التفاعلات الكيميائية للهيدروكربونات غير المشبعة (الألكينات والألكاينات)

الهيدروكربونات غير المشبعة، مثل الألكينات والألكاينات، تُعتبر من المركبات العضوية الأساسية ذات النشاط الكيميائي العالي، نظرًا لوجود الروابط المزدوجة (في الألكينات) أو الثلاثية (في الألكاينات) بين ذرات الكربون. هذا النشاط الكيميائي المتزايد يُمكنها من المشاركة في مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية، مما يجعلها مهمة في العديد من العمليات الصناعية والطبيعية [1][2][3].

تُستخدم الألكينات والألكاينات بشكل واسع في صناعات متعددة، مثل إنتاج البلاستيك والمطاط الصناعي، بالإضافة إلى دورها البارز في إنتاج المركبات الدوائية [4][5]. من بين التفاعلات الشائعة التي تخضع لها هذه المركبات، تفاعلات الإضافة، الأكسدة، الاحتراق، والبلمرة، والتي تُستخدم لتحويل هذه المركبات إلى مركبات أخرى ذات أهمية صناعية [6][2].

في هذا المنشور، سنركز على هذه التفاعلات الأربعة الهامة، مع شرح لكيفية حدوثها والأهمية العملية لها في صناعات مختلفة. كما سنناقش التطبيقات المتنوعة لهذه التفاعلات في مجالات مثل صناعة الكحوليات، الوقود، والبلاستيك.

البنية العامة للألكينات والألكاينات

تفاعلات الإضافة للألكينات والألكاينات

تفاعلات الإضافة هي التفاعلات الأكثر شيوعًا للهيدروكربونات غير المشبعة، حيث تُضاف جزيئات صغيرة مثل الهيدروجين أو الهالوجينات إلى الروابط المزدوجة أو الثلاثية في الألكينات والألكاينات لتكوين مركبات مشبعة أو غير مشبعة. هذه التفاعلات تُفسَّر بسهولة بسبب النشاط العالي للروابط π الموجودة في هذه المركبات، والتي تُعتبر مواقع تفاعلية جدًا [1][2].

أنواع تفاعلات الإضافة للهيدروكربونات غير المشبعة:

تؤدي تفاعلات الإضافة في الألكينات والألكاينات إلى كسر الرابطة باي (\(\pi\)) وتكوين اثنين من روابط سيجما (\(\sigma\)). وبسبب أن الطاقة المنبعثة من تكوين رابطتي السيجما أكبر من الطاقة اللازمة لكسر الرابطة باي، فإن تفاعلات الإضافة للألكينات والألكاينات هي طاردة للحرارة [8].

1. الإضافة الهيدروجينية (Hydrogenation):

   في هذه التفاعل، تُضاف ذرتا هيدروجين إلى الرابطة المزدوجة (أو الثلاثية) باستخدام عامل حفّاز مثل النيكل (Ni) أو البلاتين (Pt).

   المثال الأكثر شيوعًا هو تحويل الإيثين (C₂H₄) إلى الإيثان (C₂H₆) عند تسخين الجزيء مع الهيدروجين بوجود حفاز. $$\require{mhchem}\ce{CH2=CH2 + H2 ->[\ce{Pt}][\Delta] CH3-CH3}$$

   هذه العملية تُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الغذائية لتحويل الزيوت النباتية السائلة إلى دهون صلبة (مثل تصنيع السمن الصناعي) [3].

   

   من الشكل أعلاه، أن الهدرجة المحفزة للألكينات يؤدي إلى تكوين الألكانات المقابلة. في حين أن الألكاينات تحتاج إلى خطوة إضافية للحصول على الألكان المقابل. ويمكن منع تحول الألكاينات إلى الهيدروكربونات المشبعة والحصول على الألكينات فقط عن طريق الهدرجة الانتقائية باستخدام محفز ليندلار.

2. الإضافة الهالوجينية (Halogenation):

   تُضاف جزيئات الهالوجينات (مثل Cl₂ أو Br₂) إلى الرابطة المزدوجة أو الثلاثية لتكوين مركبات ثنائية الهالوجين.

   التفاعل مع الألكينات يُعطي مركبات مشبعة تمامًا مثل ثنائي برومو الإيثان:

   \[ \ce{C2H4 + Br2 -> C2H4Br2} \]

   في حين أن الألكاينات تحتاج إلى جولات إضافية للوصول إلى مركبات مشبعة بالكامل:

   \[ \ce{C2H2 + 2Br2 -> C2H2Br4} \]

   هذا التفاعل غالبًا ما يُستخدم كاختبار لتحديد وجود الألكينات أو الألكاينات عن طريق ملاحظة زوال لون محلول البروم (من البرتقالي إلى عديم اللون) [4].

3. إضافة هاليد الهيدروجين (Hydrohalogenation):

   في هذا النوع، يُضاف جزيء هاليد الهيدروجين (مثل HCl أو HBr) إلى الرابطة المزدوجة أو الثلاثية.

   اتجاه الإضافة يتبع قاعدة ماركونيكوف، حيث تذهب ذرة الهيدروجين إلى ذرة الكربون ذات العدد الأكبر من ذرات الهيدروجين المرتبطة بها مسبقًا، بينما يذهب الهاليد إلى الكربون الآخر. المثال: إضافة HCl إلى الإيثين تُنتج كلوروإيثان (C₂H₅Cl) [2][5].

   \[ \ce{C2H4 + HCl -> C2H5Cl} \]

4. إضافة الماء (Hydration):

   إضافة الماء بوجود حمض قوي (مثل H₂SO₄) كعامل حفاز تؤدي إلى تكوين الكحولات. المثال: إضافة الماء إلى الإيثين تُنتج الإيثانول (C₂H₅OH). هذه التفاعلات لها أهمية صناعية كبيرة خاصة في إنتاج الكحولات من الهيدروكربونات [3][6].

   \[ \ce{C2H4 + H2O ->[\ce{H2SO4}] C2H5OH} \]

بسبب الروابط المزدوجة أو الثلاثية فإن هذه المركبات تخضع للكثير من تفاعلات الإضافة. من التفاعلات الأخرى التي تتبع قاعدة ماركينيكوف، إضافة حمض الكبريتيك بدون تسخين إلى الألكين، حيث ينتج عنه ألكيل كبريتات الهيدروجين (\(\ce{R-OSO3H}\)) [7].

\[\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{OSO}_3\text{H}\]

بإضافة الماء يحول الناتج إلى كحول وذلك بتسخين المزيج:

\[\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{OSO}_3\text{H} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{OH} + \text{H}_2\text{SO}_4\]

أما إضافة الكحولات إلى الألكينات فتشبه إضافة الماء. تتم هذه العملية في الوسط الحمضي وينتج عنه إيثرات [7].

تُعتبر تفاعلات الإضافة أداة أساسية لتحويل الألكينات والألكاينات إلى مركبات أخرى ذات أهمية صناعية مثل الكحولات والهاليدات العضوية. تُظهر هذه التفاعلات الطبيعة المرنة لهذه المركبات، حيث يمكن تعديل خواصها عن طريق التحكم في نوع الجزيئات المضافة والظروف المستخدمة [2][6].

تفاعلات الأكسدة للألكينات والألكاينات

تفاعلات الأكسدة تُعد من التفاعلات الهامة للألكينات والألكاينات، حيث يمكن استخدامها لتحويل هذه المركبات إلى منتجات ذات أهمية كبيرة مثل الكحولات، الألدهيدات، الكيتونات، أو حتى الأحماض الكربوكسيلية. تعتمد طبيعة الناتج على نوع العامل المؤكسِد وظروف التفاعل [1][3].

أنواع تفاعلات الأكسدة:

1. الأكسدة المعتدلة (Mild Oxidation):

   تحدث عند استخدام عوامل مؤكسدة ضعيفة مثل برمنغنات البوتاسيوم المخفف والبارد (KMnO₄). في حالة الألكينات، ينتج عن الأكسدة مركبات ديول (جليكولات) حيث تُضاف مجموعتا -OH إلى ذرتي الكربون المكونتين للرابطة المزدوجة. مثال: أكسدة الإيثين (C₂H₄) باستخدام KMnO₄ تعطي إيثيلين جليكول (C₂H₆O₂) [5].

   \[ \ce{3C2H4 + 2KMnO4 + 4H2O -> 3C2H6O2 + 2MnO2 + 2KOH} \]

   هذه التفاعلات مفيدة في تحضير الكحولات الثنائية، والتي تُستخدم كمذيبات أو مواد وسيطة في الصناعات الكيميائية.

2. الأكسدة القوية (Strong Oxidation):

   عند استخدام عوامل مؤكسدة قوية مثل KMnO₄ أو K₂Cr₂O₇ في ظروف حامضية أو ساخنة، يمكن كسر الرابطة المزدوجة أو الثلاثية بالكامل لتكوين منتجات أكسدة نهائية. الألكينات تنتج خليطًا من الألدهيدات أو الكيتونات أو الأحماض الكربوكسيلية حسب طبيعة الألكين. مثال: أكسدة الإيثين باستخدام KMnO₄ الساخن تعطي ثاني أكسيد الكربون والماء. أما أكسدة البروبن تعطي حمض الفورميك وحمض الأسيتيك [6][2].

   \[ \ce{C2H4 + 4[O] ->[KMnO4/H+] 2CO2 + 2H2O} \]

   \[ \ce{C3H6 + 4[O] ->[KMnO4/H+] HCOOH + CH3COOH} \]

   الألكاينات، عند أكسدتها القوية، تتحول أيضًا إلى أحماض كربوكسيلية.

3. الأكسدة باستخدام الأوزون (Ozonolysis):

   يُعد تفاعل الأوزنة أحد التفاعلات المتخصصة لتفكيك الألكينات أو الألكاينات إلى ألدهيدات أو كيتونات دون الحاجة إلى عوامل مؤكسدة قوية. تُضاف جزيئات الأوزون (O₃) إلى الرابطة المزدوجة لتكوين مركبات أوزونيدية غير مستقرة، والتي تُحلل لاحقًا باستخدام عوامل اختزال مثل الزنك أو عوامل مؤكسدة للحصول على المنتجات النهائية. مثال: أوزنة الإيثين تعطي الفورمالديهايد، وأوزنة البروبن تعطي الأسيتالدهيد وكيتون البروبانون [3][6].

   \[ \ce{C2H4 + O3 ->[Zn/H2O] 2HCHO} \]

   \[ \ce{C3H6 + O3 ->[Zn/H2O] CH3CHO + CH3COCH3} \]

تُظهر تفاعلات الأكسدة تنوعًا كبيرًا في المنتجات، مما يجعلها ذات أهمية كبيرة في الكيمياء العضوية التطبيقية. تفاعل الأوزنة، على وجه الخصوص، يُعتبر أداة مفيدة لتحليل الألكينات والألكاينات وتحديد بنيتها [3][6].

تفاعلات الاحتراق للألكينات والألكاينات

تفاعلات الاحتراق هي واحدة من أكثر التفاعلات شيوعًا لجميع أنواع الهيدروكربونات، بما في ذلك الألكينات والألكاينات. تحدث هذه التفاعلات عند احتراق المركب في وجود الأكسجين، ما يؤدي إلى إنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والماء (H₂O) مع إطلاق كميات كبيرة من الطاقة على شكل حرارة وضوء.

خصائص احتراق الألكينات والألكاينات:

1. طبيعة الاحتراق في الألكينات والألكاينات:

   تتميز الألكينات والألكاينات بوجود روابط مزدوجة أو ثلاثية بين ذرات الكربون، ما يعني احتوائها على نسبة أعلى من الكربون مقارنة بالألكانات.

   نتيجة لذلك، يكون احتراقها أقل كفاءة مقارنة بالألكانات، وغالبًا ما ينتج عنها كميات أكبر من الكربون الحر (السخام) عند وجود نقص في الأكسجين [1][3].

2. المعادلات الكيميائية:

   مثال على احتراق الإيثين (C₂H₄):

   \[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]

   مثال على احتراق الأسيتيلين (C₂H₂):

   \[ \ce{2C2H2 + 5O2 -> 4CO2 + 2H2O} \]

3. الحرارة الناتجة عن الاحتراق:

   بسبب الروابط المزدوجة أو الثلاثية، تكون الطاقة الناتجة عن احتراق الألكينات والألكاينات أقل مقارنة بالألكانات التي تمتلك روابط أحادية فقط.

   على سبيل المثال، طاقة احتراق الإيثين أقل من طاقة احتراق الإيثان، مع أن كليهما يحتوي على نفس العدد من ذرات الكربون والهيدروجين [2][4].

4. أهمية احتراق الألكينات والألكاينات:

   تُستخدم الألكاينات مثل الأسيتيلين (C₂H₂) كوقود في مشاعل اللحام بسبب الحرارة العالية الناتجة عن احتراقها في الأكسجين.

   يمكن استخدام الاحتراق الكامل للألكينات والألكاينات كمصدر للطاقة في بعض التطبيقات، لكن استخدامهما كوقود أقل شيوعًا من الألكانات بسبب وجود بدائل أكثر كفاءة وأقل تكلفة [5].

رغم أن تفاعلات الاحتراق ليست فريدة للألكينات والألكاينات، فإن خصائصها الفيزيائية والكيميائية تؤثر على كفاءة الاحتراق ونواتجه. من هنا تأتي أهمية فهم هذه التفاعلات في التطبيقات العملية مثل الوقود الصناعي واللحام [1][2][5].

تفاعلات البلمرة للألكينات

تُعد بلمرة الألكينات عملية حيوية في الصناعة الكيميائية، حيث تعتمد على ربط جزيئات الألكينات (مثل الإيثيلين والبروبيلين) عبر روابط تساهمية لتشكيل بوليمرات خطية أو متفرعة [8]. تتميز هذه التفاعلات بكونها بلمرة إضافة، حيث لا يُنتج عنها نواتج ثانوية [8].

آلية بلمرة الألكينات

المراحل الرئيسية:

1. البدء (Initiation):
   • تفكك البادئات (مثل بيروكسيد البنزويل) بالحرارة/الضوء لتكوين جذور حرة [8].
   • هجوم الجذر الحر على الرابطة المزدوجة للألكين لتشكيل مركز نشط [8].
2. النمو (Propagation):
   • إضافة متتالية لجزيئات الألكين إلى السلسلة النامية [8].
   • مثال:

     \[ R^\bullet + \text{CH}_2=\text{CH}_2 \rightarrow R-\text{CH}_2-\text{CH}_2^\bullet \]

3. الإنهاء (Termination):
   • اتحاد سلسلتين ناميتين (ازدواج) أو انتقال هيدروجين (اقتناص) [8].

أمثلة على بوليمرات الألكينات

الألكين	الصيغة	البوليمر	التطبيق
إيثيلين	CH₂=CH₂	بولي إيثيلين (PE)	أكياس، عبوات [8]
بروبيلين	CH₂=CHCH₃	بولي بروبيلين (PP)	أجزاء سيارات، ألياف [8]
فينيل كلوريد	CH₂=CHCl	بولي فينيل كلوريد (PVC)	أنابيب، أرضيات [9]

العوامل المؤثرة في البلمرة

• نوع البادئ: بيروكسيدات لتفاعلات سريعة، آزو مركبات لتحكم أفضل [8].
• درجة الحرارة: درجات منخفضة تنتج بوليمرات خطية عالية الوزن الجزيئي [8].
• ضغط التفاعل: ضروري لبلمرة الألكينات الغازية (مثل الإيثيلين) [9].

الخاتمة

تُعد الهيدروكربونات غير المشبعة، مثل الألكينات والألكاينات، جزيئات أساسية في الكيمياء العضوية بفضل تنوع تفاعلاتها الكيميائية وأهميتها الصناعية. من خلال استكشاف تفاعلات الإضافة والأكسدة والاحتراق، يتضح كيف يمكن استخدام هذه المركبات في مجموعة واسعة من التطبيقات العملية، بدءًا من تصنيع البلاستيك والمطاط الصناعي وصولًا إلى الوقود وعمليات التحليل الكيميائي.

أهمية التفاعلات في الصناعات المختلفة:

• تفاعلات الإضافة: توفر وسيلة فعالة لتحضير مركبات أكثر تعقيدًا، تُستخدم في الصناعات الدوائية والبتروكيماويات.
• تفاعلات الأكسدة: تُستخدم في إنتاج الكحولات، الكيتونات، والأحماض التي تُعتبر مواد وسيطة مهمة في العديد من الصناعات الكيميائية.
• تفاعلات الاحتراق: تُظهر الأهمية الطاقوية لهذه المركبات، خاصةً في لحام المعادن.
• تفاعلات البلمرة: تبرز كمفتاح لإنتاج مواد بلاستيكية مرنة ومتينة تُستخدم في الحياة اليومية.

___________

اقرأ أيضًا: تسمية الألكينات باستخدام قواعد أيوباك

___________

الأسئلة الشائعة حول تفاعلات الهيدروكربونات غير المشبعة

ما هي الهيدروكربونات غير المشبعة؟

الهيدروكربونات غير المشبعة هي مركبات عضوية تحتوي على رابطة مزدوجة أو ثلاثية على الأقل بين ذرات الكربون. وهي تشمل:

• الألكينات: هيدروكربونات تحتوي على رابطة مزدوجة واحدة على الأقل بين ذرات الكربون (C=C).
• الألكاينات: هيدروكربونات تحتوي على رابطة ثلاثية واحدة على الأقل بين ذرات الكربون (C≡C).

ما هي التفاعلات الشائعة للألكينات والألكاينات؟

تخضع الألكينات والألكاينات لتفاعلات مميزة بسبب عدم تشبعها. وتشمل هذه التفاعلات الهدرجة (إضافة H₂ مع محفز لتكوين الألكانات)، والهلجنة (إضافة الهالوجينات مثل Br₂ أو Cl₂ لتكوين ثنائيات أو رباعيات الهاليدات)، وإضافة هاليدالهيدروجين (إضافة HX لتكوين هاليدات الألكيل أو الألكينيل)، والإماهة (إضافة H₂O مع محفز لتكوين الكحولات أو الكيتونات)، والبلمرة (تكوين البوليمرات مثل البولي إيثيلين)، والأكسدة (التفاعل مع عوامل الأكسدة مثل KMnO₄ أو O₃ لتكوين ثنائيات أو أحماض أو منتجات مقسمة).

ما هي قاعدة ماركوفنيكوف؟

تنص قاعدة ماركوفنيكوف على أنه عند إضافة حمض بروتيك (مثل HX أو H2O) إلى ألكين أو ألكاين غير متماثل، فإن ذرة الهيدروجين سوف ترتبط بالكربون الذي يحتوي على عدد أكبر من ذرات الهيدروجين، بينما ترتبط المجموعة X (أو المجموعة OH في الترطيب) بالكربون الذي يحتوي على عدد أقل من ذرات الهيدروجين.

ما هي الإضافة المضادة لماركوفنيكوف؟

تحدث الإضافة المضادة لماركوفنيكوف عندما ترتبط ذرة الهيدروجين بالكربون الذي يحتوي على عدد أقل من ذرات الهيدروجين، وترتبط المجموعة X بالكربون الذي يحتوي على عدد أكبر من ذرات الهيدروجين. غالبًا ما يُلاحظ هذا في وجود البيروكسيدات (ROOR) أثناء إضافة هاليد الهيدروجين (مثل إضافة HBr).

كيف تتفاعل الهيدروكربونات غير المشبعة مع العوامل المؤكسدة؟

• الألكينات: الأكسدة الخفيفة مع KMnO₄ تشكل ثنائيات الكحول، بينما الأكسدة القوية تقطع الرابطة المزدوجة لتكوين أحماض كربوكسيلية أو كيتونات.
• الألكاينات: الأكسدة القوية تقطع الرابطة الثلاثية لتكوين أحماض كربوكسيلية.

ما هو دور المحفزات في تفاعلات الهيدروكربونات غير المشبعة؟

تُستخدم المحفزات (مثل النيكل، والبلاديوم، والبلاتين، أو الأحماض) لخفض طاقة التنشيط وتسريع التفاعلات مثل الهدرجة، والإماهة، والبلمرة.

المصادر:

1. McMurry, J. (2015). Organic chemistry (9th ed.). Cengage. رابط الناشر | أمازون
2. Solomons, T. W., Fryhle, C. B., & Snyder, S. A. (2016). Organic chemistry (12th ed.). Wiley. رابط الناشر | أمازون
3. Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2001). Organic chemistry. Oxford University Press. رابط الناشر | أمازون
4. IUPAC. (n.d.). IUPAC Gold Book. Retrieved December 23, 2024, from https://goldbook.iupac.org
5. Organic Chemistry Portal. (n.d.). Retrieved December 23, 2024, from https://www.organic-chemistry.org
6. Smith, M. B. (2013). March's advanced organic chemistry: Reactions, mechanisms, and structure (7th ed.). Wiley. رابط الناشر | أمازون
7. جامعة الأنبار. (n.d.). تفاعلات الألكينات (الفصل الرابع: الألكينات (الأوليفينات)). [ملف PDF] (ص. 62، 64). تم الاسترداد من http://www.uoanbar.edu.iq
8. السعيطي، و. م.، & محمد، و. غ. (2008). أسس الكيمياء العضوية (Foundations of Organic Chemistry) (الطبعة الأولى). دار الكتب الوطنية، ليبيا. تم الاسترداد من https://www.kau.edu.sa
9. قسم الكيمياء، جامعة البصرة. (2022). آليات البلمرة [ملف PDF]. تم الاسترداد من: 1698441182.pdf