الألكانات والألكينات

• كتابة معادلات كيميائية تمثل تفاعلات المركبات العضوية.
• استنتاج نواتج تفاعلات بعض المركبات العضوية عملياً.
• التمييز مخبرياً بين مركبات المجموعات الوظيفية المختلفة.

ما الذي تعلّمناه عن المركبات العضوية؟

توجد الملايين من المركبات العضوية المختلفة، ويعتبر عنصر الكربون أساسياً في تركيبها.

• حتى بدايات القرن التاسع عشر: اعتقد الكيميائيون أن المركبات العضوية تؤخذ من الأجسام الحية فقط.
• عام 1829م: تمكن فريدريك فوهلر من تحضير اليوريا في المختبر.
• منذ ذلك الحين قام الكيميائيون بتحضير ملايين المركبات العضوية، ودراسة خصائصها الكيميائية والفيزيائية.

• تصنف أنواع التفاعلات في الكيمياء العضوية إلى: الإضافة، والحذف، والاستبدال، والتأكسد والاختزال.

ما المجموعة الوظيفية في كل منها؟ وما نوع هذه المركبات؟

سم المركبات حسب النظام العالمي ⁦(IUPAC)⁩.

هاليد الألكيل: سلسلة كربون عليها ذرة هالوجين

• تصنف حسب عدد مجموعات الألكيل ⁦(R)⁩ المتصلة بذرة الكربون المرتبطة بشكل مباشر مع ذرة الهالوجين ⁦(X)⁩.
• إلى هاليد ميثيل وهاليدات ألكيل أولية، أو ثانوية، أو ثالثية.

ثلاث طرق لتحضير هاليد الألكيل

• أ. هلجنة الألكانات: يتفاعل الألكان مع الهالوجينات في وجود الضوء، وينتج هاليد ألكيل.

• حيث $X$: $\text{Cl}$ أو $\text{Br}$ أو $\text{I}$.

• ب. إضافة هاليدات الهيدروجين إلى الألكينات: تتفاعل الألكينات مع هاليدات الهيدروجين، وينتج هاليدات الألكيل.

• ج. تفاعل هاليدات الهيدروجين مع الكحولات: استبدال ذرة هالوجين بمجموعة هيدروكسيل.

ماذا يحدث لهاليد الألكيل الأولي مع هيدروكسيد فلز قلوي؟

• أهم الخواص: تفاعلات هاليدات الألكيل الأولية وهاليد ميثيل مع هيدروكسيدات الفلزات القلوية.

• الناتج الكحولات المناظرة، إذا تمت التجربة في وسط مائي.

• حيث $X$: $\text{Cl}, \text{Br}, \text{I}$، $M$: $\text{Li}, \text{Na}, \text{K}$.

الكحول: مجموعة هيدروكسيل على سلسلة كربون

• تصنف حسب عدد مجموعات الألكيل ⁦(R)⁩ المتصلة بذرة الكربون المرتبطة بشكل مباشر مع مجموعة الهيدروكسيل.
• إلى كحول ميثيل، وكحولات أولية، أو ثانوية، أو ثالثية.

صنّف الكحولات الآتية إلى كحولات أولية، أو ثانوية أو ثالثية.

كيف نحصل على كحول؟

• أ. إضافة الماء إلى الألكينات ⁦(Hydration)⁩ بوجود الحموض المعدنية مثل $H_2SO_4$ كعوامل مساعدة، وفق قاعدة ماركوفنيكوف.

• ب. إضافة هيدروكسيدات الفلزات القلوية إلى هاليدات الألكيل الأولية وهاليد ميثيل في وسط مائي.

اكتب معادلة تحضير كحول ثالثي يتكون من أربع ذرات كربون بإضافة الماء إلى الألكين المناسب واستخدام العامل المساعد الملائم.

اكتب نواتج تفاعل 1-كلورو بيوتان مع هيدروكسيد الصوديوم المائي.

لماذا تسلك الكحولات كحمض وكقاعدة معاً؟

• تمتاز الكحولات بالصفات الأمفوتيرية لأنها تحوي مجموعة الهيدروكسيل.
• تسلك كحموض في الوسط القاعدي؛ نظراً لوجود ذرة هيدروجين حمضية متصلة بالأكسجين.
• وتسلك كقواعد في الوسط الحمضي؛ نظراً لاحتواء ذرة الأكسجين على زوجين من الإلكترونات غير الرابطة قادرة على استقبال بروتون من الحمض.

الكحول مع الصوديوم: يتصاعد الهيدروجين

• تتميز الكحولات بخواص حمضية ضعيفة، لأن رابطة ⁦H⁩ بالأكسجين قطبية، فينحاز زوج الإلكترونات المشترك قليلاً نحو الأكسجين.
• تتفاعل مع الفلزات النشطة مثل $\text{Na}$ و $\text{K}$، فينتج ألكوكسيد الفلز ويتصاعد غاز الهيدروجين.

• يمكن استخدام هذا التفاعل للتمييز بين الكحولات والألكانات.

أغلق الأنبوب بسداد فلين، ماذا تلاحظ؟

أعد خطوات النشاط باستخدام الهكسان بدل الإيثانول، ماذا تلاحظ؟

اكتب معادلة التفاعل الحاصل. ما اسم المادة الناتجة من التفاعل؟

كيف يتم التمييز بين الهكسان و1-هكسانول في المختبر مع كتابة المعادلات؟

كيف يتفاعل الكحول كقاعدة؟ مع الحموض الهالوجينية والكبريتيك المركز

• مع الحموض الهالوجينية ($HX$): ينتج هاليدات الألكيل كما مر معك سابقاً.

• مع حمض الكبريتيك المركز: حذف الماء ⁦(Dehydration)⁩.

أكمل معادلة تفاعل الإيثانول مع حمض الهيدروكلوريك ⁦HCl⁩.

أكمل التفاعل الآتي، وبين الناتج الرئيس:

كيف تتأكسد الكحولات الأولية والثانوية والثالثية؟

• الكحولات الأولية: تتأكسد إلى الألدهيدات المناظرة بدايكرومات البوتاسيوم في وسط حمضي.
• وإذا بقي الألدهيد في المحلول فإنه يتأكسد بدوره إلى حمض كربوكسيلي، ولا يمكن إيقاف التفاعل عند الألدهيد.
• الاستثناء: الألدهيدات المتطايرة (عدد ذرات الكربون فيها من 1-4) تتبخر قبل تأكسدها.

• مع بيرمنغنات البوتاسيوم المائي ثم حمض معدني قوي: يتأكسد الكحول الأولي إلى الحمض الكربوكسيلي المناظر.
• يختفي لون المحلول البنفسجي ويظهر راسب من $MnO_2$ البني؛ لأن الكحول يختزل أيون البيرمنغنات إلى $MnO_2$.
• يفصل ثاني أكسيد المنغنيز بالترشيح قبل إضافة الحمض المعدني القوي.

• الكحولات الثانوية فتتأكسد إلى كيتونات.
• الكحولات الثالثية فتقاوم تفاعلات الأكسدة في الظروف العادية.

اكتب معادلة كيميائية تمثل أكسدة 1-بيوتانول باستخدام محلول بيرمنغنات البوتاسيوم، ثم إضافة حمض معدني قوي.

صمم نشاطاً للتمييز عملياً بين الكحول الأولي والكحول الثالثي.

الأكسدة على مسحوق النحاس الساخن

• تُمرَّر أبخرة الكحولات على مسحوق النحاس عند درجة حرارة (200-400 س).
• الكحولات الأولية تنتج الألدهيدات، والكحولات الثانوية تنتج الكيتونات.

ما صيغة المادة المتفاعلة في التفاعل الآتي؟

الكربونيل: مجموعة تجمع الألدهيدات والكيتونات

• الألدهيدات والكيتونات ⁦(Aldehydes and Ketones)⁩ تتميز بوجود مجموعة الكربونيل الوظيفية ($C=O$).

• الميثانال: تُستبدل ذرة هيدروجين بمجموعة ألكيل $R$ فيه «لتصبح ⁦HCOH⁩» (كما طُبع)، وتكون مجموعة ($C=O$) في طرف السلسلة.
• الكيتونات: ترتبط مجموعة الكربونيل بمجموعتي ألكيل متماثلتين أو غير متماثلتين ($R$ و $R'$).
• الرابطة الثنائية في مجموعة الكربونيل مستقطبة جزئياً بسبب الفرق في الكهروسالبية بين ذرتي الأكسجين والكربون.

• $\text{R-CHO}$
• $\text{R-CO-R}'$

• الألدهيدات تحضر بأكسدة الكحولات الأولية، والكيتونات بأكسدة الكحولات الثانوية.

الإضافة على الكربونيل وكاشف غرينيارد

• تعود تفاعلات الإضافة إلى بنية مجموعة الكربونيل غير المشبعة، الحاوية على رابطة تساهمية ثنائية ($\sigma$ و $\pi$).
• تتم الإضافة بكسر الرابطة الأضعف ($\pi$).
• الجزء السالب من المادة المتفاعلة يرتبط بذرة كربون الكربونيل، والجزء الموجب بذرة أكسجين الكربونيل.
• تفاعل غرينيارد من أهم تفاعلات الإضافة، وينتج عنه كحولات، ويعتمد ناتجه على نوع المركب الكربونيلي.

• يحضر كاشف غرينيارد من تفاعل هاليد الألكيل ⁦(R-X)⁩ مع معدن المغنيسيوم ⁦(Mg)⁩ في الإيثر الجاف، ليعطي هاليد ألكيل المغنيسيوم ⁦R-MgX⁩.

• $\text{R-X} + \text{Mg} \xrightarrow{\text{إيثر جاف}} \text{R-MgX}$

• يتم التفاعل على مرحلتين: الأولى تعطي ناتجاً وسطياً، يتحول في الثانية في وسط حمضي إلى كحول.
• مع الميثانال: يعطي كحولاً أولياً.
• $\text{HCHO} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{MgBr} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OMgBr} \xrightarrow{\text{HBr}_{(aq)}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{MgBr}_2$
• مع الألدهيدات الأخرى: يعطي كحولات ثانوية.
• $\text{CH}_3\text{CHO} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{MgBr} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(OMgBr)CH}_2\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{HBr}_{(aq)}} \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3 + \text{MgBr}_2$
• مع الكيتونات: يعطي كحولات ثالثية.
• $\text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{MgBr} \rightarrow (\text{CH}_3)_3\text{COMgBr} \xrightarrow{\text{HBr}_{(aq)}} (\text{CH}_3)_3\text{COH} + \text{MgBr}_2$

• عدد ذرات الكربون في الكحولات الناتجة يساوي مجموع عدد ذرات الكربون في الألدهيدات أو الكيتونات وفي مركب غرينيارد.

الألدهيد يتأكسد بسهولة، والكيتون يقاوم

• تتأكسد الألدهيدات بسهولة إلى حموض كربوكسيلية في الظروف العادية بمعظم العوامل المؤكسدة، حتى الضعيفة منها.
• تقاوم الكيتونات الأكسدة بالظروف العادية؛ لأنها لا تحوي ذرة هيدروجين مرتبطة بمجموعة الكربونيل.

محلول فهلنج: راسب بني محمر مع الألدهيد

• يتكون محلول فهلنج ⁦(Fehling's solution)⁩ من محلولين:
• A: كبريتات النحاس المائية $CuSO_4.5H_2O$.
• B: محلول ملح روشل (طرترات الصوديوم والبوتاسيوم المائية) وهيدروكسيد الصوديوم.

• العامل المؤكسد أيون النحاس ⁦(II)⁩ الأزرق $Cu^{2+}$، الذي يختزل إلى أيون $Cu^+$.
• يترسب مسحوق بني محمر (أكسيد النحاس ⁦(I)⁩ $Cu_2O$)، ويتأكسد الألدهيد إلى أيون الكربوكسيلات.

• $\text{RCHO} + 2\text{Cu}^{2+} + 5\text{OH}^- \xrightarrow{\Delta} \text{RCOO}^- + \text{Cu}_2\text{O} + 3\text{H}_2\text{O}$

• يستخدم التفاعل في المختبرات الطبية للكشف عن الجلوكوز وتقدير كميته في البول؛ لأن جزيء الجلوكوز يحوي مجموعة ألدهيدية تتأكسد، ويستخدم محلول فهلنج للكشف عن السكريات الأحادية.

ضع أنبوب الاختبار في حمام مائي ساخن، ماذا تلاحظ؟

محلول تولن: مرآة فضية

• يتألف محلول تولن ⁦(Tollen's solution)⁩ من محلول نترات الفضة النشادرية، وهو معقّد لأيون الفضة.
• العامل المؤكسد أيون الفضة، الذي يُختزل إلى معدن الفضة عند تسخين مزيج منه مع ألدهيد.
• تترسب الفضة على جدران وعاء التفاعل مكونة مرآة فضية، ويتأكسد الألدهيد إلى الحمض الكربوكسيلي المناظر.

• $\text{RCHO} + 2\text{Ag}^+ + 3\text{OH}^- \xrightarrow{\Delta} \text{RCOO}^- + 2\text{Ag} + 2\text{H}_2\text{O}$

• صناعة المرايا: يستخدم الميثانال لترسيب طبقة الفضة على الزجاج.
• التمييز بين الألدهيدات والكيتونات باستخدام محلول تولن أو محلول فهلنج؛ لأن الكيتونات لا تتفاعل معهما.

• الميثانال: محلوله المائي (40%) «الفورمالين» يحفظ الأنسجة الحية من التحلل لقدرته على منع نمو البكتيريا وتكاثرها.
• ويستخدم في صناعات كثيرة أهمها الميلامين، حيث يُكوّن مبلمراً مع الفينول، ويعد مادة أولية في صناعة بعض المواد البلاستيكية.

• البروبانون (الأسيتون): سائل عديم اللون يمتاز بطعم لاذع ورائحة مميزة، ويذوب في الماء بجميع النسب.
• يزيل طلاء الأظافر لقدرته على إذابة الأصباغ الكيميائية، إضافة إلى سرعة تطايره.
• ويعد المادة الأولية في صناعة المبلمرات البلاستيكية وصناعة الورنيش.

الكربوكسيل: هيدروكسيل وكربونيل في مجموعة واحدة

• تحضر بأكسدة الكحولات الأولية والألدهيدات.

• للحموض الكربوكسيلية قابلية للذوبان في الماء نظراً للخاصية القطبية لها، ولتكوّن روابط هيدروجينية بينها وبين جزيئات الماء.
• يقل ذوبانها في الماء بازدياد الكتلة المولية: يتناقص تأثير الجزء القطبي ⁦(-COOH)⁩ وتزيد فعالية الجزء غير القطبي ⁦(-R)⁩.

ثلاثة تفاعلات للحمض الكربوكسيلي مع القواعد والفلزات

• تتفاعل الحموض الكربوكسيلية (جميعها حموض ضعيفة) مع القواعد القوية والضعيفة مكونة أملاحها.
• مع القواعد القوية:
• $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH}_{(aq)} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa}_{(aq)} + \text{H}_2\text{O}$
• مع الفلزات النشطة مثل الصوديوم: يعزى ذلك إلى وجود ⁦H⁩ الحمضية في مجموعة الكربوكسيل، ويتصاعد غاز الهيدروجين.
• $2\text{CH}_3\text{COOH} + 2\text{Na}_{(s)} \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa}_{(aq)} + \text{H}_{2(g)}$
• مع الأملاح القاعدية مثل كربونات الصوديوم الهيدروجينية:
• $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaHCO}_{3(aq)} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa}_{(aq)} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_{2(g)}$

الاختزال إلى كحول أولي

• تُختزل الحموض الكربوكسيلية بسهولة إلى الكحولات الأولية المناظرة مباشرة باستخدام هيدريد ليثيوم ألمنيوم ($LiAlH_4$) الذي يعد عاملاً مختزلاً قوياً.

• $\text{RCOOH} \xrightarrow{\text{LiAlH}_4} \text{RCH}_2\text{OH}$

اكتب الناتج العضوي في التفاعل الآتي:

حمض الميثانويك وحمض الإيثانويك

• حمض الميثانويك أبسط الحموض العضوية، ويحتوي على ذرة كربون واحدة، ويسمى حمض النمليك؛ لأنه يوجد في إفرازات غدد بعض أنواع النمل، ويسبب التهيج الذي تحدثه لسعات النمل في الجلد.
• خصائصه: سائل عديم اللون، له رائحة نفاذة، وطعم لاذع، ويستخدم في صناعة النسيج.
• حمض الإيثانويك: سائل عديم اللون، رائحته نفاذة، ويُحضر من أكسدة الإيثانول الناتج من عملية التخمر (أو المصنّع بطرق أخرى).
• استخداماته: في المأكولات وحفظ اللحوم والأسماك المعلبة، وفي صناعة دباغة الجلود وصناعة النسيج، وبعض المستحضرات الصيدلانية.

الأمين الأولي: قاعدة ضعيفة تكوّن أملاحاً

• تمتاز الأمينات الأولية بخاصية قاعدية ضعيفة كما هو الحال في الأمونيا، لوجود زوج إلكترونات حر على ذرة النيتروجين.
• ولذلك هي قادرة على تشكيل الأملاح مع هاليدات الهيدروجين $HX$.

أكمل الفراغ في معادلة التفاعل الآتية:

كيف نفصل خليط المركبات العضوية؟

• تصنف طرقها على أساس مكونات النظام الثنائي إلى عدة أنواع:
• سائل-صلب: مكون صلب كالسيلكا أو الألومينا والكلس، ومكون سائل متحرك كأي مذيب.
• صلب-غاز: سائل مدمص على صلب كمكون ثابت، وغاز كمكون متحرك مثل الهيليوم والأرجون.
• سائل-سائل: النظام الثابت سائل والمتحرك سائل، ويعرف بكروماتوغرافيا الطرد المركزي.

• كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة ⁦(TLC)⁩: تتكون من شريحة رقيقة مغطاة بطبقة رقيقة من مادة صلبة.
• توضع نقطة من الخليط أسفل الشريحة، ثم توضع في وعاء فيه منسوب مناسب من السائل.
• ينتشر السائل بالاتجاه العلوي ساحباً معه مكونات الخليط، فتنفصل حسب قوى الترابط بين السائل وهذه المواد وبين الصلب الثابت.
• الكروماتوغرافيا العمودية: توضع المادة الصلبة مثل السيلكا جل أو الألومينا مشربة في سائل، ثم يوضع الخليط على سطحها العلوي.
• ثم تمرر سوائل معينة تدفع المواد للأسفل، وتجمع المواد الخارجة من الأنبوب في أوعية مرقمة ثم تحلل.

اختبر نفسك على الوحدة

2. ماذا ينتج عن أكسدة الكحولات الأولية باستخدام بيرمنغنات البوتاسيوم، وإضافة حمض معدني قوي؟

• أ. ألدهيد

• ب. حمض كربوكسيلي

• ج. كيتون

• د. هاليد ألكيل

3. ما المركب الذي يختزل كاشف تولن؟

• أ. البروبانون

• ب. الإيثانال

• ج. الإيثانول

• د. حمض الإيثانويك

5. ما المجموعة التي تميز الألدهيد والكيتون؟

• أ. $C=O$

• ب. $-NH_2$

• ج. $-COOH$

• د. $-OH$

6. ما المجموعة الوظيفية في الحموض الكربوكسيلية؟

• أ. $-OH$

• ب. $H-C=O$

• ج. $-C=O$

• د. $-COOH$

7. ما المادة التي تختزل الحموض الكربوكسيلية إلى الكحولات الأولية مباشرة؟

• أ. $O_2$

• ب. $LiAlH_4$

• ج. $MnO_4^-$

• د. $P_2O_5$

8. ما نوع المركب العضوي $CH_3COOH$؟

• أ. حمض كربوكسيلي

• ب. كحول

• ج. إستر

• د. كيتون

9. ماذا يسمى تفاعل الإستر مع هيدروكسيد الصوديوم؟

• أ. أكسدة

• ب. تصبن

• ج. حذف

• د. أسترة

عبر بالمعادلات الكيميائية عن كل من التفاعلات الآتية، وسم المركبات العضوية الناتجة:

1. أكسدة 1- بروبانول باستخدام دايكرومات البوتاسيوم في وسط حمضي.

2. اختزال حمض الإيثانويك باستخدام هيدريد ليثيوم ألمنيوم ($LiAlH_4$).

3. تفاعل كلورو إيثان مع $NaOH$ في وسط كحولي.

يتفاعل حمض الإيثانويك مع الإيثانول في حمام مائي بوجود حمض الكبريتيك المركز وفق المعادلة الآتية:

2. ما دور حمض الكبريتيك المركز في هذا التفاعل؟

أكمل المعادلات الآتية بكتابة الناتج العضوي المناسب:

صنف الأمينات الآتية إلى: أولية - ثانوية - ثالثية.

1. $CH_3CH_2NH_2$
2. $(CH_3)_3N$
3. $(C_2H_5)NHCH_3$