بررسی کامل واکنش هالوژن دار شدن آلکان ها

آلکان ها و واکنش پذیری

برای انجام واکنش شیمیایی بر روی یک مولکول آلی، ما همیشه به دنبال گروه های عاملی می گردیم. گروه هایی مثل هیدروکسیل، کربونیل و… اما در آلکان ها هیچ گروه عاملی یافت نمی شود. بنابراین ما باید به دنبال راه هایی باشیم که با استفاده از آن ها بتوانیم هیدروژن ها را جدا کنیم و به جای آن ها عوامل جدید قرار دهیم.

مساله در نگاه اول ساده به نظر می رسد اما در عمل به این آسانی نیست. هیدروژن های یک مولکول آلکان، تقریبا میلی به انجام واکنش نداشته و تمایل دارند تا سر جای خودشان بمانند. تنها واکنشی که همه ما درباره آلکان ها می شناسیم، واکنش سوختن آن ها است.

همه ما با سوختن گاز های متان و اتان و… آشنایی داریم. اما غیر از این واکنش، آلکان ها همچنین در واکنش هالوژناسیون هم شرکت می کنند. اما ابتدا باید به سراغ مفهوم دقیق هالوژناسیون برویم.

هالوژناسیون چیست؟

به طور کلی و در یک تعریف بسیار ساده، اضافه شدن هالوژن به یک مولکول یا عوض شدن جای یک اتم با یک اتم هالوژن هالوژناسیون به حساب می آید. البته هالوژناسیون (halogenation) کلمه عجیبی به نظر می رسد اما اگر بخواهیم ساده تر به آن نگاه کنیم؛ همان هالوژن دار شدن خودمان است.

اضافه شدن هالوژن می تواند در مورد مولکول هایی که پیوند های چند گانه کربن-کربن دارند رخ دهد. در این مورد هالوژن اول یک پل هالوژنی ایجاد می کند و هالوژن دوم با حمله به یکی از پایه های پل باعث باز شدن آن و ایجاد یک دی هالوژن آنتی می شود (این واکنش را در مقالات دیگر بررسی می کنیم).

در نمونه دیگر هالوژناسیون که موضوع این مقاله است، هالوژن موجود در محیط با یکی از اتم های روی مولکول عوض می شود. در مورد آلکان ها، این فرآیند از طریق رادیکال های آزاد هالوژن اتفاق می افتد. اما چگونه؟

مکانیسم هالوژناسیون رادیکالی آلکان ها

این فرآیند در سه مرحله کلی رخ می دهد که هر مرحله، خود شامل چند مرحله است. در ادامه به بررسی کامل این مراحل می پردازیم.

1_ ایجاد رادیکال های هالوژن

همانطور که می دانید؛ هالوژن ها عبارتند از فلوئور، کلر، برم و ید. این اتم ها در حالت آزاد به صورت یک مولکول دو اتمی جور هسته یافت می شوند و ما مولکول های آن ها را به صورت داریم. در حالی که رادیکال های آن ها هر یک به صورت تک اتمی است.

بنابراین باید پیوند بین آن ها شکسته شود تا به صورت رادیکالی در آیند. برای شرکستن پیوند بین آن ها بهترین کار استفاده از پرتو های فرابنفش است. این مولکول ها در برهم کنش با نور فرابنفش به صورت رادیکال در می آیند.

توجه داشته باشید که ساخته شدن رادیکال های کلر و برم و… همه با یک مقدار انرژی انجام نمی شود و قاعدتا مقدار انرژی لازم برای تبدیل هر یک از آن ها به رادیکال های آزادشان، نیازمند مقادیر مختلف انرژی است.

ما رادیکال را با نماد شیمیایی آن ماده با یک نقطه در بالا سمت راست نماد آن عنصر نمایش می دهیم. مکانیسم مشابهی برای سایر هالوژن ها نیز وجود دارد. تبدیل مولکول های هالوژن به رادیکال های آزاد فرآیندی تعادلی است و رادیکال ها پس از ایجاد شدن دو راه دارند؛ یا در برخورد با سایر مولکول های مولکول ها رادیکال های جدید ایجاد می کنند و یا در برخورد با یکدیگر، در فرآیندی موسوم به مرگ رادیکال ها، از بین می روند و به مولکول های اولیه شان تبدیل می شوند.

واکنش زیر، تولد رادیکال های جدید را نشان می دهد. البته تولد رادیکال های جدید همیشه به این شکل انجام نمی شود. اما در واکنش هالوژن دار شدن آلکان ها به این صورت است.

واکنش زیر مرگ رادیکال ها را نشان می دهد. همیشه مرگ رادیکال ها با برخورد دو رادیکال به یکدیگر و ایجاد یک مولکول خنثی انجام می شود.

توجه داشته باشید که همیشه لازم نیست تا رادیکال و یا مولکول های ناشی از مرگ رادیکال ها در فاز گازی باشند؛ ما رادیکال ها را در فاز مایع هم داریم.

2_ انتشار رادیکال سازی در محیط واکنش (فرآنید زنجیره ای)

همانطور که در بالا نیز اشاره شد، پس از ایجاد اولین رادیکال های آزاد، به سرعت رادیکال های جدید نیز ایجاد شده و این تولد رادیکال های جدید در سر تا سر محیط واکنش پیش می رود. البته توجه داشته باشید که این مراحل به طور همزمان پیش رفته و هیچ یک معطل دیگری نمی ماند.

در این مرحله، به طور کلی دو فرآیند رخ می دهد:

• ایجاد رادیکال های جدید هالوژنی
• ایجاد رادیکال های جدید آلکیلی

رادیکال های جدید هالوژنی که به صورت تک اتم های حاوی تک الکترون آزاد هستند و در بالا به آن ها اشاره شد. همچنین رادیکال های آلکیلی را نیز در بالا اشاره کردیم. ما به این مرحله، مرحله انتشار زنجیره ای نیز می گوییم؛ چون بلافاصله پس از ایجاد اولین رادیکال ها، واکنش ایجاد رادیکال های جدید به صورت زنجیره وار آغاز شده و به سرعت منتشر می شود.

3_ مرگ رادیکال های آزاد

در پایان واکنش، رادیکال های آزاد در برخورد با یکدیگر به صورت مولکول های نهایی در آمده و واکنش به پایان می رسد. پیشتر به وانش مرگ رادیکال ها اشاره کردیم اما این فرآیند همیشه به همین راحتی نیست و شامل واکنش های دیگر نیز می شود. در ادامه به برخی از آن ها می پردازیم.

همچنین واکنش های مشابه نیز خواهیم داشت. توجه داشته باشید که پدیده مرگ رادیکال ها فرآیندی بدون حد واسط بوده و از برخورد مستقیم واکنش دهنده ها فرآورده ایجاد می شود.

جمع بندی و چند نکته مهم

اگر بخواهیم کل واکنش را به صورت کلی بنویسیم، در یک نگاه کلی به صورت زیر خواهد شد.

البته ما واکنش های ناخواسته نیز داریم؛ مثلا در پروسه مرگ رادیکال ها، امکان ایجاد اتان نیز وجود دارد. اما نکته اینجاست که رخداد چنین فرآیندی بسیار جزئی خواهد بود. به واکنش زیر توجه کنید.

اما ذکر چند نکته در اینجا ضروری است.

• واکنش می تواند با هر نوع آلکانی اعم از کوتاه یا بلند زنجیر انجام شود.
• این واکنش همچنین بر روی زنجیره آلیفاتیک ترکیبات آلیفاتیک-آروماتیک نیز انجام می شود.
• سرعت انجام واکنش با فلوئور خیلی بیشتر از کلر و کلر بیشتر از برم و برم بیشتر از ید است. به طوری که واکنش با ید تقریبا انجام نمی شود.
• گرمای ایجاد شده در این فرآیند بسته به نوع هالوژن متفاوت است. به طوری که در واکنش با فلوئور گرما به حدی زیاد است که باعث سوختن و از بین رفتن مواد اولیه شده و در ید تقریبا گرمای خاصی ایجاد نمی شود.
• با توجه به نکته ی بالا، بنابراین می توان گفت که این نوع واکنش، ویژه کلر و برم است.