الدرس الثالث: تحضير المركبات العضوية

الثانوي - الصف الثاني عشر - المسار الأكاديمي

إعداد المعلم أ. عبدالفتاح مطر

شرح الدرس (صوت)

الدرس الثالث: تحضير المركبات العضوية

١. مقدمة وأهمية التحضير

تُنتج ملايين المركبات العضوية سنويًا، وتسهم في النمو الاقتصادي، وتدخل في صناعات متعددة مثل الوقود، الأدوية، المبلمرات، والمنظفات.

مصادر المركبات العضوية

المصادر الطبيعية: النباتات والكائنات الحية (النكهات، الزيوت).
المصادر الصناعية: النفط والغاز الطبيعي (المصدر الرئيسي).

٢. تحضير الألكانات

أ. الاستخلاص من المصادر الطبيعية

يتم ذلك بعملية التقطير التجزيئي للنفط والغاز الطبيعي لفصل المكونات حسب درجات الغليان.

ب. التكسير الحراري (Thermal Cracking)

تسخين النفط لدرجات حرارة عالية لتكسير السلاسل الطويلة إلى ألكانات وألكينات أصغر.

C₈H₁₈ →(Δ)→ C₄H₁₀ + C₄H₈

ج. هدرجة الألكينات (إضافة H₂)

إضافة الهيدروجين للألكين بوجود عامل مساعد (Ni, Pt) وحرارة.

CH₂=CH₂ + H₂ →(Ni)→ CH₃-CH₃

تطبيق صناعي:

هدرجة الزيوت النباتية السائلة لتحويلها إلى سمن نباتي صلب.

أمثلة تطبيقية على تحضير الألكانات:

١. تحضير البروبان من البروبين (هدرجة):
CH₃-CH=CH₂ + H₂ →(Ni)→ CH₃-CH₂-CH₃
٢. تحضير 2-ميثيل بيوتان من 2-ميثيل-2-بيوتين:
CH₃-C(CH₃)=CH-CH₃ + H₂ →(Pt)→ CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃
٣. التكسير الحراري للأوكتان (مثال):
C₈H₁₈ →(Δ)→ C₄H₁₀ (بيوتان) + C₄H₈ (بيوتين)

٣. تحضير الألكينات

أ. التكسير الحراري للألكانات

ينتج خليط من الألكانات والألكينات (كما سبق ذكره).

ب. نزع هاليد الهيدروجين (HX) من هاليد الألكيل

تسخين هاليد الألكيل مع قاعدة قوية (KOH/NaOH) في وسط كحولي.

CH₃-CHBr-CH₃ + NaOH(alc) →(Δ)→ CH₃-CH=CH₂ + NaBr + H₂O

ج. نزع الماء من الكحولات

تسخين الكحول مع حمض الكبريتيك المركز (H₂SO₄).

CH₃-CH₂-OH →(H₂SO₄/Δ)→ CH₂=CH₂ + H₂O

مخطط طرق تحضير الألكينات

هاليد ألكيل

R-CHX-CH₃

KOH(alc) / Δ
(نزع HX)

كحول

R-CH(OH)-CH₃

H₂SO₄ / 170°C
(نزع ماء)

ألكين

R-CH=CH₂

أمثلة تطبيقية على تحضير الألكينات:

١. تحضير الإيثين من الإيثانول (نزع ماء):
CH₃-CH₂-OH →(H₂SO₄/170°C)→ CH₂=CH₂ + H₂O
٢. تحضير البروبين من 2-بروموبروبان (نزع HX):
CH₃-CHBr-CH₃ + KOH(alc) →(Δ)→ CH₃-CH=CH₂ + KBr + H₂O

٤. تحضير هاليدات الألكيل (R-X)

من الألكانات (الاستبدال): تفاعل مع الهالوجين بوجود الضوء.
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
من الألكينات (الإضافة): إضافة HX (تتبع قاعدة ماركونيكوف).
CH₃-CH=CH₂ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃
من الكحولات (الاستبدال): باستخدام HX أو PBr₃.
R-OH + HX → R-X + H₂O

مخطط طرق تحضير هاليدات الألكيل

ألكان

R-H

X₂ / UV
(استبدال)

ألكين

C=C

HX
(إضافة)

كحول

R-OH

HX أو PCl₅
(استبدال)

هاليد ألكيل

R-X

أمثلة تطبيقية على تحضير هاليدات الألكيل:

١. تحضير كلورو إيثان (CH₃-CH₂Cl) من الإيثان (CH₃-CH₃) (تفاعل استبدال بوجود الضوء):
CH₃-CH₃ + Cl₂ →(الضوء/UV)→ CH₃-CH₂Cl + HCl
٢. تحضير 2-بروموبروبان (CH₃-CHBr-CH₃) من البروبين (CH₃-CH=CH₂) (تفاعل إضافة يخضع لقاعدة ماركونيكوف):
CH₃-CH=CH₂ + HBr → CH₃-CHBr-CH₃
٣. تحضير كلورو إيثان (CH₃-CH₂Cl) من الإيثانول (CH₃-CH₂-OH) (تفاعل استبدال بوجود عامل مساعد):
CH₃-CH₂-OH + HCl →(ZnCl₂)→ CH₃-CH₂Cl + H₂O

٥. تحضير الألدهيدات والكيتونات

١. التحضير الصناعي (نزع هيدروجين من الكحولات)

يتم بتمرير أبخرة الكحول على نحاس مسخن لدرجة 300°C (تفاعل نزع هيدروجين):

تحضير الإيثانال من الإيثانول

CH₃-CH₂-OH →(Cu/300°C)→ CH₃-CHO + H₂

تحضير البروبانون من 2-بروبانول

CH₃-CH(OH)-CH₃ →(Cu/300°C)→ CH₃-CO-CH₃ + H₂

٢. التحضير المخبري (أكسدة الكحولات)

أكسدة الكحولات بواسطة عوامل مؤكسدة (مثل PCC أو K₂Cr₂O₇):

أكسدة كحول أولي: باستخدام عامل مؤكسد ضعيف (PCC) ينتج ألدهيد.
أكسدة كحول ثانوي: ينتج كيتون (باستخدام K₂Cr₂O₇ أو KMnO₄).

كحول أولي ← ألدهيد

R-CH₂OH →(PCC)→ R-CHO

كحول ثانوي ← كيتون

R-CH(OH)-R' →([O])→ R-CO-R'

٤. مسارات تحضير الألدهيدات والكيتونات (من مركبات أخرى):

١. التحضير من الألكانات (مسار من 3 خطوات):
ألكان ← (استبدال) ← هاليد ألكيل ← (استبدال OH) ← كحول ← (أكسدة) ← ألدهيد/كيتون

CH₃-CH₃ + Cl₂ →(الضوء)→ CH₃-CH₂Cl + HCl

CH₃-CH₂Cl + KOH(aq) →(Δ)→ CH₃-CH₂-OH + KCl

CH₃-CH₂-OH →(PCC)→ CH₃-CHO + H₂O
٢. التحضير من الألكينات (مسار من خطوتين):
ألكين ← (إضافة H₂O) ← كحول ← (أكسدة) ← ألدهيد/كيتون

CH₃-CH=CH₂ + H₂O →(H⁺/Δ)→ CH₃-CH(OH)-CH₃ (ماركونيكوف)

CH₃-CH(OH)-CH₃ →(K₂Cr₂O₇/H⁺)→ CH₃-CO-CH₃ + H₂O
٣. التحضير من هاليدات الألكيل (مسار من خطوتين):
هاليد ألكيل ← (استبدال بـ OH) ← كحول ← (أكسدة) ← ألدهيد/كيتون

CH₃-CH₂-CH₂Cl + KOH(aq) →(Δ)→ CH₃-CH₂-CH₂OH + KCl

CH₃-CH₂-CH₂OH →(PCC)→ CH₃-CH₂-CHO + H₂O

مخطط تحضير الألدهيدات والكيتونات

ألكان

R-H

X₂ / UV

هاليد ألكيل

R-X

KOH(aq) / Δ

ألكين

C=C

H₂O / H⁺

كحول

R-OH

أكسدة ([O])
(PCC أو K₂Cr₂O₇)

ألدهيد أو كيتون

R-CO-R' / R-CHO

٦. تحضير الكحولات (R-OH)

مخطط طرق تحضير الكحولات (الشكل 23)

الكحولات

تفكك الإستر في وسط قاعدي.

إضافة الماء إلى الألكينات

إضافة مركب غرينارد الى الألديهايد أو الكيتون، ثم إضافة HCl أو HBr.

الشكل (23): تحضير الكحولات من مركبات عضوية.

اختزال الحموض الكربوكسيلية

اختزال الألديهايد أو الكيتون

الاستبدال في هاليد الألكيل

شرح طرق تحضير الكحولات:

١. إضافة الماء إلى الألكينات (Hydration)

يُضاف الماء إلى الألكينات في وسط حمضي (مثل H₂SO₄ أو H₃PO₄) كعامل مساعد لتكوين الكحولات، وتتبع الإضافة قاعدة ماركونيكوف.

CH₂=CH₂ + H₂O →(H⁺)→ CH₃-CH₂-OH

٢. إضافة مركب غرينارد للألديهايد أو الكيتون

تضاف كواشف غرينارد (RMgX) متبوعة بحمض (HCl أو HBr) لتكوين كحولات مع زيادة طول السلسلة الكربونية:

HCHO + RMgX → ثم HCl → R-CH₂OH (كحول أولي)

R-CHO + R'MgX → ثم HCl → R-CH(OH)-R' (كحول ثانوي)

R-CO-R + R'MgX → ثم HCl → R-C(OH)(R)-R' (كحول ثالثي)

٣. الاستبدال في هاليد الألكيل

تفاعل هاليدات الألكيل (R-X) مع محلول مائي لقاعدة قوية (مثل KOH أو NaOH) مع التسخين، ويستبدل الهالوجين بمجموعة الهيدروكسيل.

R-CH₂-X + KOH(aq) →(Δ)→ R-CH₂-OH + KX

٤. اختزال الألديهايد أو الكيتون

يتم الاختزال باستخدام عوامل مثل (H₂/Ni) أو (NaBH₄).

R-CHO + H₂ → R-CH₂OH (ألدهيد ← كحول أولي)
R-CO-R' + H₂ → R-CHOH-R' (كيتون ← كحول ثانوي)

٥. اختزال الحموض الكربوكسيلية

باستخدام عوامل مختزلة قوية مثل هيدريد ليثيوم ألمنيوم (LiAlH₄) لإنتاج كحول أولي.

R-COOH + 4[H] →(LiAlH₄)→ R-CH₂OH + H₂O

٦. تفكك الإستر في وسط قاعدي (التصبن)

تتفاعل الإسترات مع القواعد القوية (مثل NaOH) لإنتاج ملح الحمض الكربوكسيلي والكحول المقابل.

R-COO-R' + NaOH →(Δ)→ R-COO⁻Na⁺ + R'-OH

أمثلة تطبيقية شاملة على تحضير الكحولات:

١. تحضير 2-بروبانول من البروبين (إضافة ماء قاعدة ماركونيكوف):
CH₃-CH=CH₂ + H₂O →(H⁺)→ CH₃-CH(OH)-CH₃
٢. تحضير الإيثانول من الإيثانال (اختزال ألدهيد):
CH₃-CHO + H₂ →(Ni)→ CH₃-CH₂-OH
٣. تحضير 2-بروبانول من الإيثانال باستخدام كاشف جرينيارد (تكوين كحول ثانوي):
تفاعل الإيثانال مع كاشف جرينيارد (ميثيل المغنيسيوم بروميد) متبوعاً بإضافة حمض.

CH₃-CHO + CH₃MgBr → CH₃-CH(OMgBr)-CH₃

CH₃-CH(OMgBr)-CH₃ + HCl → CH₃-CH(OH)-CH₃ + MgBrCl
٤. تحضير الميثانول من كلوروميثان (استبدال في هاليد الألكيل):
CH₃-Cl + KOH(aq) →(Δ)→ CH₃-OH + KCl
٥. تحضير الإيثانول من حمض الإيثانوئيك (اختزال حمض كربوكسيلي):
CH₃-COOH + 4[H] →(LiAlH₄)→ CH₃-CH₂-OH + H₂O

التحضير الصناعي للكحولات

أ. الميثانول (من الغاز الطبيعي)

تفاعل أول أكسيد الكربون مع الهيدروجين تحت ضغط وحرارة بوجود عامل مساعد.

CO + 2H₂ →(ZnO/Cr₂O₃)→ CH₃OH

ب. الإيثانول (التخمير)

تخمير السكريات (الجلوكوز) بواسطة إنزيمات الخميرة (Zymase).

C₆H₁₂O₆ →(Yeast)→ 2C₂H₅OH + 2CO₂

٧. تحضير الحموض الكربوكسيلية

تحضير الحموض الكربوكسيلية (مخبرياً):

١. الأكسدة التامة للكحولات الأولية والألدهيدات

باستخدام عوامل مؤكسدة قوية مثل ديكرومات البوتاسيوم الحمضية (K₂Cr₂O₇/H⁺) أو برمنغنات البوتاسيوم (KMnO₄) مع التسخين.

(كحول أولي) R-CH₂OH + 2[O] →(K₂Cr₂O₇/H⁺)→ R-COOH + H₂O

(ألدهيد) R-CHO + [O] →(K₂Cr₂O₇/H⁺)→ R-COOH

٢. التحلل المائي للإسترات (في وسط حمضي)

عند تسخين الإستر مع الماء في وجود حمض قوي (مثل H₂SO₄ أو HCl) كعامل مساعد، يتحلل الإستر ليعطي الحمض الكربوكسيلي والكحول المكونين له.

R-COOR' + H₂O ⇌(H⁺/Δ)⇌ R-COOH + R'OH

أمثلة تطبيقية على تحضير الحموض الكربوكسيلية:

١. تحضير حمض الإيثانويك من الإيثانول (أكسدة تامة لكحول أولي):
CH₃-CH₂-OH + 2[O] →(K₂Cr₂O₇/H⁺/Δ)→ CH₃-COOH + H₂O
٢. تحضير حمض البروبانويك من البروبانال (أكسدة ألدهيد):
CH₃-CH₂-CHO + [O] →(KMnO₄/H⁺/Δ)→ CH₃-CH₂-COOH
٣. تحضير حمض الإيثانويك من إيثانوات الميثيل (تحلل مائي في وسط حمضي):
CH₃-COOCH₃ + H₂O ⇌(H⁺/Δ)⇌ CH₃-COOH + CH₃OH

التحضير الصناعي للحموض الكربوكسيلية (مثال: حمض الإيثانويك)

يتم تحضير حمض الإيثانويك (CH₃COOH) صناعياً بطرق أهمها تفاعل الميثانول مع أول أكسيد الكربون:

CH₃OH + CO →(Rh/I₂)→ CH₃COOH

٨. تحضير الإسترات

تفاعل الأسترة (Esterification)

تُحضر الإسترات من تفاعل الحموض الكربوكسيلية مع الكحولات في وسط حمضي (غالباً باستخدام حمض الكبريتيك المركز H₂SO₄ كعامل مساعد). التفاعل عكسي، والوسط الحمضي يعمل كعامل مساعد وعامل نازع للماء (لإزاحة الاتزان نحو تكوين النواتج، أي الإستر).

R-COOH + R'-OH ⇌(H₂SO₄ مركز/Δ)⇌ R-COO-R' + H₂O

أمثلة تطبيقية على تحضير الإسترات:

١. تحضير إيثانوات الإيثيل (أسيتات الإيثيل) من حمض الإيثانوئيك والإيثانول:
CH₃-COOH + CH₃-CH₂-OH ⇌(H⁺/Δ)⇌ CH₃-COOCH₂CH₃ + H₂O
٢. تحضير ميثانوات الإيثيل من حمض الميثانوئيك والإيثانول:
H-COOH + CH₃-CH₂-OH ⇌(H⁺/Δ)⇌ H-COOCH₂CH₃ + H₂O

٩. تحضير الإيثرات

طريقة ويليامسون (Williamson Ether Synthesis)

تعتمد هذه الطريقة على تفاعل ألكوكسيد الصوديوم (أو البوتاسيوم) مع هاليد ألكيل (يُفضل أن يكون أولياً لتجنب تفاعلات الحذف الجانبية). تعتبر هذه الطريقة ممتازة لتحضير الإيثرات المتماثلة وغير المتماثلة.

خطوات التحضير:

تكوين الألكوكسيد: بتفاعل الكحول مع فلز نشط (مثل الصوديوم Na).
R-OH + Na → R-ONa + ½ H₂↑
تفاعل الاستبدال (تكوين الإيثر): بتفاعل الألكوكسيد الأيوني مع هاليد الألكيل.
R'-X + R-ONa → R-O-R' + NaX

أمثلة تطبيقية على تحضير الإيثرات:

١. تحضير ميثوكسي إيثان (إيثر إيثيل ميثيل - إيثر غير متماثل):
بتفاعل إيثوكسيد الصوديوم مع كلورو ميثان (أو ميثوكسيد الصوديوم مع كلورو إيثان).

CH₃-CH₂-ONa + CH₃-Cl → CH₃-CH₂-O-CH₃ + NaCl
٢. تحضير إيثوكسي إيثان (ثنائي إيثيل إيثر - إيثر متماثل):
بتفاعل إيثوكسيد الصوديوم مع برومو إيثان.

CH₃-CH₂-ONa + CH₃-CH₂-Br → CH₃-CH₂-O-CH₂-CH₃ + NaBr

ملخص طرق التحضير

المركب	طريقة التحضير الرئيسية	المتفاعلات
ألكين	حذف (Elimination)	هاليد ألكيل + قاعدة قوية / كحول + H₂SO₄
هاليد ألكيل	استبدال / إضافة	ألكان + X₂ / ألكين + HX / كحول + HX
كحول	إضافة / اختزال / جرينيارد	ألكين + H₂O / ألدهيد + H₂ / كيتون + RMgX
إستر	أسترة	حمض + كحول
إيثر	ويليامسون	هاليد ألكيل + ألكوكسيد

مخطط التحضير الشامل

مخطط يوضح تفاعلات التحضير بين المركبات العضوية المختلفة (الأسهم توضح اتجاه التفاعل والكواشف)

ألكان

R-H

هاليد ألكيل

R-X

ألكين

C=C

كحول

R-OH

إيثر

R-O-R'

ألدهيد/كيتون

R-CHO / RCOR'

حمض كربوكسيلي

R-COOH

إستر

R-COOR'

X₂ / ضوء
(استبدال)

KOH(alc)
Δ
(حذف HX)

HX
(إضافة)

H₂ / Ni
(هدرجة)

KOH(aq) / Δ
(استبدال)

HX أو PCl₅
(استبدال)

H₂O / H⁺
(إضافة)

H₂SO₄
170°C
(حذف H₂O)

[O]
K₂Cr₂O₇/H⁺
أو PCC
(أكسدة)

H₂ / Ni
أو RMgX
(اختزال/إضافة)

Na ثم R'X
(ويليامسون)

2[O] كحول أولي
K₂Cr₂O₇/H⁺ / Δ

LiAlH₄
ثم H⁺ (اختزال)

[O]
K₂Cr₂O₇ / H⁺

R'OH / H⁺
Δ
(أسترة)

H₂O / H⁺
Δ
(تحلل مائي)

RCOOH / H⁺
(أسترة)

️ تفاعلات جرينيارد (زيادة عدد ذرات الكربون)

HCHO (ميثانال)

↓ RMgX / H₃O⁺

كحول أولي

RCHO (ألدهيد)

↓ RMgX / H₃O⁺

كحول ثانوي

RCOR' (كيتون)

↓ RMgX / H₃O⁺

كحول ثالثي

عربة التسوق

الدرس الثالث: تحضير المركبات العضوية

الدرس الثالث: تحضير المركبات العضوية

١. مقدمة وأهمية التحضير

٢. تحضير الألكانات

أ. الاستخلاص من المصادر الطبيعية

ب. التكسير الحراري (Thermal Cracking)

ج. هدرجة الألكينات (إضافة H₂)

أمثلة تطبيقية على تحضير الألكانات:

٣. تحضير الألكينات

أ. التكسير الحراري للألكانات

ب. نزع هاليد الهيدروجين (HX) من هاليد الألكيل

ج. نزع الماء من الكحولات

مخطط طرق تحضير الألكينات

أمثلة تطبيقية على تحضير الألكينات:

٤. تحضير هاليدات الألكيل (R-X)

مخطط طرق تحضير هاليدات الألكيل

أمثلة تطبيقية على تحضير هاليدات الألكيل:

٥. تحضير الألدهيدات والكيتونات

١. التحضير الصناعي (نزع هيدروجين من الكحولات)

٢. التحضير المخبري (أكسدة الكحولات)

٤. مسارات تحضير الألدهيدات والكيتونات (من مركبات أخرى):

مخطط تحضير الألدهيدات والكيتونات

٦. تحضير الكحولات (R-OH)

مخطط طرق تحضير الكحولات (الشكل 23)

شرح طرق تحضير الكحولات:

١. إضافة الماء إلى الألكينات (Hydration)

٢. إضافة مركب غرينارد للألديهايد أو الكيتون

٣. الاستبدال في هاليد الألكيل

٤. اختزال الألديهايد أو الكيتون

٥. اختزال الحموض الكربوكسيلية

٦. تفكك الإستر في وسط قاعدي (التصبن)

أمثلة تطبيقية شاملة على تحضير الكحولات:

التحضير الصناعي للكحولات

٧. تحضير الحموض الكربوكسيلية

تحضير الحموض الكربوكسيلية (مخبرياً):

١. الأكسدة التامة للكحولات الأولية والألدهيدات

٢. التحلل المائي للإسترات (في وسط حمضي)

أمثلة تطبيقية على تحضير الحموض الكربوكسيلية:

التحضير الصناعي للحموض الكربوكسيلية (مثال: حمض الإيثانويك)

٨. تحضير الإسترات

تفاعل الأسترة (Esterification)

أمثلة تطبيقية على تحضير الإسترات:

٩. تحضير الإيثرات

طريقة ويليامسون (Williamson Ether Synthesis)

خطوات التحضير:

أمثلة تطبيقية على تحضير الإيثرات:

ملخص طرق التحضير

مخطط التحضير الشامل

️ تفاعلات جرينيارد (زيادة عدد ذرات الكربون)