أنواع التفاعلات الكيميائية للكحولات

الكحولات هي مركبات عضوية تحتوي على مجموعة هيدروكسيل (-OH) مرتبطة بذرة كربون مشبعة. تُعرف تفاعلات الكحولات بأنها تفاعلات كيميائية تتضمن مجموعة الهيدروكسيل هذه. تلعب تفاعلات الكحولات دورًا مهمًا في الكيمياء العضوية، وتستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية والتجارية.

في هذا المنشور سنشرح أنواع التفاعلات الكيميائية الأساسية للكحولات. يتضمن الشرح أمثلة متنوعة. تخضع الكحولات لعدة أنواع من التفاعلات الكيميائية أهمها:

1. نزع الماء المحفز بالحمض
2. الأكسدة
3. الاستبدال
4. الأسترة
5. تكوين الكوكسايد[Britannica].
6. الاختزال بخطوتين

الأكسدة

تتضمن تفاعلات أكسدة الكحولات تحويل جزيء كحول إلى مركب كربونيلي، مثل ألدهيد أو كيتون أو حتى حمض كربوكسيلي. المنتج المحدد المتكون يعتمد على نوع الكحول المؤكسَد.

1. أكسدة الكحولات الأولية:

تتأكسد الكحولات الأولية إلى الألدهيدات وتتأكسد إلى أحماض كربوكسيلية في وجود كمية كافية من الأكسجين.

أمثلة:

أ) أكسدة الإيثانول (CH3CH2OH) إلى إيثانال (CH3CHO):

\[\ce{CH3CH2OH + \xrightarrow{[O]} CH3CHO + H2O}\]

ب) أكسدة الإيثانول (CH3CH2OH) إلى حمض الإيثانويك (CH3COOH):

\[\ce{CH3CH2OH ->[\ce{Na2Cr2O7}][\ce{H2SO4}] CH3COOH + H2O}\]

لمنع تحُّول الألدهيدات إلى أحماض كربوكسيلية يجب سحب المنتج بشكل مستمر، أو استخدام طريقة انتقائية.

2. أكسدة الكحولات الثانوية:

يمكن أكسدة الكحولات الثانوية إلى كيتونات.

مثال:

أكسدة 2-بروبانول (CH3CH (OH) CH3) إلى 2-بروبانون (CH3C (= O) CH3):

\[\ce{CH3CH (OH) CH3 + \xrightarrow{[O]} CH3C (= O) CH3 + H2O}\]

من المهم أن نلاحظ أن الكحولات الثالثية بشكل عام لا تخضع لتفاعلات الأكسدة؛ لأنها تفتقر إلى ذرة هيدروجين مرتبطة بالكربون الذي يحتفظ بمجموعة الهيدروكسيل.

تشمل العوامل المؤكسدة التي يشيع استخدامها في تفاعلات الأكسدة للكحولات ما يلي:

• - ثنائي كرومات البوتاسيوم المحمض \(\ce{(K2Cr2O7 / H2SO4)}\)
• - كلورو كرومات البيريدينيوم \(\ce{(PCC)}\)
• - هيبوكلوريت الصوديوم \(\ce{(NaOCl)}\)
• - كاشف جونز \(\ce{(CrO3 / H2SO4 / H2O)}\)

تستخدم هذه التفاعلات على نطاق واسع في الإنتاج العضوي وتلعب دورًا مهمًا في تحضير المركبات العضوية المختلفة.

تفاعلات الأسترة

الأسترة هي تفاعل كيميائي يتضمن تكوين استرات من الكحولات والأحماض الكربوكسيلية (أو مشتقاتها ، مثل كلوريد الحمض أو أنهيدريد).

في تفاعل الأسترة، تتفاعل مجموعة الهيدروكسيل (-OH) للكحولات مع مجموعة الكربوكسيل (-COOH) لحمض الكربوكسيل، مما يؤدي إلى تكوين إستر وماء.  يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة حمض، مثل حامض الكبريتيك (H2SO4) أو حمض الهيدروكلوريك (HCl)، مما يساعد في برتنة (إضافة بروتون H⁺) مجموعة الكحول والكربونيل من حمض الكربوكسيل، وهذا يسهل التفاعل.

مثال 1: استرة كحول مع حمض كربوكسيلي أليفاتي

\[\ce{CH3CH2OH + CH3COOH \xrightarrow{H2SO4} CH3COOCH2CH3 + (H2O)}\]

في هذا المثال، تتفاعل مجموعة الهيدروكسيل للإيثانول مع مجموعة الكربوكسيل لحمض الأسيتيك (حمض الخلّيك) في وجود محفز حمضي، مما يؤدي إلى تكوين أسيتات الإيثيل (خلات الإيثيل) والماء.

المثال 2: استرة كحول مع حمض كربوكسيلي أروماتي 

\[\ce{CH3OH + C6H5COOH \xrightarrow{HCl} C6H5COOCH3 + (H2O)}\]

في هذه الحالة، يتفاعل الميثانول مع حمض البنزويك في وجود محفز حمضي أيضا، مما يؤدي إلى إنتاج ميثيل بنزوات وماء.

يمكن أيضًا إجراء هذه التفاعلات باستخدام مشتقات حمض الكربوكسيل، مثل كلوريد الحمض أو أنهيدريد، بدلاً من الأحماض الكربوكسيلية. تتبع العملية آلية مماثلة، حيث يتفاعل الكحول مع مشتق حمض الكربوكسيل لتكوين الإستر.

تكون تفاعلات الأسترة قابلة للعكس، مما يعني أنه يمكن تحلل الإستر المتكون مرة أخرى إلى الكحول وحمض الكربوكسيل في ظل ظروف مناسبة. تُستخدم هذه الطبيعة القابلة للعكس لتفاعلات الأسترة في عمليات مثل الأسترة التبادلية والتحلل المائي لتحضير وتفكك الإسترات.

تفاعلات نزع الماء من الكحولات المحفزة بالحمض

تتضمن تفاعلات نزع الماء (البلمهة) إزالة جزيء الماء من الكحولات، مما يؤدي إلى تكوين ألكين أو أثير. يمكن أن تحدث تفاعلات نزع الماء من خلال آليات مختلفة، بما في ذلك النزع المحفز بالحمض وإزالة الماء من داخل الجزيئات.

 تحدث تفاعلات البلمهة المحفزة بالحمض في وجود محفز حمضي، عادةً حمض معدني قوي مثل حمض الكبريتيك (H2SO4) أو حمض الفوسفوريك (H3PO4).

نزع الماء من الكحولات وتحويلها إلى ألكينات: - في هذا النوع من التفاعل، يفقد كحول الإيثانول جزيء الماء لتكوين إيثين، كما يلي:

\[\ce{CH3CH2OH \xrightarrow{H2SO4} CH2 = CH2 + H2O}\]

بلمهة الكحولات وتحويلها إلى إثيرات:- في ظل ظروف معينة، مثل استخدام فائض من الكحول والحمض المخفف، يمكن أن تتعرض الكحولات للبلمهة لتكوين الإيثرات.

- مثال:

\[\ce{2CH3CH2OH ->[\text{حمض مخفف}] CH3CH2OCH2CH3 + H2O}\]

في هذا حصل اتحاد بين جزيئي ألكحول ما أدى إلى تكوين الإيثير وجزيء ماء.

نزع الماء من الكحولات الثنائية (ثنائية الهيدروكسيل): في وجود حمض قوي وحرارة عالية يمكن تحويل كحول ثنائي الهيدروكسيل إلى إثير حلقي كما يلي:

$$\ce{HO-CH2CH2CH2CH2CH2-OH + ->[\ce{H2SO4}][حرارة] $\underset{\text{Oxane (إثير حلقي)}}{\ce{C5H10O}}$ + H2O}$$

تعتبر تفاعلات نزع الماء مهمة في الإنتاج العضوي لأنها توفر طريقة لتحويل الكحولات إلى ألكينات أو إثيرات. تستخدم هذه التفاعلات بكثرة في إنتاج المركبات العضوية المختلفة، بما في ذلك المذيبات، وإضافات الوقود، ووحدات البناء للأدوية والبوليمرات. يمكن أن يؤثر اختيار ظروف التفاعل، مثل استخدام محفزات حمضية مختلفة أو درجة حرارة التفاعل، على انتقائية تفاعل البلمهة وكفاءته.

الاستبدال

تتضمن تفاعلات الاستبدال للكحول استبدال مجموعة الهيدروكسيل (-OH) بمجموعة وظيفية أخرى. يمكن أن يحدث الاستبدال من خلال تفاعلات الاستبدال النيوكلوفيلي أو الألكتروفيلي، اعتمادًا على طبيعة الكواشف وظروف التفاعل.

1. تفاعلات الاستبدال النيوكلوفيلي:

تتضمن تفاعلات الاستبدال النيوكلوفيلي استبدال مجموعة الهيدروكسيل بنيوكليوفيل، مما يؤدي إلى تكوين مجموعة وظيفية جديدة.

مثال 1: استبدال الهاليدات

- يؤدي تفاعل الكحول مع هاليد الهيدروجين (HX) أو مصدر هالوجين تفاعلي (مثل PBr3، PCl5) إلى تكوين هاليدات الألكيل.

\[\ce{CH3OH + HCl → CH3Cl + H2O}\]

 مثال 2: الاستبدال بالأمينات

- يؤدي تفاعل الكحول مع أمين (RNH2) في وجود محفز حمضي إلى تكوين ألكيل أمين.

\[\ce{CH3CH2OH +  NH3 → CH3CH2NH2 + H2O}\]

 2. تفاعلات الاستبدال الإلكتروفيلي:

 تتضمن تفاعلات الاستبدال الالكتروفيلية استبدال مجموعة الهيدروكسيل بإلكتروفيل، مما يؤدي إلى تكوين مجموعة وظيفية جديدة.

مثال 1: الاستبدال بكلوريدات الحمض

- يؤدي تفاعل الكحول مع كلوريد الحمض (RCOCl) في وجود محفز قاعدي أو حمضي إلى تكوين إستر.

\[\ce{CH3CH2OH +  CH3COCl →  CH3COOCH2CH3 + HCl}\]

مثال 2: الاستبدال بكلوريد السلفونيل

- يؤدي تفاعل الكحول مع كلوريد السلفونيل (RSO2Cl) في وجود قاعدة أو محفز حمضي إلى تكوين إستر السلفونات.

\[\ce{CH3OH + CH3SO2Cl \xrightarrow{حمض / قاعدة} CH3SO2OCH3 + HCl}\]

توضح الأمثلة السابقة، إمكانية تحويل الكحولات إلى مجموعات وظيفية متنوعة، مثل هاليدات الألكيل، والأمينات، والإسترات، وإسترات السلفونات. تعتمد ظروف التفاعل المحددة واختيار الكواشف على منتج الاستبدال المطلوب. توفر تفاعلات الاستبدال هذه أساليب مفيدة في التصنيع العضوي، مما يتيح إنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات العضوية.

تفاعلات تكوين الكوكسايد

يمكن لقاعدة قوية أن تزيل البروتون من الكحولات لتشكيل أيون الألكوكسيد (R―O−). على سبيل المثال، يستخدم صوداميد (NaNH2)، وهي قاعدة قوية جداً، لاستخلاص ذرة الهيدروجين من الكحول. يتم استخدام الصوديوم المعدني (Na) أو البوتاسيوم (K) في كثير من الأحيان لتشكيل الألكوكسيد عن طريق اختزال البروتون إلى غاز الهيدروجين.

يمكن أن تكون أيونات الألكوكسيد مفيدة كعوامل مفاعلة. على سبيل المثال، أشهر تفاعل لتحضير الإيثرات ينطوي على هجوم أيون الألكوكسيد على هاليد الألكيل. يُطلق على هذه الطريقة تفاعل ويليامسون لتحضير الإيثرات. وفيما يلي نماذج لبعض هذه التفاعلات:

1. إنتاج الكوكسايد من تفاعل الصوداميد مع الكحولات

\[\ce{R-OH + NaNH2 → R-O^{-}Na^+ + NH3}\]

2. تفاعل الإيثانول مع هيدروكسيد الصوديوم:
\[\ce{C2H5OH + NaOH → C2H5O- Na+ + H2O}\]
3. تفاعل الميثانول مع هيدروكسيد البوتاسيوم:
\[\ce{CH3OH + KOH → CH3O- K+ + H2O}\]
4. تفاعل البنتانول مع هيدروكسيد الصوديوم:
\[\ce{C5H11OH + NaOH → C5H11O- Na+ + H2O}\]
5. تفاعل الإيثانول مع هيدروكسيد البوتاسيوم:
\[\ce{C2H5OH + KOH → C2H5O- K+ + H2O}\]

تتم هذه التفاعلات بإزالة ذرة الهيدروجين من الكحول وتشكيل أيون الألكوكسيد. يتم استخدام القواعد القوية في هذه التفاعلات لضمان حدوث التكافؤ الكيميائي وتشكيل الألكوكسيد بشكل فعال.

الاختزال

يعتبر الاختزال المباشر للكحولات إلى الألكانات أمرًا صعبًا. ولتحويل الكحولات، يتطلب الأمر عادة تسلسلًا من خطوتين، حيث يتم تحويلها أولاً إلى مجموعات مغادرة مثل الهاليدات وإسترات السلفونات، ثم يتم الاختزال باستخدام هيدرات المعادن مثل \(\text{LiAlH}_4\) و LiHBEt3 و Bu3SnH. كما يوجد أيضًا طرق كلاسيكية أخرى للإزالة الاختزالية للهاليدات مثل الهدرجة غير المتجانسة واختزال بيرش.

بالنسبة لتحويل البيوتانول إلى بيوتان باستخدام الخطوتين المذكورتين، يمكن تمثيل العملية الكيميائية على النحو التالي:

الخطوة الأولى:\[\ce{CH3CH2CH2CH2OH + HBr → CH3CH2CH2CH2Br + H2O}\]

الخطوة الثانية:\[\ce{CH3CH2CH2CH2Br + 2LiAlH4 → CH3CH2CH2CH3 + 2LiBr + Al2O3 + 4H2}\]

في الخطوة الأولى، يتفاعل البيوتانول مع حمض الهيدروبروميك (HBr) لتكوين بروميد البيوتيل (CH3CH2CH2CH2Br) وماء (H2O).

ثم في الخطوة الثانية، يتفاعل بروميد البيوتيل مع هيدريد الألومنيوم والليثيوم (LiAlH4) لتكوين البيوتان (CH3CH2CH2CH3) وبروميد الليثيوم (LiBr) وأكسيد الألومنيوم (Al2O3) وهيدروجين (H2).

هذه المعادلات الكيميائية توضح التحول الكيميائي للبيوتانول إلى البيوتان باستخدام الخطوتين المذكورتين. ويعد هذه الطريقة أحد طرق تحضير الألكانات.

في الختام، تفاعلات الكحولات هي مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية التي تتضمن مجموعة الهيدروكسيل. تُعرف أنواع تفاعلات الكحولات الرئيسية بأنها الأكسدة، والاستبدال، والنزع، والاختزال. تلعب تفاعلات الكحولات دورًا مهمًا في الكيمياء العضوية، وتستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية والتجارية.

اقرأ أيضا: طرق تحضير الكحولات