نزع الماء من الكحولات: التنبؤ بالنواتج في كيمياء HSC
تعلّم كيفية كتابة معادلات نزع الماء من الكحولات، وذكر الشروط المطلوبة، والتنبؤ بنواتج الألكين الممكنة والرئيسية في كيمياء HSC.
سخّن البنتان-2-ول مع حمض الكبريتيك المركز، ولن تحصل على ألكين واحد واضح فقط. يمكن إزالة مجموعة \(\ce{-OH}\)، لكن موضع رابطة \(\ce{C=C}\) الجديدة يعتمد على أي ذرة كربون مجاورة توفّر ذرة الهيدروجين.
قبل متابعة القراءة، توقّع الآتي: إذا كانت مجموعة \(\ce{-OH}\) مرتبطة بذرة الكربون 2، فهل يمكن أن تتكوّن الرابطة المزدوجة بين ذرتي الكربون 3 و4؟
لا. عند نزع الماء، تتكوّن الرابطة المزدوجة بجوار ذرة الكربون التي كانت تحمل مجموعة \(\ce{-OH}\) أصلًا. هذا القيد البسيط هو مفتاح التنبؤ بالنواتج بصورة صحيحة.
01ما الذي يُزال فعليًا عند نزع الماء
يعني نزع الماء أن الجزيء يفقد عناصر الماء، \(\ce{H2O}\). وبالنسبة إلى الكحول، يكون التغير الكلي:
\[ \ce{\text{كحول} -> \text{ألكين} + H2O} \]
من الشروط الشائعة في HSC استخدام حمض الكبريتيك المركز، \(\ce{H2SO4}\)، مع التسخين الشديد.
والنموذج الأول المفيد هو:
- حدّد ذرة الكربون المرتبطة بـ \(\ce{-OH}\)،
- أزل \(\ce{-OH}\) من ذرة الكربون هذه،
- أزل ذرة \(\ce{H}\) من ذرة كربون مجاورة،
- كوّن رابطة مزدوجة بين ذرتي الكربون هاتين.
افترض أن الكحول يحتوي على هذا الجزء من السلسلة:
\[ \ce{-CH2-CH(OH)-CH2-} \]
يمكن لذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\) أن تكوّن رابطة مزدوجة مع أي من ذرتي الكربون المجاورتين لها مباشرة، بشرط أن تحتوي ذرة الكربون المجاورة على هيدروجين متاح.

من المفيد تسمية ذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\) بذرة كربون ألفا. وتُسمّى ذرة الكربون المجاورة لها مباشرة ذرة كربون بيتا. لا تحتاج إلى هذه التسميات لحل التفاعل، لكنها تجعل مناقشة القاعدة أسهل بكثير.
تخيّل سلسلة الكربون كمقاعد مصطفّة في صف. لا تستطيع ذرة كربون ألفا تكوين الرابطة المزدوجة الجديدة إلا مع ذرة تجلس بجوارها مباشرة. ولا يمكنها الوصول إلى ذرة تبعد مقعدين. وبالطبع يتوقف التشبيه عند هذا الحد: فالتفاعل الحقيقي تتحكم فيه الإلكترونات والعامل الحفاز الحمضي، وليس ذرات الكربون التي تقرر بجوار مَن تجلس.
02لماذا نحتاج إلى حمض الكبريتيك والحرارة
قد يكون من المغري تصور أن مجموعة \(\ce{-OH}\) تنفصل ببساطة عن الكحول. لكنها لا تفعل ذلك.
تُعد مجموعة \(\ce{-OH}\) مجموعة مغادرة ضعيفة بمفردها. وفي خليط حمضي، يمكن لذرة الأكسجين أن تكتسب بروتونًا، مما يجعل مغادرة الماء أسهل بكثير. ثم تؤدي تغيرات الروابط المتبقية إلى تكوين الرابطة المزدوجة بين ذرتي الكربون.
على مستوى HSC، الفكرة الكلية المهمة هي:
\[ \ce{C-C-OH ->[\text{حمض وحرارة}] C=C + H2O} \]
تعتمد الآلية الدقيقة خطوة بخطوة على تركيب الكحول، لذلك فإن التعليمة البسيطة «أزل \(\ce{H}\) و\(\ce{OH}\)» هي طريقة لمتابعة الذرات والروابط، وليست وصفًا حرفيًا لخطوة أولية واحدة.
وهذا يختلف أيضًا عن الترابط الهيدروجيني الذي يمنح الكحولات خواصها الفيزيائية غير المعتادة. فالترابط الهيدروجيني قوة تجاذب بين الجزيئات؛ أما نزع الماء فيغيّر الروابط التساهمية داخل الجزيء. إذا كنت تخلط بين هاتين الفكرتين، فراجع الترابط بين الجزيئات في الكحولات بصورة منفصلة.
في إجابة الامتحان، إذا طلب السؤال ذكر الشروط، فعادةً ما يكون ذكر \(\ce{H2SO4}\) المركز والحرارة هو الجزء المهم. لا تكتب «حمض» فقط. فالشروط جزء من التفاعل.
03طريقة موثوقة للتنبؤ بنواتج الألكين
استخدم التسلسل نفسه في كل مرة.
الخطوة 1: حدّد ذرة الكربون الحاملة لمجموعة OH
سمِّ هذه ذرة كربون ألفا.
الخطوة 2: افحص كل ذرة كربون مرتبطة بها مباشرة
هذه هي ذرات كربون بيتا المحتملة.
لا تفحص الجزيء كله. فقط ذرات الكربون المجاورة مباشرة هي التي تهم في التنبؤ الأول بالنواتج.
الخطوة 3: تحقّق مما إذا كانت كل ذرة كربون بيتا تحمل ذرة هيدروجين
يجب أن تفقد ذرة كربون بيتا ذرة هيدروجين إذا كان من المقرر تكوين رابطة مزدوجة بينها وبين ذرة كربون ألفا.
إذا لم يوجد هيدروجين بيتا، فلا يتكوّن ناتج عادي لنزع الماء في ذلك الاتجاه.
الخطوة 4: ارسم رابطة مزدوجة مع كل ذرة كربون بيتا مسموح بها
أبقِ الهيكل الكربوني دون تغيير ما لم يذكر السؤال صراحة إعادة ترتيب أكثر تقدمًا.
الخطوة 5: أزل النواتج المكررة
قد يؤدي خياران مختلفان ظاهريًا للحذف إلى الألكين نفسه تمامًا بسبب تماثل الجزيء.
الخطوة 6: إذا طُلب الناتج الرئيسي، فقارن بين النواتج المسموح بها
في تفاعلات نزع الماء الشائعة المحفزة بالحمض التي تُدرَس على مستوى HSC، يكون الألكين الأكثر استبدالًا مفضّلًا عمومًا.
وهذا يعني أن الألكين الداخلي يكون غالبًا مفضّلًا على الألكين الطرفي.
تُلخَّص هذه القاعدة أحيانًا باسم قاعدة زايتسيف. لكن الترتيب مهم: حدّد أولًا النواتج الممكنة فعليًا، ثم قارن بينها. لا يمكنك استخدام عبارة «الأكثر استبدالًا هو المفضّل» لاختراع رابطة مزدوجة في موضع لا يوجد فيه هيدروجين بيتا.
| الحالة | ما الذي ينبغي توقعه |
|---|---|
| ذرة كربون بيتا واحدة فقط تحمل H | ناتج ألكين بنيوي واحد |
| موضعان مختلفان لبيتا يحتويان على ذرات H | قد يتكوّن ناتجان مختلفان من الألكين |
| موضعا بيتا متكافئان بسبب التماثل | ينتجان الناتج البنيوي نفسه |
| ذرة كربون مجاورة لا تحمل H | لا يمكن تكوين رابطة مزدوجة في اتجاه تلك الذرة عن طريق نزع الماء العادي |
| يمكن تكوين عدة ألكينات | غالبًا ما يكون الألكين الأكثر استبدالًا هو الناتج الرئيسي |
مثال محلول: للبروبان-1-ول اتجاه حذف واحد فقط
انزع الماء من البروبان-1-ول باستخدام حمض الكبريتيك المركز والحرارة. اكتب المعادلة البنائية وسمِّ ناتج الألكين.
الخطوة 1
في البروبان-1-ول،
\[ \ce{CH3CH2CH2OH} \]
توجد مجموعة \(\ce{-OH}\) على ذرة كربون طرفية.
الخطوة 2
توجد ذرة كربون بيتا واحدة فقط لأن ذرة كربون ألفا تقع عند نهاية السلسلة. وتحتوي ذرة كربون بيتا هذه على ذرات هيدروجين.
الخطوة 3
الموضع الوحيد الممكن للرابطة المزدوجة الجديدة هو بين ذرتي الكربون 1 و2.
بوجود \(\ce{H2SO4}\) المركز والحرارة:
\[ \ce{CH3CH2CH2OH -> CH3CH=CH2 + H2O} \]
الألكين هو البروبين.
لا يوجد ألكين بنيوي ثانٍ يجب أخذه في الاعتبار. فتكوين رابطة مزدوجة بين ذرتي الكربون 2 و3 سيتطلب أن تختفي بطريقة ما ذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\) من خطوة الحذف، وهذا ليس ما يحدث في نزع الماء.
مثال محلول: يمكن للبيوتان-2-ول أن يخضع للحذف في اتجاهين
يُسخّن البيوتان-2-ول مع حمض الكبريتيك المركز. تنبأ بنواتج الألكين البنيوية وحدّد الناتج الرئيسي المتوقع.
الخطوة 1
البيوتان-2-ول هو:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH3} \]
ذرة كربون ألفا هي ذرة الكربون 2.
الخطوة 2
تحتوي ذرة الكربون 1 على ذرات هيدروجين، لذلك يمكن أن تتكوّن رابطة مزدوجة بين ذرتي الكربون 1 و2.
وتحتوي ذرة الكربون 3 أيضًا على ذرات هيدروجين، لذلك يمكن أن تتكوّن رابطة مزدوجة بين ذرتي الكربون 2 و3.
الخطوة 3
الحذف في اتجاه ذرة الكربون 1 يعطي:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH3 -> CH2=CHCH2CH3 + H2O} \]
هذا الناتج هو بيوت-1-ين.
الخطوة 4
الحذف في اتجاه ذرة الكربون 3 يعطي:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH3 -> CH3CH=CHCH3 + H2O} \]
هذا الناتج هو بيوت-2-ين.
الخطوة 5
يحتوي بيوت-2-ين على رابطة مزدوجة داخلية أكثر استبدالًا. لذلك، تحت شروط نزع الماء المعتادة المحفزة بالحمض، يُتوقع أن يكون مفضّلًا على بيوت-1-ين.
إذن النواتج هي بيوت-1-ين وبيوت-2-ين، ويُتوقع أن يكون بيوت-2-ين هو الناتج البنيوي الرئيسي.
إذا كان السؤال يطلب النواتج البنيوية فقط، فلا تعدّ الأشكال الهندسية لبيوت-2-ين مواضع مختلفة للرابطة المزدوجة. فالتماكب الهندسي طبقة إضافية من التحليل، وليس موضعًا ثالثًا حدث فيه الحذف.
04الأخطاء التي تسبب معظم التنبؤات الخاطئة بالنواتج
إزالة الهيدروجين من مجموعة OH
قد تستنتج أن الماء يحتوي على ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة، ولذلك ربما يفقد الكحول ببساطة مجموعة \(\ce{-OH}\) وذرة الهيدروجين المرتبطة أصلًا بتلك الذرة من الأكسجين.
لكن هذا لا يُنتج الرابطة المزدوجة المطلوبة بين ذرتي الكربون.
في نموذج التنبؤ بالنواتج، ذرة الهيدروجين الأساسية هي الموجودة على ذرة كربون بيتا. وتسمح إزالة هذا الهيدروجين بتكوين رابطة ثانية بين ذرتي كربون ألفا وبيتا.
نقل الرابطة المزدوجة إلى أي موضع يبدو أكثر استقرارًا
قاعدة «الألكين الأكثر استبدالًا» تختار فقط بين النواتج التي يمكن أن تتكوّن فعليًا.
يجب أولًا التحقق من التجاور ومن وجود هيدروجينات بيتا.
الترتيب الآمن هو:
- ولّد النواتج المسموح بها،
- أزل النواتج المكررة،
- بعد ذلك فقط حدّد أيها يُرجّح أن يكون الناتج الرئيسي.
افتراض أن كل ذرة كربون مجاورة تعطي ناتجًا مختلفًا
قد يجعل التماثل اتجاهين للحذف متكافئين.
إذا كان الجانبان الأيسر والأيمن من الكحول متماثلين كيميائيًا، فقد يؤدي الحذف في أي من الاتجاهين إلى الألكين نفسه بعد تسميته بصورة صحيحة.
نسيان الماء
تحتاج معادلة نزع الماء الكاملة إلى كل من الألكين و\(\ce{H2O}\).
على سبيل المثال:
\[ \ce{CH3CH2OH -> CH2=CH2 + H2O} \]
تحقّق من الذرات. يحتوي كلا الطرفين على ذرتي كربون، وست ذرات هيدروجين إجمالًا، وذرة أكسجين واحدة.
هذا الفحص السريع للذرات طريقة جيدة لاكتشاف نسيان جزيء الماء.
05الأسئلة والحلول
السؤال 1
يُسخّن الإيثانول مع حمض الكبريتيك المركز.
أ. سمِّ الناتج العضوي.
ب. اكتب معادلة بنائية موزونة.
ج. حدّد نوع التفاعل العضوي الذي يحدث.
الحل 1
الناتج العضوي هو الإيثين، والتفاعل هو تفاعل حذف بنزع الماء.
تركيب الإيثانول هو:
\[ \ce{CH3CH2OH} \]
لذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\) ذرة كربون مجاورة واحدة فقط. وتحتوي تلك الذرة المجاورة على ذرات هيدروجين، ولذلك يوجد موضع واحد فقط ممكن للرابطة المزدوجة الجديدة.
بوجود \(\ce{H2SO4}\) المركز والحرارة:
\[ \ce{CH3CH2OH -> CH2=CH2 + H2O} \]
المعادلة موزونة: يحتوي كلا الطرفين على ذرتي كربون، وست ذرات هيدروجين إجمالًا، وذرة أكسجين واحدة.
الخطأ المغري هو وصف هذا بأنه مجرد «إزالة مجموعة OH». نزع الماء يزيل عناصر الماء ويكوّن رابطة \(\ce{C=C}\) جديدة، ولذلك فهو تفاعل حذف.
السؤال 2
يسخّن طالب \(8.80\ \mathrm{g}\) من البنتان-2-ول مع حمض الكبريتيك المركز.
أ. تنبأ بنواتج الألكين البنيوية وحدّد الناتج الرئيسي المتوقع.
ب. المردود المعزول الكلي لنواتج الألكين هو \(75.0\%\). احسب الكتلة الكلية لخليط الألكينات الذي تم جمعه.
استخدم الكتل المولية \(M(\ce{C5H12O}) = 88.15\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) و\(M(\ce{C5H10}) = 70.13\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\).
افترض أن مولًا واحدًا من الكحول الذي يخضع لنزع الماء يُنتج مولًا واحدًا من الألكين.
الحل 2
نواتج الألكين هي بنت-1-ين وبنت-2-ين، ويُتوقع أن يكون بنت-2-ين هو الناتج البنيوي الرئيسي، وتبلغ الكتلة الكلية المعزولة من الألكينات نحو \(5.25\ \mathrm{g}\).
البنتان-2-ول هو:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3} \]
ذرة كربون ألفا هي ذرة الكربون 2.
إزالة هيدروجين بيتا من ذرة الكربون 1 تعطي بنت-1-ين:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3 -> CH2=CHCH2CH2CH3 + H2O} \]
إزالة هيدروجين بيتا من ذرة الكربون 3 تعطي بنت-2-ين:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3 -> CH3CH=CHCH2CH3 + H2O} \]
يحتوي بنت-2-ين على رابطة مزدوجة داخلية أكثر استبدالًا، ولذلك يُتوقع أن يكون مفضّلًا.
لحساب الكتلة، احسب أولًا كمية البنتان-2-ول:
\[ n(\text{الكحول}) = \frac{m}{M} = \frac{8.80\ \mathrm{g}}{88.15\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} = 0.0998\ \mathrm{mol} \]
لكل مسار لنزع الماء النسبة المولية الكلية نفسها:
\[ 1\ \mathrm{mol}\,\text{كحول}:1\ \mathrm{mol}\,\text{ألكين} \]
ولا يهم أن ناتجين موضعيين مختلفين من الألكين يتكوّنان، لأن كليهما له الصيغة الجزيئية \(\ce{C5H10}\).
لذلك تكون الكتلة النظرية الكلية للألكين:
\[ \begin{aligned} m_{\text{النظرية}} &= nM \\ &=(0.0998\ \mathrm{mol})(70.13\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.00\ \mathrm{g} \end{aligned} \]
وعند مردود معزول قدره \(75.0\%\):
\[ m_{\text{الفعلية}} = 7.00\ \mathrm{g}\times 0.750 = 5.25\ \mathrm{g} \]
إذن يتم جمع نحو \(5.25\ \mathrm{g}\) من خليط الألكينات.
الفخ هنا هو الاعتقاد بأن وجود خليط من النواتج يفسد الحسابات الستوكيومترية. وهذا غير صحيح. فكل من بنت-1-ين وبنت-2-ين يحتوي على خمس ذرات كربون وله الكتلة المولية نفسها، وكل مسار يُنتج مولًا واحدًا من الألكين لكل مول واحد من الكحول.
السؤال 3
يُنزَع الماء من 2-ميثيل بيوتان-2-ول باستخدام حمض الكبريتيك المركز والحرارة.
صيغته البنائية المكثفة هي:
\[ \ce{CH3C(OH)(CH3)CH2CH3} \]
أ. تنبأ بجميع نواتج الألكين البنيوية المختلفة.
ب. حدّد الناتج الرئيسي المتوقع.
ج. فسّر لماذا لا تنتج مجموعات الكربون الثلاث المرتبطة مباشرة بذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\) ثلاثة نواتج مختلفة من الألكين.
الحل 3
الناتجان المختلفان هما 2-ميثيل بيوت-1-ين و2-ميثيل بيوت-2-ين، ويُتوقع أن يكون 2-ميثيل بيوت-2-ين هو الناتج الرئيسي.
ذرة كربون ألفا هي ذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\):
\[ \ce{CH3-C(OH)(CH3)-CH2-CH3} \]
وهي مرتبطة بثلاث ذرات كربون بيتا:
- مجموعة \(\ce{CH3}\) واحدة على اليسار،
- مجموعة \(\ce{CH3}\) أخرى مرتبطة كتفرع،
- مجموعة \(\ce{CH2}\) واحدة على اليمين.
تحتوي ذرات كربون بيتا الثلاث كلها على هيدروجين، لكن هذا لا يعني تلقائيًا وجود ثلاثة نواتج.
الحذف في اتجاه أي من مجموعتي الميثيل يعطي الترابط نفسه لأن مجموعتي الميثيل هاتين متكافئتان:
\[ \ce{CH2=C(CH3)CH2CH3} \]
وهذا هو 2-ميثيل بيوت-1-ين.
أما الحذف في اتجاه مجموعة \(\ce{CH2}\) فيعطي:
\[ \ce{CH3C(CH3)=CHCH3} \]
وهذا هو 2-ميثيل بيوت-2-ين.
يحتوي الألكين الثاني على رابطة مزدوجة أكثر استبدالًا، ولذلك يُتوقع أن يكون الناتج الرئيسي وفق نموذج نزع الماء المعتاد في HSC.
المسار المغري للخطأ هو عدّ ذرات كربون بيتا بدلًا من عدّ النواتج المختلفة. توجد ثلاث ذرات كربون بيتا تحمل هيدروجينات، لكن اثنتين منها مرتبطتان بعلاقة تماثل. لذلك يمكن لأحداث حذف مختلفة أن تؤدي إلى الألكين نفسه.
ويجب أن يتضمن العد الموثوق للنواتج كلًا من اختبار هيدروجين بيتا وفحص التماثل.
السؤال 4
وفق نموذج التنبؤ بالنواتج القياسي في HSC، افترض أن الهيكل الكربوني لا يخضع لإعادة ترتيب.
تأمل 3,3-ثنائي ميثيل بيوتان-2-ول:
\[ \ce{CH3CH(OH)C(CH3)2CH3} \]
يقول أحد الطلاب:
«ستكون الرابطة المزدوجة الأكثر استبدالًا بين ذرتي الكربون 2 و3، ولذلك ينبغي أن تكون هي ناتج نزع الماء الرئيسي.»
حدّد ناتج أو نواتج الألكين البنيوية المسموح بها. ثم قيّم حجة الطالب باستخدام هيدروجينات بيتا، وروابط الكربون، ومتطلبات تفاعل الحذف.
الحل 4
لا يُسمح وفق نموذج HSC المذكور إلا بتكوين 3,3-ثنائي ميثيل بيوت-1-ين؛ ولا يمكن تكوين رابطة مزدوجة بين ذرتي الكربون 2 و3 عن طريق نزع الماء العادي لأن ذرة الكربون 3 لا تحمل هيدروجين بيتا.
ابدأ من ذرة كربون ألفا، وهي ذرة الكربون 2:
\[ \ce{CH3-CH(OH)-C(CH3)2-CH3} \]
لها ذرتا كربون مجاورتان.
ذرة الكربون 1 هي مجموعة \(\ce{CH3}\)، ولذلك تحتوي على هيدروجينات بيتا. ويمكن حدوث الحذف في اتجاه ذرة الكربون 1:
\[ \ce{CH3CH(OH)C(CH3)2CH3 -> CH2=CHC(CH3)2CH3 + H2O} \]
الناتج هو 3,3-ثنائي ميثيل بيوت-1-ين.
والآن افحص ذرة الكربون 3. فهي مرتبطة بـ:
- ذرة الكربون 2،
- ذرة كربون واحدة في مجموعة \(\ce{CH3}\) الواقعة في السلسلة الرئيسية،
- تفرع ميثيل واحد،
- تفرع ميثيل آخر.
إذن لذرة الكربون 3 بالفعل أربع روابط أحادية كربون-كربون ولا تحمل أي هيدروجين.
ولكي تتكوّن رابطة مزدوجة \(\ce{C2=C3}\) وفق قاعدة نزع الماء العادية، يجب أن توفّر ذرة الكربون 3 هيدروجين بيتا. لكنها لا تملك واحدًا.
كما أن رسم رابطة أخرى ببساطة بين ذرتي الكربون 2 و3 مع الإبقاء على جميع روابط ذرة الكربون 3 الموجودة سيمنح تلك الذرة عددًا كبيرًا جدًا من الروابط. فلا يمكن للكربون أن يحتفظ بأربع روابط أحادية ويكتسب رابطة إضافية مع ذرة الكربون 2 من دون حدوث تغيير آخر في الهيكل.
إذن طُبّقت حجة الطالب المتعلقة بالاستقرار بالترتيب الخاطئ.
والمنطق الصحيح هو:
- حدّد مسارات الحذف التي تحقق شرط وجود هيدروجين بيتا،
- ارسم النواتج المسموح بها،
- وفقط إذا بقي أكثر من ناتج مسموح به، قارن استقرارها النسبي.
عبارة «الأكثر استبدالًا هو المفضّل» ليست قاعدة تتجاوز تكافؤ الكربون أو تُنشئ هيدروجين بيتا مفقودًا.
في الكيمياء العضوية الأكثر تقدمًا، يمكن لبعض التفاعلات المحفزة بالحمض أن تتضمن إعادة ترتيب للهيكل الكربوني. وهذه مسألة آلية منفصلة. ووفق نموذج HSC المذكور الذي يفترض عدم إعادة الترتيب، لا ينبغي أن تخترع إعادة ترتيب لمجرد إنتاج ألكين أكثر استبدالًا.
السؤال 5
كحول مجهول مشبع، غير حلقي، وغير متفرع \(A\) له الصيغة الجزيئية \(\ce{C5H12O}\).
عند تسخين \(A\) مع حمض الكبريتيك المركز، يكون بنت-2-ين هو الألكين البنيوي الأكثر وفرة في خليط النواتج.
تُهدرَج عينة منفصلة من خليط الألكينات بالكامل. والألكان الوحيد الناتج هو البنتان.
يستنتج أحد الطلاب:
«لا بد أن الكحول كان بنتان-3-ول لأن بنتان-3-ول يُنزَع منه الماء ليعطي بنت-2-ين.»
باستخدام افتراضات HSC القياسية المتمثلة في عدم إعادة ترتيب الهيكل الكربوني وتجاهل المتماكبات الهندسية:
أ. هل استنتاج الطالب مبرر؟
ب. حدّد كل كحول غير متفرع يتفق مع جميع الملاحظات.
ج. فسّر لماذا تبدو نتيجة الهدرجة مفيدة لكنها لا تميّز بين الاحتمالات.
د. اذكر ملاحظة واحدة لخليط نزع الماء الأصلي تسمح بتحديد هوية الكحول.
الحل 5
لا. الأدلة لا تحدد \(A\) بصورة فريدة؛ فكل من بنتان-2-ول وبنتان-3-ول يتفق مع الملاحظات.
توجد ثلاثة كحولات غير متفرعة ذات الهيكل الكربوني المكوّن من خمس ذرات كربون المطلوب أخذها في الاعتبار:
- بنتان-1-ول،
- بنتان-2-ول،
- بنتان-3-ول.
ابدأ ببنتان-1-ول:
\[ \ce{CH3CH2CH2CH2CH2OH} \]
تقع ذرة الكربون الحاملة لمجموعة \(\ce{-OH}\) عند نهاية السلسلة، ولذلك توجد ذرة كربون بيتا واحدة فقط. ويعطي نزع الماء منه بنت-1-ين.
لذلك، وفق نموذج HSC المذكور، لا يفسّر بنتان-1-ول كون بنت-2-ين هو الناتج الأكثر وفرة.
والآن تأمل بنتان-2-ول:
\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3} \]
يمكن أن يحدث الحذف في اتجاه أي من ذرتي الكربون المجاورتين، فيتكوّن بنت-1-ين وبنت-2-ين.
بنت-2-ين هو الألكين الأكثر استبدالًا، ويُتوقع أن يكون الناتج البنيوي الرئيسي. ولذلك يتفق بنتان-2-ول مع الملاحظة.
والآن تأمل بنتان-3-ول:
\[ \ce{CH3CH2CH(OH)CH2CH3} \]
جانبا الجزيء متماثلان. ويؤدي الحذف في اتجاه اليسار أو اليمين إلى الألكين البنيوي نفسه:
\[ \ce{CH3CH=CHCH2CH3} \]
إذن يعطي بنتان-3-ول بنت-2-ين بوصفه ناتج الألكين البنيوي الوحيد في هذا النموذج.
ولذلك فهو يتفق أيضًا مع الملاحظة.
لا تميّز أدلة الهدرجة بين هذين الاحتمالين لأن كلًا من بنت-1-ين وبنت-2-ين يُهدرَج إلى الألكان نفسه:
\[ \ce{C5H10 + H2 -> C5H12} \]
وبصورة أكثر تحديدًا،
\[ \ce{CH2=CHCH2CH2CH3 + H2 -> CH3CH2CH2CH2CH3} \]
و
\[ \ce{CH3CH=CHCH2CH3 + H2 -> CH3CH2CH2CH2CH3} \]
يصبح كلا الناتجين بنتان لأن الهدرجة تزيل المعلومات المتعلقة بموضع الرابطة المزدوجة. فهي تخبرنا بالهيكل الكربوني، لكنها لا تخبرنا بموضع الألكين الأصلي.
وهذه هي النقطة المحورية في المسألة. فقد قُدّمت ملاحظتان تجريبيتان، لكنهما ليستا بالضرورة قطعتين مستقلتين من المعلومات التي تحدد الهوية.
سيحسم تحليل خليط نزع الماء الأصلي هوية الكحول:
- إذا كان بنت-1-ين موجودًا أيضًا، فإن \(A\) هو بنتان-2-ول؛
- إذا كان بنت-2-ين هو ناتج البنتين البنيوي الوحيد، فإن \(A\) هو بنتان-3-ول.
كان الاستنتاج المغري هو الاستدلال عكسيًا من الناتج الرئيسي كما لو أن لكل ألكين كحولًا أوليًا واحدًا فقط يمكن أن ينتج منه. لكن نزع الماء لا يمكن دائمًا عكسه بصورة فريدة انطلاقًا من الناتج الرئيسي وحده. فقد تؤدي كحولات مختلفة إلى الألكين نفسه، ولذلك يكون نمط النواتج الكامل مهمًا.
06ما الذي يتيح لك نزع الماء التنبؤ به بعد ذلك
بمجرد أن تتمكن من تتبع موضع تكوّن رابطة \(\ce{C=C}\)، تصبح تفاعلات الألكينات أسهل بكثير في تنظيمها.
يحوّل نزع الماء مجموعة الكحول الوظيفية إلى ألكين. والسؤال المفيد التالي يكاد يكون عكس ذلك: ماذا يحدث عندما تُضاف ذرات عبر تلك الرابطة المزدوجة الجديدة؟
يقود ذلك مباشرة إلى تفاعلات الإضافة للألكينات، بما في ذلك الإماهة. كما يمنحك طريقة أقوى لحل أسئلة مسارات التفاعل: فبدلًا من حفظ معادلات منفصلة، تتبّع ذرات الكربون التي تحتفظ بروابطها، والمجموعة الوظيفية التي تتغير، والرابطة الجديدة التي يجب أن تتكوّن.