الألكانات الحلقية الصيغة العامة والتسمية وسبب نشاط الحلقات الصغيرة.التمييز بين المركبات الأليفاتية والأروماتية وتركيب البنزين عند كيكولي. طرق تحضير البنزين صناعيًا ومعمليًا وتسمية مشتقاته. تفاعلات الإضافة والاستبدال للبنزين وتوجيه المجموعات للمواقع الأرثو والميتا والبارا. 🌳 شجرة المفاهيم الدرس الرابع الهيدروكربونات الحلقية والبنزين العطري
├── أولًا الألكانات الحلقية
│ ├── التسمية │ └── ثبات الحلقات ونشاطها ├── ثانيًا المركبات الأليفاتية والمركبات الأروماتية
├── ثالثًا تركيب البنزين
│ └── صيغة كيكولي ├── رابعًا ← تحضير البنزين
│ ├── 1) من الفحم الحجري (التقطير الإتلافي) │ ├── 2) من المشتقات البترولية الأليفاتية │ ├── 3) من الفينول │ └── 4) التحضير المعملي من بنزوات الصوديوم ├── خامسًا ← تسمية مشتقات البنزين
│ ├── 1) مشتق أحادي الإحلال │ ├── شق الأريل │ ├── 2) مشتق ثنائي الإحلال │ └── 3) مشتق ثلاثي الإحلال ├── سادسًا الخواص الفيزيائية للبنزين
├── سابعًا تفاعلات الإضافة في البنزين
│ ├── 1) إضافة الهيدروجين (الهدرجة) │ └── 2) الهلجنة بالإضافة ├── ثامنًا ← تفاعلات الاستبدال في البنزين
│ ├── 1) الهلجنة بالاستبدال │ ├── 2) الألكلة (تفاعل فريدل–كرافت) │ ├── 3) النيترة │ ├── مركبات النيترو المتفجرة │ └── 4) السلفنة ├── تاسعًا ← توجيه المجموعات في حلقة البنزين
│ ├── مجموعات توجه إلى الموقعين أرثو وبارا │ └── مجموعات توجه إلى الموقع ميتا └── عاشرًا ← مقارنة بين الألكينات والبنزين
🧊 المجسم الفراغي ثلاثي الأبعاد لسحابة إلكترونات باي غير الموضعية في البنزين العطري D Scientific Model ← الهيكل السداسي المستوي لروابط سيجما C-C و C-H ، وسحابتين دوناتيتين من إلكترونات باي غير المتمركزة (Delocalized π-Electrons) أعلى وأسفل الحلقة، مما يمنح البنزين استقراراً عطرياً هائلاً (Resonance Energy) ويفسر تفضيله لتفاعلات الاستبدال على الإضافة.
الهيدروكربونات التي تحتوي جزيئاتها على ثلاث ذرات كربون فأكثر يمكن أن توجد في شكل حلقي . الصيغة العامة للألكانات الحلقية CₙH₂ₙ وهي نفس الصيغة الجزيئية للألكينات الأليفاتية، فيجب التفريق بينهما عند كتابة الصيغة البنائية.لا تختلف تسمية الألكان الحلقي عن مثيله غير الحلقي إلا بوضع «سيكلو» في المقدمة أو كلمة «حلقي» في النهاية.
| الاسم | الصيغة الجزيئية | الشكل |
|—|—|—|
| بروبان حلقي (سيكلو بروبان) | C₃H₆ | حلقة مثلثة |
| بيوتان حلقي (سيكلو بيوتان) | C₄H₈ | حلقة رباعية |
| بنتان حلقي (سيكلو بنتان) | C₅H₁₀ | حلقة خماسية |
| هكسان حلقي (سيكلو هكسان) | C₆H₁₂ | حلقة سداسية | الزاوية بين الروابط في البروبان الحلقي 60° وفي البيوتان الحلقي 90°، وهي أقل كثيرًا من 109.5° في الألكانات غير الحلقية. هذه الزوايا الصغيرة تعني تداخلًا ضعيفًا بين الأوربيتالات الذرية، فتكون الروابط بين ذرات الكربون ضعيفة. لذلك فالحلقات الصغيرة نشيطة جدًا ؛ فالبروبان الحلقي يكوّن مع الهواء خليطًا شديد الاحتراق، بينما البروبان المستقيم السلسلة أقل نشاطًا بكثير. أما البنتان الحلقي والهكسان الحلقي فمستقران وثابتان لأن زوايا الروابط فيهما تقترب من 109.5° فيكون التداخل قويًا وتتكون روابط سيجما قوية. المركبات الحلقية الأليفاتية والأروماتية وجه المقارنة الفكرة الأساسية كلمات مفتاحية • ميز الكيميائيون القدماء بين نوعين من المركبات العضوية الكيميائيون القدماء نوعين المركبات المركبات الأليفاتية (الدهنية) مشتقة من الأحماض الدهنية وبها نسبة عالية من الهيدروجين وأولها الميثان مشتقة الأحماض وبها نسبة المركبات الأروماتية (العطرية) مشتقة من بعض الراتنجات والمنتجات الطبيعية لها روائح عطرية مميزة وبها نسبة أقل من الهيدروجين وأولها البنزين مشتقة الراتنجات والمنتجات الطبيعية • توجد المركبات الأروماتية على هيئة حلقة بنزين واحدة أو حلقتين أو أكثر ومن أمثلتها النفثالين C₁₀H₈ (حلقتا بنزين ملتحمتان) وثنائي الفينيل C₆H₅–C₆H₅ (حلقتان متصلتان برابطة أحادية) توجد المركبات الأروماتية هيئة ملحوظة وقود السيارات هو الجازولين وهو ألكانات ويختلف تمامًا عن البنزين العطري وقود السيارات الجازولين ألكانات
استغرق التعرف على الصيغة البنائية للبنزين سنوات عديدة. السبب أنه يتفاعل بالإضافة وبالاستبدال، وأن طول الروابط بين ذرات الكربون متوسط بين طول الرابطة الأحادية والمزدوجة، وغير ذلك من الخواص المحيّرة. المجسم الفراغي ثلاثي الأبعاد لسحابة إلكترونات باي غير الموضعية في البنزين العطري توصل العالم الألماني كيكولي عام 1865 إلى الشكل السداسي الحلقي الذي تتبادل فيه الروابط المزدوجة والأحادية. الصيغة الجزيئية للبنزين C₆H₆.يمكن الاكتفاء بحلقة سداسية بداخلها دائرة، وتدل الدائرة على أن الإلكترونات الستة غير متمركزة عند ذرات كربون معينة. جميع ذرات الكربون الستة متكافئة، وجميع الروابط C–C متساوية الطول. الصيغة البنائية لحلقة البنزين العطري ورنين كيكولي وإلكترونات باي غير المتمركزة الصيغة البنائية لحلقة البنزين العطري ورنين كيكولي وإلكترونات باي غير المتمركزة: ثالثًا: تركيب البنزين
1 ) من الفحم الحجري (التقطير الإتلافي)عند تسخين الفحم الحجري بمعزل عن الهواء يتحلل إلى غازات وسوائل أهمها مادة سوداء ثقيلة تسمى قطران الفحم ، ويتبقى فحم الكوك . بالتقطير التجزيئي لقطران الفحم نحصل على مركبات عضوية ذات أهمية اقتصادية، ومنها البنزين الذي نحصل عليه عند نحو 80°م. للطلب الكبير على البنزين مادة أولية أمكن الحصول عليه بطريقتين: أ) من الهكسان العادي (إعادة التشكيل المحفزة) يُمرَّر الهكسان العادي في درجة حرارة مرتفعة على عامل حفاز يحتوي البلاتين.CH₃–(CH₂)₄–CH₃ → (حرارة، عامل حفاز Pt) → C₆H₆ + 4H₂ لتحضير الطولوين بهذه الطريقة يُستخدم الهبتان العادي CH₃–(CH₂)₅–CH₃ فيعطي C₆H₅–CH₃ + 4H₂. ب) من الإيثاين بإمراره في أنبوبة من النيكل مسخنة لدرجة الاحمرار.3HC≡CH → (نيكل، درجة الاحمرار) → C₆H₆ بإمرار بخار الفينول على مسحوق الخارصين الساخن الذي يختزل الفينول إلى بنزين. C₆H₅OH + Zn → (تسخين) → C₆H₆ + ZnO بالتقطير الجاف لملح بنزوات الصوديوم مع الجير الصودي (مثل تحضير الميثان معمليًا). C₆H₅COONa + NaOH → (تسخين، جير صودي) → C₆H₆ + Na₂CO₃
1 ) مشتق أحادي الإحلاليُسمَّى بذكر اسم الذرة أو المجموعة الداخلة متبوعًا بكلمة بنزين . تهاجم الذرة أو المجموعة الداخلة أي ذرة من ذرات الكربون الستة لأنها متكافئة. أمثلة C₆H₅Cl كلورو بنزين، C₆H₅NO₂ نيترو بنزين، C₆H₅CH₃ ميثيل بنزين (طولوين)، C₆H₅–C₂H₅ إيثيل بنزين.شق الأريل (Ar–) الشق الناتج من نزع ذرة هيدروجين من مركب أروماتي.عند نزعها من البنزين يسمى شق الفينيل C₆H₅–. وجه المقارنة الفكرة الأساسية كلمات مفتاحية • يوجد في ثلاثة متشكلات حسب موقع المجموعتين يوجد ثلاثة متشكلات موقع أرثو (o-) المجموعتان على ذرتي كربون متجاورتين (1 المجموعتان ذرتي كربون متجاورتين ميتا (m-) المجموعتان بينهما ذرة كربون واحدة (1 المجموعتان بينهما كربون واحدة بارا (p-) المجموعتان متقابلتان (1 المجموعتان متقابلتان • يعتمد الموقع على طبيعة المجموعة الأولى الموجودة في الحلقة (انظر التوجيه) يعتمد الموقع طبيعة المجموعة
لا تُستخدم أرثو وميتا وبارا، بل تُرقَّم ذرات الكربون في الحلقة. يُحدد رقم الكربون الحامل لكل مجموعة، وتُرتَّب الأسماء أبجديًا حسب الحروف اللاتينية؛ فيكتب بروم قبل كلور وكلور قبل نيترو. مثال 4-برومو-1-كلورو-2-نيترو بنزين.البنزين سائل شفاف لا يمتزج بالماء، له رائحة مميزة، ويغلي عند نحو 80°م. يشتعل بلهب مدخن (دخان أسود)، لأن نسبة الكربون فيه كبيرة. سام، ويُستخدم مذيبًا ومادة أولية في صناعات كيميائية كثيرة. رغم احتواء البنزين على روابط مزدوجة (بحسب صيغة كيكولي) فإن تفاعلات الإضافة صعبة ولا تحدث إلا بظروف خاصة. بوجود الضغط والحرارة وعامل حفاز يتكون الهكسان الحلقي. C₆H₆ + 3H₂ → (ضغط وحرارة، عامل حفاز Ni) → C₆H₁₂ يتفاعل البنزين مع الكلور أو البروم في ضوء الشمس (الأشعة فوق البنفسجية) فيتكون سداسي هالو الهكسان الحلقي. مع الكلور يتكون المبيد الحشري المعروف بـ الجامكسان . C₆H₆ + 3Cl₂ → (ضوء فوق بنفسجي) → C₆H₆Cl₆ (سداسي كلورو هكسان حلقي، الجامكسان) مواضع الاستبدال في البنزين تُعدّ التفاعلات المهمة للبنزين لأنها تمكننا من الحصول على مركبات ذات أهمية اقتصادية كبيرة. تُستبدل ذرة هيدروجين أو أكثر بذرات أو مجموعات أخرى. 1) الهلجنة بالاستبدال يحل الهالوجين محل هيدروجين الحلقة بوجود عامل حفاز مناسب. C₆H₆ + Cl₂ → (FeCl₃ كعامل حفاز) → C₆H₅Cl + HCl (كلورو بنزين) 2) الألكلة (تفاعل فريدل–كرافت) يتفاعل البنزين مع هاليد ألكيل (R–X) فتحل مجموعة الألكيل محل ذرة هيدروجين، وتتكوّن ألكيل بنزين. يتم بوجود عامل حفاز مثل كلوريد الألومنيوم اللامائي . C₆H₆ + CH₃Cl → (AlCl₃ لامائي) → C₆H₅–CH₃ + HCl (ميثيل بنزين، طولوين) 3) النيترة يتفاعل البنزين مع حمض النيتريك بوجود حمض الكبريتيك المركز، فتحل مجموعة النيترو (–NO₂) محل ذرة هيدروجين. C₆H₆ + HNO₃ → (H₂SO₄ المركز، تسخين) → C₆H₅NO₂ + H₂O (نيترو بنزين) مركبات النيترو المتفجرة مركبات عديد النيترو العضوية شديدة الانفجار، لأن جزيئاتها تحتوي على وقودها الذاتي وهو الكربون، والأكسجين هو المؤكسد. تحترق بسرعة وتنتج كمية كبيرة من الحرارة والغازات فيحدث الانفجار. يعلَّل ذلك بضعف الرابطة N–O (نحو 200 كيلو جول/مول)، مقابل تكوّن الرابطتين القويتين C=O في CO₂ والرابطة N≡N في النيتروجين. من أشهرها TNT (ثلاثي نيترو الطولوين) الذي أُنتج منه ملايين الأطنان في الحرب العالمية، ويُحضَّر بتفاعل خليط النيترة (حمض النيتريك وحمض الكبريتيك المركزان) مع الطولوين. C₆H₅–CH₃ + 3HNO₃ → (H₂SO₄ المركز، تسخين) → CH₃–C₆H₂(NO₂)₃ + 3H₂O (2 ،4،6-ثلاثي نيترو الطولوين) 4) السلفنة هي إدخال مجموعة حمض السلفونيك (–SO₃H) محل ذرة هيدروجين في الحلقة. تتم بتفاعل البنزين مع حمض الكبريتيك المركز. C₆H₆ + H₂SO₄ → (مركز، تسخين) → C₆H₅–SO₃H + H ₂O (حمض بنزين سلفونيك) تقوم صناعة المنظفات الصناعية أساسًا على حموض السلفونيك الأروماتية بعد معالجتها بالصودا الكاوية، فنحصل على الملح الصوديومي القابل للذوبان في الماء (ألكيل بنزين سلفونات الصوديوم). الاستبدال في حلقة البنزين الاستبدال في حلقة البنزين 📊 مقارنة توجيه تفاعلات الاستبدال في حلقة البنزين: عند إدخال مجموعة ثانية في حلقة بها مجموعة أولى، يعتمد موضع الدخول على طبيعة المجموعة الأولى . مجموعة الألكيل (R–) مثل CH₃–. مجموعة الهيدروكسيل (–OH). مجموعة الأمينو (–NH₂). ذرات الهالوجين (–X). مثال كلورة الطولوين تعطي مزيجًا من أرثو-كلورو طولوين وبارا-كلورو طولوين.C₆H₅CH₃ + Cl₂ → (FeCl₃) → o-CH ₃–C₆H₄–Cl + p-CH ₃–C₆H₄–Cl + HCl مجموعة الألدهيد (–CHO). مجموعة الكيتون (–CO–R). مجموعة الكربوكسيل (–COOH). مجموعة النيترو (–NO₂). كلورة النيترو بنزين تعطي ميتا-كلورو نيترو بنزين. C₆H₅NO₂ + Cl₂ → (FeCl₃) → m-Cl –C₆H₄–NO₂ + HCl
وجه المقارنة
الألكينات
البنزين
الصيغة العامة
CₙH₂ₙ
C₆H₆
التفاعل السائد
الإضافة بسهولة
الاستبدال، والإضافة بشروط خاصة
محلول البروم في CCl₄
يزول لونه
لا يزول لونه
برمنجنات البوتاسيوم القلوية
يزول لونها
لا تتأثر
طول الروابط C–C
مزدوجة وأحادية مختلفة
متساوية ومتوسطة
الاستقرار
أقل
أكبر لوجود الإلكترونات غير المتمركزة
.egp-ex {margin:18px 0;border:1px solid rgba(79,63,224,.2) ;border-radius :16px;overflow:hidden;background:#fff}.egp-ex-h {padding:10px 16px;font-weight :800;background:linear-gradient(90deg ,#4f3fe0,#22c1c3);color:#fff}.egp-ex-tabs {display:flex;flex-wrap :wrap;gap:6px;padding:10px 12px;background:#f7f6ff}.egp-ex-b {border:1px solid rgba(79,63,224,.3) ;background:#fff;border-radius :20px;padding:5px 14px;font-weight :700;cursor:pointer}.egp-ex-b.on {background:#4f3fe0;color:#fff}.egp-ex-p {padding:12px 16px}function egpEx(b,k) {var w=b.closest (‘.egp-ex ’);w.querySelectorAll(‘.egp-ex-b ’).forEach(function(x,i) {x.classList.toggle(‘on’,i===k )});w.querySelectorAll(‘.egp-ex-p ’).forEach(function(x,i) {x.hidden=i !==k})} 📌 قاموس المفاهيم والمصطلحات العلمية الدقيقة: وجه المقارنة الفكرة الأساسية مثال كلمات مفتاحية البنزين العطري (Benzene – C₆H₆) أبسط مركب في عائلة الهيدروكربونات الأروماتية يتكون من حلقة سداسية كربونية تتبادل فيها الروابط الأحادية والمزدوجة وروابطه متساوية الطول تقع بين طول الرابطة الأحادية والمزدوجة — أبسط مركب عائلة الهيدروكربونات صيغة كيكولي (Kekulé Structure) صيغة وضعها العالم الألماني كيكولي تفترض أن البنزين حلقة سداسية تتناوب فيها الروابط الأحادية والمزدوجة وتكون الإلكترونات الستة للروابط باي غير متمركزة وتدور في سحابة إلكترونية حلقية — وضعها العالم الألماني تفترض تفاعل فريدل-كرافتس (Friedel-Crafts Alkylation) كلوريد الميثيل CH₃Cl) في وجود كلوريد الألومنيوم اللامائي كعامل حفاز لاستبدال ذرة هيدروجين بمجموعة ألكيل لإنتاج الطولوين البنزين هاليد الألكيل كلوريد المجموعات الموجهة للموضعين أرثو وبارا مجموعات تدفع الإلكترونات نحو الحلقة وتوجه البديل الجديد إلى الموضعين أرثو (2 و 6) وبارا (4) الألكيل (-R) الهيدروكسيل (-OH) الأمينو (-NH ₂) والهالوجينات (-X) تدفع الإلكترونات الحلقة وتوجه المجموعات الموجهة للموضع ميتا مجموعات ساحبة للإلكترونات من الحلقة وتوجه البديل الجديد إلى الموضع ميتا (3 و 5) النيترو (-NO ₂) الكربوكسيل (-COOH) الألدهيد (-CHO) والكربونيل (-CO-) ساحبة للإلكترونات الحلقة وتوجه
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة: وجه المقارنة الفكرة الأساسية مثال كلمات مفتاحية الصيغة الجزيئية للبنزين C₆H₆ | الصيغة البنائية: حلقة سداسية بداخلها دائرة ت سحابة إلكترونات π C₆H₆ البنائية حلقة سداسية ألكلة فريدل كرافتس C₆H₆ + CH₃Cl xrightarrow{AlCl₃ اللامائي} C₆H₅-CH ₃ (طولوين) + HCl — C₆H₆ CH₃Cl xrightarrow AlCl₃ نيترة البنزين C₆H₆ + HNO₃ xrightarrow{H₂SO₄ المركز / 50°C} C₆H₅-NO ₂ (نيتروبنزين) + H₂O — C₆H₆ HNO₃ xrightarrow H₂SO₄ سلفنة البنزين C₆H₆ + H₂SO₄ المركز الدخان → C₆H₅-SO ₃H (حمض بنزين سلفونيك) + H₂O — C₆H₆ H₂SO₄ المركز الدخان البلمرة الثلاثية الحلقية للإيثاين 3 C₂H₂ xrightarrow{أنبوبة نيكل مسخنة للاحمرار} C₆H₆ (بنزين عطري) — C₂H₂ xrightarrow أنبوبة نيكل
🔍 الشرح المستفيض والتعليلات العلمية المعتمدة (“علل”): وجه المقارنة الفكرة الأساسية كلمات مفتاحية علل استغرق العلماء سنوات طويلة حتى تم التعرف على الصيغة البنائية الدقيقة للبنزين؟ لأنه يتفاعل بالإحلال كالمشبعات ويتفاعل بالإضافة كغير المشبعات كما أن أطوال الروابط بين ذرات الكربون فيه متساوية وتقع وسطاً بين طول الرابطة الأحادية والمزدوجة استغرق العلماء سنوات طويلة علل: نيترة الطولوين تعطي مادة شديدة الانفجار (T.N.T) ؟ لأن تفاعل الطولوين مع خليط النيترة ينتج 2 6-ثلاثي نيتروطولوين حيث تحتوي الجزيئات على وقودها الذاتي (الكربون) ومادتها المؤكسدة (الأكسجين) وتتولد طاقة هائلة من كسر الروابط الضعيفة وتكوين روابط N-N و C-O القوية جداً تفاعل خليط النيترة ينتج علل: عند كلورة النيتروبنزين ينتج ميتا-كلورونيتروبنزين فقط؟ لأن مجموعة النيترو (-NO ₂) مجموعة ساحبة للإلكترونات توجه المستبدل التالي إلى الموضع ميتا فقط مجموعة ساحبة للإلكترونات توجه
نوع المجموعة
طبيعتها الإلكترونية
المواضع الموجهة
أمثلة شهيرة
مجموعات أرثو وبارا
دافعة للإلكترونات (تنشط الحلقة)
أرثو (Ortho – 2) وبارا (Para – 4)
-OH (فينول), -CH ₃ (طولوين), -NH ₂, -Cl
مجموعات ميتا
ساحبة للإلكترونات (تثبط الحلقة)
ميتا (Meta – 3 و 5)
-NO ₂ (نيترو), -COOH (حمض), -CHO, -COCH ₃
💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027 : للحصول على ميتا-كلورونيتروبنزين نبدأ بالنيترة ثم الكلورة.
للحصول على أرثو وبارا-كلورونيتروبنزين نبدأ بالكلورة ثم النيترة.