كان الماء سينافس البروميد على أيون البرومونيوم ويعطي بروموهيدرين. 13. (2R,3S) (أو (2S,3R)، وهو المركب نفسه). 14. المركب نفسه. 15. في تشكّل تكون فيه ذرتا البروم متطابقتين، يمر مستوي مرآة بين C2 وC3؛ والواصفان متعاكسان. 16. (2R,3R) و(2S,3S). 17. بكميتين متساويتين: خليط راسيمي. 18. نعم: الألكينان المتماكبان لامرآويًا يعطيان ناتجين مختلفين (ميزو مقابل راسيمي). 19. لا دوران: يلغي المتماكبان المرآويان أحدهما الآخر. 20. لكل منهما. 21. لكل منهما. 22. (مركب ميزو)، .