الوسائط النشطة في الكيمياء العضوية

 الوسائط النشطة في الكيمياء العضوية  

البنية الفعالية والآلية

تاليف 

الاستاذ الدكتور: عبدالله عبد الكريم الشراعي استاذ الكيمياء العضوية كلية العلوم التطبيقية- جامعة تعز

الدكتور مختار امين المسني استاذ الكيمياء العضوية المساعد كلية العلوم التطبيقية- جامعة تعز

نبذة عن الكتاب

يسعى هذا الكتاب لتلبية حاجة ملحة في المكتبة العربية حيث يتناول موضوعات مهمة في آليات التفاعلات والوسائط النشطة في الكيمياء العضوية وهي مواضيع هامة لكنها لا تحظى بالتغطية الكافية في المكتبة العربية. فالكتاب يهدف إلى جمع هذه المواضيع وشرحها بلغة واضحة وبأمثلة سهلة الفهم لتزويد الطلاب والمهتمين بالخلفية العلمية المطلوبة في هذا الفرع من الكيمياء.

يبدأ الكتاب بالتطرق إلى المبادئ الأساسية للبنية والترابط في الجزيئات العضوية ثم ينتقل إلى دراسة آليات التفاعلات العضوية المختلفة وعلاقتها بالبنية والفعالية الكيميائية. كما يتناول الجوانب الطاقية للتفاعلات وطرق دراسة آلياتها إضافة إلى عمليات إعادة الترتيب في المركبات العضوية.

أما الجزء الثاني من الكتاب فيخصص لدراسة أنواع الوسائط النشطة الشائعة في التفاعلات العضوية مثل الكربوكاتيون والكاربأنيون والشقوق الحرة والكربين والنيترين والبنزاين بما يساعد على فهم عميق لهذا الفرع الهام من الكيمياء العضوية.

الوسائط النشطة في الكيمياء العضوية

تلعب الوسائط النشطة في الكيمياء العضوية دوراً أساسياً في تسهيل وتوجيه سير التفاعلات الكيميائية. هذه الجزئيات غير المستقرة تُـشكل العمود الفقري لكثير من التحولات الكيميائية في بناء المركبات العضوية.من أبرز هذه الوسائط النشطة:

- الكربوكاتيون (Carbocation) يُعتبر واحداً من أهم الوسائط في الكيمياء العضوية. يتميز الكربوكاتيون بإمتلاك ذرة كربون مركزية لها ستة إلكترونات فقط في مستوى الطاقة الخارجي بدلاً من الثمانية المطلوبة وفقاً لقاعدة الثماني. هذا النقص الإلكتروني يجعل الكربوكاتيون وسيطاً نشطاً وغير مستقر فهو يميل إلى التفاعل مع الكواشف النيوكليوفيلية لإكمال الثمانية الإلكترونية.

- الكاربأنيون (Carbanion)يعتبر الكاربأنيون واحدًا من أهم الأصناف الكيميائية في مجال الوسائط النشطة ويتميز بأنه يحتوي على ذرة كربون ثلاثية التكافؤ Trivalent Carbon Atom   تحمل زوجًا حرًا من الإلكترونات. يتم تشكيل الكاربأنيونات غالبًا في ظروف قاعدية وتتميز بقدرتها على العمل كنيوكليوفيلات وأيضًا كقواعد حسب الظروف المحيطة بالتفاعل.

- الجذور الحــرة (Free Radicals)تُعد الجذور الحـــرة مركبات كيميائيـــة نشطـــة تتميز بوجود إلكترون مفرد ( (Unpaired Electron مما يجعلها صنفاً من المركبات الناقصـــة إلكترونيــاً    (Electronic-Deficient Species)  وغير مشحونة كهربائياً. يختلف سلوك الجذور الحرة في التفاعلات الكيميائية عن المركبات الأخرى الناقصة إلكترونياً مثل الكربوكاتيونات والكربينات مما يبرز أهمية فهم كيميائها.

- الكربينات (Carbenes) تُعتبر الكربينات مركبات وسطية تشتمل على ذرة كربون ناقصة إلكترونياً وهي متعادلة وعالية الفعالية. وتُعد الكربينات من المشتقات الثنائية التكافؤ للكربون حيث تحتوي على ستة إلكترونات في غلافها الخارجي  .Sextet Electrons يتكون هذا التركيب من رابطتين تساهميتين تمثل أربعة إلكترونات بالإضافة إلى إلكترونين غير رابطين يتموضعان على ذرة الكربون بالإضافة لمدار شاغر. يؤهل هذا التركيب الكربين ليكون مركزاً عالياً في الفعالية.

أبسط مثال على الكربينات هو (:CH2)  المسمى بـــ Methylene في حين يُـعد الكربين ثنائي الكلور (:CCl2) Dichlorocarbene من الأمثلة المدروسة بشكل واسع. والذي يتولد عندما تتفاعل قاعدة قوية مع الكلوروفورم. في نظام التسمية المنهجية (IUPAC) يُطلق على هذا النوع من المشتقات الكربونية مسمى آخر يستخدم اللاحقة ylidene كما في الأمثلة التالية:

-النترينات (Nitrenes)تُعد النترينات نوعاً من الوسائط الفعالة التي تختلف عن الوسائط النشطة الناقصة إلكترونياً مثل الكربوكاتيونات والكربينات. في النترينات تكون الذرة المركزية هي ذرة النيتروجين مما يمنحها خصائص فريدة. يتم استخدام مصطلح "النترينات" لوصفها كجزيئات ناقصة إلكترونياً Electron-Deficient Molecules ومتعادلةكهربائياً Electroneutral وأحادية التكافؤ Monovalent وذات نشاط عال.

أبسط مثال على النترينات هو الجزيء ((N-H المعروف باسم الإيمين (Imene أو Imidogen)ومشتقاته  (R-N)  الناتجة عن استبدال ذرة الهيدروجين. تعتبر النترينات مماثلات للنيتروجين للكربينات Isoelectronic of Carbene حيث تحتوي ذرة النيتروجين على ستة إلكترونات في غلافها الخارجي والتي تتألف من زوج إلكتروني رابط ممثل برابطة تساهمية واحدة بالإضافة إلى زوجين من الإلكترونات غير الرابطة.

 الأرينــــات  (Arynes)يُطلـــــق مصطلـــــح الأرينــــات Arynes على مشتقـــــــات البنزايــــن  (1,2-Dihydrobenzene) ومثيلاتها من الحلقات غير المتجانسة الأروماتية  Aromatic Heterocyclic Arynes والأرينات مركبات وسطية متعادلة عالية الفعالية تنتج من حذف مستبدلين متجاورين من الحلقة الأروماتية (Ortho Position) المتجانسة وغير المتجانسة وينتج عن ذلك الكترونين موزعة بين مدارين. ومن الأمثلة النموذجية لمثل هذه الوسائط:     

·        o-Benzyne (1,2-Dihydrobenzene)

·        3,4-Pyridyne (3,4-Dehydropyridine)

يمثل البنزاين الجزيء الأساسي Parent Molecule  للأرينات ويوجد على هيئة ثلاثة تراكيب إيزومرية (أورثو ميتا وبارا) ويُـعد الإيزومر أرثوبنزاين هو التركيب الأكثر تداولاً في دراسة هذا النوع من الوسائط الكيميائية النشطة.

تراكيب خاصة بالارثوبنزاين.

وبسبب الفعالية العالية للأرينات يتم تكوينها في نفس الموضع   in situوهناك العديد من الطرق الشائعة المستخدمة في توليده. وفيما يتعلق بالسلوك الكيميائي فهي كمركبات عالية الفعالية يمكن تقسيم تفاعلات الأرينات بناءاً على فعاليتها الى ثلاثة مجموعات : 1) تفاعلات الإطار الحلقي  2)  تفاعلات الإضافة النيوكليوفيلية     3) تفاعلات محفزة بفلزإنتقالي.