- منتج عال الجودة
- طريقة منخفضة التكلفة
- الطريقة تأخذ زمن أقل
- الطريقة لها أهمية علمية خاصة
ما هي الألكانات؟
الألكانات عبارة عن مركبات عضوية تتكون من الكربون والهيدروجين فقط. وتحتوي على روابط مفردة بين ذرات الكربون في جزيئاتها (هيدروكربونات مشبعة). يمكن الحصول عليها من مصادر طبيعية مثل النفط الخام، كما يمكن تحضيرها في المختبر باستخدام طرق مختلفة. ولها استخدامات عديدة في الحياة اليومية.
أهمية الألكانات:
تعد الألكانات من أهم فئات المركبات العضوية بسبب استخداماتها المختلفة في الحياة اليومية. تستعمل الألكانات كوقود للطهي (مثل غاز الميثان، الإيثان، البروبان) والمواصلات (يحتوي وقود السيارات على نسبة كبيرة من الألكانات). وتعد المكون الرئيسي لزيوت التشحيم. يمكن إستخدامها في تحضير عدد كبير من الجزيئات العضوية المهمة الأخرى.
يمكن استخراج الألكانات من النفط الخام (بصورة جاهزة) أو عن طريق تحويل مكونات نفطية أخرى إلى ألكانات باستخدام طرق التكسير الحراري أو التحفيز الكيميائي.
في المعمل يستخدم العلماء طرق مختلفة لتحضير الألكانات وذلك باستخدام مواد عضوية أولية مختلفة أو نفس المواد لكن في ظروف مختلفة لتحسين جودة المنتج أو لتخفيض التكاليف. في هذه المقالة سنتعرف على 10 طريقة مختلفة لتحضير الألكانات:
طرق التكسير الحراري أو الكهربي
نزع الكربوكسيل
نزع الكربوكسيل هو تفاعل كيميائي يتضمن إزالة ثاني أكسيد الكربون (CO2) من الجزيء. يمكن تحضير الألكانات من الأحماض الكربوكسيلية بمجرد تسخينها[1]، مما يؤدي إلى فقدان ثاني أكسيد الكربون (CO2) وتكوين الألكان.
يمكن أن تتم هذه العملية عن طريق تسخين أملاح الصوديوم (\(\ce{RCOO^{-}Na+}\)) مع جير الصودا (هو خليط من NaOH و CaO). أو عن طريق التحليل الكهربي لهذه الأملاح (طريقة كولبي)[2].
فيما يلي بعض الأمثلة على تفاعلات نزع الكربوكسيل التي تتضمن أحماض كربوكسيلية لتحضير الألكانات:
نزع الكربوكسيل من حمض الخليك إلى الإيثان بالتسخين:
المعادلة 1: \[\ce{CH3COOH ->[\text{Heat}] CH4 + CO2}\]
نزع الكربوكسيل من ملح بيوتانوات الصوديوم إلى بروبان:
المعادلة 2:\[\text{CH$_3$CH$_2$CH$_2$COONa +NaOH $\xrightarrow[\Delta]{\text{CaO}}$ CH$_3$CH$_2$CH$_3$ + Na$_2$CO$_3$}\] يستخدم CaO لإبقاء NaOH جافا لأنه يميل لإمتصاص الرطوبة من الهواء المحيط به[2].
المعادلة 3:\[\text{2CH$_3$COO$^{-}$Na$^+$ + 2H$_2$O $\xrightarrow{\text{Electrolysis}}$ CH$_3$CH$_3$ + 2CO$_2$ + H$_2$ + 2NaOH}\]
توضح الأمثلة في المعادلات أعلاه طرق مختلفة لإزالة الكربوكسيل من أحماضها لتكوين الألكانات. لاحظ أن الطريقة الأخيرة تحتاج إلى 2 مول من الملح للحصول على مول واحد من الألكان المقابل.
طريقة التحليل الكهربائي كولبي
طريقة التحليل الكهربائي Kolbe هي عملية تستخدم لتحضير الألكانات عن طريق التحليل الكهربائي للأملاح المعدنية القلوية للأحماض الكربوكسيلية. يحدث التفاعل في وجود الماء وينطوي على توليد الجذور، والتي تتحد بعد ذلك لتشكل الألكانات.
فيما يلي مثال على تحضير الميثان (الألكان) من أسيتات الصوديوم باستخدام طريقة التحليل الكهربائي الخاصة بـ Kolbe:
\[\text{2CH$_3$COONa + 2H$_2$O $\rightarrow$ CH$_4$ + 2CH$_3$COOH + 2NaOH}\]
في هذا التفاعل:
يتم إذابة أسيتات الصوديوم (CH3COONa) في الماء.
يحدث التحليل الكهربائي للمحلول، مما يؤدي إلى تكوين الجذور: CH3COO ● (جذور الأسيتيل) و Na ● (جذور الصوديوم).
تتحد هذه الجذور لتكوين الميثان (CH4) وحمض الخليك (CH3COOH) وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH).
النتيجة الإجمالية هي تحويل ملح حمض الكربوكسيل (أسيتات الصوديوم) إلى ألكان (ميثان) من خلال استخدام التحليل الكهربائي. تعد طريقة التحليل الكهربائي لـ Kolbe طريقة مفيدة لتحضير الألكانات بتفاعل مضبوط ، وتوفر وسيلة لتحويل الأحماض الكربوكسيلية إلى الألكانات المقابلة لها.
طرق الإضافة أو الاختزال
طرق ساباتير وسنديرينس - هدرجة الألكينات
طرق تحضير الألكانات هذه تتضمن هدرجة الألكينات (C = C) إلى الألكانات (C-C) وذلك بإضافة غاز الهيدروجين (H2) عبر الرابطة المزدوجة للكربون والكربون. يمكن تنفيذ العملية باستخدام محفزات وشروط مختلفة. طريقتان تم استخدامهما تاريخيًا لهذا الغرض هما طريقة Sabatier وطريقة Senderens.
طريقة ساباتير:
تتضمن طريقة Sabatier هدرجة الألكينات باستخدام محفز معدني مثل النيكل (Ni) أو البلاتين (Pt) في درجات حرارة وضغوط مرتفعة. تعد هذه الطريقة أحد الطرق المهمة في تحضير المركبات العضوية. يحدث التفاعل عادة في وجود غاز الهيدروجين.
\[\text{CH$_2$=CH$_2$ + H2 $\xrightarrow[\text{Heat, Pressure}]{\text{Pt}}$ CH$_3$-CH$_3$}\]
في هذه الطريقة، يسهل المحفز المعدني إضافة ذرات الهيدروجين إلى الرابطة المزدوجة بين الكربون والكربون، مما يؤدي إلى تحويل الألكين (الإيثيلين في هذه الحالة) إلى الألكان المقابل (الإيثان). يتم استخدام هذه الطريقة في إنتاج الدهون المشبعة[3].
طريقة Senderens:
تتضمن طريقة Senderens أيضًا هدرجة الألكينات، لكنها تستخدم محفزًا مختلفًا وظروفًا أكثر اعتدالًا. تستخدم هذه الطريقة البلاديوم المقسم بدقة (Pd) كمحفز وغاز الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي.
\[\text{CH$_2$=CH$_2$ + H$_2$ $\xrightarrow{\text{Pd}}$ CH$_3$-CH$_3$}\]
وبالمثل، في طريقة Senderens، تؤدي هدرجة الإيثيلين (C2H4) إلى تكوين الإيثان (C2H6).
توضح طرق كل من Sabatier و Senderens هدرجة الألكينات إلى الألكانات عن طريق إضافة الهيدروجين عبر الرابطة المزدوجة بين الكربون والكربون. كانت هذه الأساليب ذات أهمية تاريخية في التحضير العضوي ومهدت الطريق لتطبيقات مختلفة في مجال الكيمياء.
الهدرجة التحفيزية باستخدام محفز ليندلار
طريقة ليندلار تشبه طرق الإضافة السابقة لكن بول ليندلار يستخدم محفز مصنوع من البلاديوم وكربونات الكالسيوم والفحم المنشط يسمى محفز ليندلار.
$$\underset{\text{Methene}}{\ce{CH2=CH2}} + \ce{H2} \xrightarrow{\text{Lindlar}} \underset{\text{Methane}}{\ce{CH3_CH3}}$$
باختزال الكحولات والأحماض الدهنية ومشتقاتها
يمكن تحضير الألكانات عن طريق اختزال المجموعات الوظيفية المختلفة، بما في ذلك الكحوليات والألدهيدات والكيتونات والأحماض الدهنية ومشتقاتها. يتضمن الاختزال عادةً إضافة ذرات الهيدروجين إلى ذرات الكربون في هذه المجموعات الوظيفية، مما يؤدي إلى تكوين الألكانات.
اختزال الكحولات:
يمكن اختزال الكحولات إلى ألكانات باستخدام عوامل الاختزال مثل هيدريد ألومنيوم الليثيوم (LiAlH4) أو بوروهيدريد الصوديوم (NaBH4).
مثال: اختزال الإيثانول إلى الإيثان.
\[\text{CH$_3$CH$_2$OH + 2H$_2$ $\rightarrow$ CH$_3$CH$_3$ + 2H$_2$O}\]
اختزال الأحماض الدهنية ومشتقاتها:
يمكن اختزال الأحماض الدهنية والإسترات وكلوريدات الأحماض إلى ألكانات باستخدام عوامل الاختزال مثل هيدريد ألومنيوم الليثيوم (LiAlH4).
مثال: اختزال أسيتات الإيثيل (الإستر) إلى الإيثان.
\[\text{CH$_3$COOC$_2$H$_5$ + 2H$_2$ $\rightarrow$ CH$_3$CH$_3$ + C$_2$H$_5$OH}\]
تفاعلات الاختزال هذه مهمة في التخليق العضوي لتحويل المجموعات الوظيفية المختلفة إلى ألكانات أبسط. يعتمد اختيار عامل الاختزال وظروف التفاعل على مادة البداية المحددة والمنتج المطلوب.
عن طريق اختزال الألدهيدات والكيتونات
يمكن تحضير الألكانات عن طريق اختزال مركبات الكربونيل، والتي تشمل الألدهيدات والكيتونات. يتضمن الاختزال إضافة ذرات الهيدروجين إلى الرابطة المزدوجة بين الكربون والأكسجين (C = O)، مما يؤدي إلى تكوين الألكانات.
هناك عدة طرق لاختزال هذه المركبات إلى الألكانات:
الهدرجة التحفيزية:
تتضمن الهدرجة التحفيزية استخدام محفز معدني (مثل البلاديوم على الكربون، Pd / C) وغاز الهيدروجين (H2) لإختزال مركبات الكربونيل إلى ألكانات.
مثال: اختزال الأسيتون إلى البروبان.
\[\text{CH$_3$COCH$_3$ + 2H$_2$ $\xrightarrow{\text{Pd/C}}$ CH$_3$CH$_2$CH$_3$ + 2H$_2$O}\]
اختزال كليمينسن:
يعتبر اختزال كليمينسن طريقة متخصصة لإختزال الكيتونات والألدهيدات إلى الألكانات باستخدام مزيج من ملغم الزنك (الزنك مع الزئبق) وحمض الهيدروكلوريك (HCl).
مثال: اختزال الأسيتوفينون إلى إيثيل بنزين.
\[\text{C$_6$H$_5$COCH$_3$ + Zn (Hg) + HCl $\rightarrow$ C$_6$H$_5$CH$_2$CH$_3$ + ZnCl$_2$ + Hg}\]
اختزال وولف-كيشنر:
يعد اختزال Wolff-Kishner طريقة أخرى لإختزال الكيتونات والألدهيدات. يتضمن التفاعل مع الهيدرازين (N2H4) متبوعًا بالتسخين بقاعدة قوية، عادةً هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، في وجود قاعدة مستقرة للحرارة مثل هيدرات الهيدرازين (N2H4 · H2O).
مثال: اختزال الأسيتون إلى البروبان.
\[\text{CH$_3$COCH$_3$ + N2H4 + KOH → CH$_3$CH$_2$CH$_3$ + N$_2$ + H$_2$O + K$_2$CO$_3$}\]
تعد طرق الاختزال هذه مفيدة في تحويل مركبات الكربونيل إلى الألكانات، مما يسمح بتحضير مجموعة واسعة من الجزيئات العضوية. يعتمد اختيار الطريقة على عوامل مثل مركب الكربونيل المحدد وظروف التفاعل والمنتج المرغوب.
طرق الاتحاد
تفاعل Wurtz
تفاعل Wurtz هو تفاعل كيميائي يستخدم بشكل شائع لتحضير الألكانات عن طريق اقتران جزيئين ألكيل هاليد. فيما يلي مثال على تفاعل Wurtz:
\[\text{2R-X + 2Na → R-R + 2NaX}\]
في هذا التفاعل، تمثل R مجموعة ألكيل (جزء من ألكان)، X عبارة عن ذرة هالوجين (مثل Cl Br، أو I)، Na تمثل فلز الصوديوم، و NaX منتج ثانوي لهاليد الصوديوم.
فيما يلي شرح لرد الفعل خطوة بخطوة:
يتم معالجة جزيئين من هاليد الألكيل (RX) بالصوديوم المعدني (Na).
يتبرع معدن الصوديوم بإلكترون لذرة الهالوجين (X) في هاليد الألكيل، مكونًا ملح هاليد الصوديوم (NaX) ومجموعة ألكيل الجذور الحرة (R ●).
يتحد جذرا الألكيل (R ●) لتكوين رابطة كربون-كربون جديدة، مما يؤدي إلى تكوين ألكان (R-R) وإعادة توليد ذرة صوديوم للتفاعل التالي.
يعتبر تفاعل Wurtz مفيدًا لتحضير الألكانات المتماثلة، حيث تكون كلتا مجموعتي الألكيل متماثلتين. ومع ذلك، فإن لها قيودًا وهي غير مناسبة لتحضير الألكانات غير المتماثلة. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون من الصعب التحكم في التفاعل وقد يؤدي إلى تفاعلات جانبية إذا لم تتم مراقبته بعناية.
بواسطة كواشف Grignard
يعتبر تفاعل Grignard من الطرق الفعالة لتحضير الألكانات والمركبات العضوية الأخرى. يتضمن تفاعل هاليدات ألكيل أو أريل مغنيسيوم (كواشف غرينيارد) مع أنواع مختلفة من الإلكترفيلات، بما في ذلك هاليدات الألكيل ومركبات الكربونيل وغيرها. عندما تتفاعل كواشف Grignard مع هاليدات الألكيل، تتشكل الألكانات.
فيما يلي مثال على تحضير الألكان (البروبان) باستخدام تفاعل جرينيارد:
\[\text{CH$_3$MgBr + CH$_3$CH$_2$Br → CH$_3$CH$_2$CH$_3$ + MgBr$_2$}\]
في التفاعل هذا:
يتم تحضير كاشف Grignard، مثل بروميد المغنيسيوم الميثيل (CH3MgBr)، عن طريق تفاعل هاليد ألكيل أو أريل مع فلز مغنيسيوم.
يتفاعل كاشف Grignard مع هاليد الألكيل (بروميد الإيثيل CH3CH2Br)، والذي يعمل كإلكتروفيل.
تتكون رابطة كربون-كربون(C-C) بين كاشف Grignard وهاليد الألكيل، مما يؤدي إلى تكوين البروبان (CH3CH2CH3) وبروميد المغنيسيوم (MgBr2).
يقدم تفاعل Grignard طريقة متعددة الاستخدامات وقيمة لتجميع الجزيئات العضوية المعقدة، بما في ذلك الألكانات، من خلال بناء روابط كربون-كربون. لها تطبيقات واسعة في التحضير العضوي وساهمت بشكل كبير في تقدم هذا المجال.
باستخدام طريقة كوري-هاوس
يُعد تحضير Corey-House، المعروف أيضًا باسم تفاعل Corey-House-Posner-Whitesides، طريقة لتحضير الألكانات من هاليدات الألكيل. وهو ينطوي على تفاعل هاليد ألكيل مع الليثيوم ديالكيل كوبرات، والذي يشار إليه عادة باسم "كاشف جيلمان".
فيما يلي نظرة عامة على توليف Corey-House:
إعداد كاشف جيلمان:
يتم تحضير مكوّن ثنائي ألكيل الليثيوم (كاشف جيلمان) عن طريق تفاعل مركب ألكيل الليثيوم (RLi) مع هاليد النحاس (I) (CuX) في مذيب لا مائي. ينتج عن هذا التفاعل كاشف جيلمان، وهو مركب نحاسي عضوي.
التفاعل مع ألكيل هاليد:
يتفاعل كاشف جيلمان بعد ذلك مع هاليد الألكيل (RX)، عادةً بروميد الألكيل أو يوديده. يتضمن هذا التفاعل تبادل ذرة النحاس مع مجموعة الألكيل من هاليد الألكيل.
بعد التفاعل، عادةً ما يتم تحلل ملح النحاس الناتج لإزالة النحاس والحصول على منتج الألكان.
يقدم توليف Corey-House طريقة مفيدة لإعداد الألكانات مع التحكم في الكيمياء الفراغية. يستخدم بشكل شائع في التخليق العضوي وهو ذو قيمة خاصة لبناء الجزيئات العضوية المعقدة.
مثال:
تحضير البيوتان (CH3CH2CH2CH3) باستخدام تركيب كوري-هاوس:
تكوين كاشف جيلمان: \[\ce{CH3Li + CuI → Cu (CH3)2LiI}\]
التفاعل مع بروميد الكيل: \[\ce{Cu (CH3)2LiI + CH3CH2Br → CH3CH2CH2CH3 + CuI}\]
عمل: التحلل المائي لملح النحاس.
بشكل عام، يعد تحضير Corey-House أداة مهمة في ترسانة الكيميائيين العضويين لتحضير الألكانات والمركبات العضوية الأخرى.
طرق الاستبدال
عن طريق اختزال هاليدات الألكيل
يمكن تحضير الألكانات من خلال اختزال هاليدات الألكيل باستخدام عوامل الاختزال مثل هيدريد ألومنيوم الليثيوم (LiAlH4) أو الهيدروجين المعدني. هنا بضعة أمثلة:
اختزال كلوريد الإيثيل إلى الإيثان باستخدام LiAlH4:
\[\text{CH$_3$CH$_2$Cl + 2LiAlH$_4$ → CH$_3$CH$_3$ + 2LiAlCl$_4$}\]
اختزال 2-بروموبروبان إلى البروبان باستخدام غاز الهيدروجين:
\[\text{CH$_3$CHBrCH$_3$ + H$_2$ → CH$_3$CH$_2$CH$_3$ + HBr}\]
في هذه الأمثلة، تتم معالجة هاليدات الألكيل (كلوريد الإيثيل و 2-بروموبروبان) بعامل اختزال (LiAlH4 أو هيدروجين معدني) الذي يتبرع بأيونات الهيدريد (H-) إلى ذرة الهالوجين (Cl أو Br). يؤدي هذا إلى استبدال ذرة الهالوجين بذرة هيدروجين، مما يؤدي إلى تكوين الألكان المقابل (الإيثان أو البروبان) ومنتج ثانوي للهاليد (LiAlCl4 أو HBr).
يعد اختزال هاليدات الألكيل طريقة شائعة لتحضير الألكانات في المختبر وهي مفيدة لتركيب أنواع مختلفة من الألكانات بمجموعات ألكيل مختلفة وبدائل الهاليد.