الكيمياء العضوية هي دراسة مركبات الكربون، وهذه المركبات هي مادة الحياة على الأرض، فهي تشمل المركبات التي يتكون منها جسم الإنسان مثل الكربوهيدرات والبروتينات وغيرها، والمواد الطبيعية المستخلصة من النباتات والحيوانات مثل القطن والصوف، وكذلك المركبات المحضرة بالطرق الكيميائية مثل مثل النايلون والأدوية والدهانات والمبيدات الحشرية وغيرها.
ولفهم الكيمياء العضوية لا بد لنا من التعرف على عنصر الكربون وطرق ارتباطه في المركبات العضوية.
الكربون في الطبيعة
عُرِف الكربون في الطبيعة على صورتين تآصليتين هما الجرافيت والماس. والمتأمل لهاتين الصورتين يستطيع أن يربط بين الشكل والخواص فيهما.
فالجرافيت (شكل 1) مكون من صفائح مستوية مصفوفة فوق بعضها البعض، تربطها روابط الكتروستاتيكية ضعيفة، ولذلك نجد أنه يستعمل في أقلام الرصاص حيث تنزلق هذه الطبقات وتلتصق بالورق عند الكتابة.
الارتباط الكيميائي في الجرافيت
بينما نجد أن ذرات الكربون في الماس مرتبطة ببعضها البعض بروابط كيميائية بحيث ترتبط كل ذرة كربون بأربع روابط مع الذرات الأخرى (شكل 2)، ويمتاز الماس بالصلابة الشديدة لأنه يلزم كسر عدد كبير من الروابط بين ذرات الكربون لكسر بلورته.
الارتباط الكيميائي في الماس
وقد تم اكتشاف صورة تآصلية ثالثة للكربون في أواسط العقد الثمانيني من هذا القرن العشرين تنتج عند قذف الجرافيت بأشعة الليزر القوية، ويوجد الكربون في هذه الصورة على شكل 60 ذرة مرتبطة ببعضها البعض بحيث تقع على رؤوس كرة ذات اثنان وثلاثون وجهًا، عشرون منها أشكال حلقية سداسية، واثنا عشر منها أشكال حلقية خماسية كما يتضح في الشكل رقم 3.
الارتباط الكيميائي في كرة الكربون
وقد سميت هذه الكرة (Buckminster Fullerene) نسبة إلى المهندس المعماري
(Buckminster Fuller) الذي استعمل أشكالاً شبيهة في تصميماته.
ويعتبر اكتشاف هذه الصورة الكروية الثالثة للكربون من أهم الاكتشافات الكيميائية في القرن العشرين حيث إنها أوضحت أهمية توجيه الأبحاث الكيميائية نحو العلوم الأساسية التي يعتقد البعض أنه قد اكتمل عقدها وانجلى كل مجهولها. كما أنها فتحت مجالاتٍ جديدةً في الأبحاث الخاصة بالبوليمرات وأشباه الموصلات والمحفزات والأدوية.
ولأهمية هذا الاكتشاف فقد منح العلماء الثلاثة (R. Smallley, R. Curl, H. Kroto) الذين ساهموا في اكتشافه جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996.
النظرية البنائية في الكيمياء العضوية
تتكون ذرة الكربون من ستة بروتونات وستة نيوترونات في النواة بالإضافة إلىستة إالكترونات تدور حول النواة. والتوزيع الإلكتروني في الكربون هو (1S2,2S2,2p2)، ويلاحظ من هذا التوزيع أنه يوجد أربع إلكترونات ارتباط في المدار الثاني الخارجي في الكربون، ولذلك نجد أن الكربون رباعي التكافؤ أي أن ذرة الكربون تكون أربع روابط تشاركية مع نفسه أومع العناصر الأخرى للوصول للتركيب الإلكتروني الثماني المستقر. وقدرة الكربون على عمل هذه الروابط هي السر في العدد الكبير لمركباته والتي تفوق الأربعة ملايين مركب عضوي معروفة، ناهيك عن المركبات غير المعروفة. والنيتروجين ثلاثي التكافؤ، والأكسجين ثنائي التكافؤ تكون ذرته رابطتين، والهيدروجين والهالوجينات أحادية التكافؤ تكون كل من ذراتها رابطة واحدة.
ذرات الكربون والسيليكون رباعية التكافؤ
ذرات النيتروجين والفوسفور ثلاثية التكافؤ
ذرات الأكسجين والكبريت ثنائية التكافؤ
ذرات الهيدروجين والهالوجين أحادية التكافؤ
وتتضح طريقة ارتباط الكربون وقدرته على التشعب من خلال النظر إلى الأمثلة التالية: غاز الميثان الذي يستعمل كوقود، والإيثانول الذي يستعمل كمذيب عضوي بالإضافة إلى وجوده في أنواع الخمور المختلفة، والإيثر الذي استعمل أيضًا كمادة مخدرة.
تركيب الميثان
الإيثانول الإيثر
وقد جرت العادة عند دراسة الكيمياء العضوية أن يتم تصنيف المركبات العضوية على أساس المجموعات الوظيفية الموجودة فيها مثل الألكانات التي تحتوي على روابط كربون أحادية، والألكينات التي تحتوي على روابط كربون ثنائية، والكحولات التي تحتوي على مجموعة الهيدروكسيل (OH)، وهكذا، وسنتعرض في هذا الفصل لنبذة مبسطة عن أهم المجموعات الوظيفية العضوية ومركباتها.
أولا: الألكانات
هي عبارة عن هيدروكربونات (مركبات تحتوي على الكربون والهيدروجين) تتميز بأنه لا يوجد في جزيئاتها روابط ثنائية أو ثلاثية بين ذرات الكربون، والصيغة العامة لنسبة الكربون والهيدروجين في هذه الألكانات هي (CnH2n+2)، والجدول الآتي يوضح أبسط الألكانات واستعمالاتها:
أهم الاستعمالات
الصيغة البنائية
الصيغة الجزيئية
الاسم
وقود
CH4
CH4
ميثان
وقود
CH3CH3
C2H6
إيثان
وقود
CH3CH2CH3
C3H8
بروبان
وقود
CH3(CH2)2CH3
C4H10
بيوتان
مذيب عضوي
CH3(CH2)3CH3
C5H12
بنتان
مذيب عضوي
CH3(CH2)4CH3
C6H14
هكسان
وقود للسيارات
CH3(CH2)5CH3
C7H16
هبتان
الميثان:
يوجد غاز الميثان في الجو بكميات قليلة جدًا، ولكنه مكون ريئسي لجو كل من عطارد وزحل وأورانوس ونبتون، وهو المكون الريئسي للغاز الطبيعي بنسبة تزيد عن 80 %.
توجد في مستوى التكافؤ لجزيء الميثان أربعة أزواج من الإلكترونات الرابطة، ويتحقق أقصى انفصال بينها إذا كانت مرتبة بشكل هرمي رباعي فقط (Tetrahedral)، والزاوية بين الروابط في هذا الشكل 109.5 درجة، في حين يقدر طول الرابطة بين الكربون والهيدروجين ب (74 pm).
تسمية الألكانات:
المركبات المشتقة من الألكانات تسمى نسبة لها، وذلك بوضع اسم المجموعة البديلة أمام اسم الألكان، وعند وجود تفرعات في الألكان يجب اختيار السلسلة الأطول كأساس للتسمية، وأهم المجموعات التي تحل محل الهيدروجين هي:
الاسم
المجموعة
الاسم
المجموعة
نيترو
-NO2
فلورو
F
سيانو
-CN
كلورو
Cl
ميثل
-CH3
برومو
Br
إيثل
-CH2CH3
أيودو
F
والأمثلة التالية توضح تسمية بعض الألكانات:
كلوروإيثان
2-نيتروبروبان
2-سيانوبيوتان
أيودوإيثان
2-بروموبيوتان
3-ميثل بنتان
السيكلوألكانات (Cycloalkanes)
هي عبارة عن ألكانات رتبت فيها ذرات الكربون في حلقة، والصيغة العامة لها (CnH2n)، وفيما يلي عدة أمثلة من السايكلوألكانات:
سايكلوهبتان
سايكلوهكسان
سايكلوبنتان
سايكلوبيوتان
سايكلوبروبان
الألكينات والألكاينات (Alkenes & Alkynes)
الألكينات عبارة عن هيدروكربونات تحتوي جزيئاتها على رابطة كربون كربون مزدوجة، ولهذه المركبات اسم قديم لا يزال يستعمل أحيانًا وهو أوليفينات (Olefines)، والرابطة المزدوجة هي المجموعة الوظيفية في الألكينات، وتحتوي الألكاينات على رابطة كربون كربون ثلاثية.
أبسط الألكينات هو الإيثين (أو الإيثلين)، أما أبسط الألكاينات فهو الأسيتلين، وتسمى باقي الألكينات البسيطة من خلال تعيين أطول سلسلة كربونية، وتغيير نهاية اسم الألكان المقابل من (ان) إلى (ين)، مع تحديد موقع الرابطة المزدوجة بالأعداد، بينما تسمى الألكاينات بتغيير نهاية اسم الألكان المقابل إلى (اين)، والأمثلة التاية توضح تسمية بعض هذه المركبات
الألكاين
الألكين
الألكان
CH ≡ CH
إيثاين (أسيتلين)
CH2 = CH2
إيثين (إيثلين)
CH3 - CH3
إيثان
CH ≡ C - CH3
بروباين
CH2 = CH - CH3
بروبين
CH3 – CH – CH3
بروبان
CH ≡ C - CH2 - CH3
1-بيوتاين
CH2 = CH - CH2 - CH3
1-بيوتين
CH3 - CH2 - CH2 - CH3
بيوتان
تحضير الألكينات والألكاينات:
تحضر الألكينات من خلال حذف مجموعة (HCl, HBr, H2O) من الألكانات في وجود عامل حفاز كما يتضح من الأمثلة التالية:
تفاعلات الألكينات والألكاينات:
تفاعل الإضافة: أهم تفاعل للألكينات والألكاينات هو تفاعل الإضافة، حيث يضاف الماء أو الهيدروجين أو الهالوجين أو الأحماض (HCl, HBr) للرابطة المزدوجة كما يتضح من الأمثلة التالية:
ويستعمل تفاعل الهدرجة (إضافة الهيدروجين) لتحويل الروابط الثنائية في الزيوت السائلة إلى روابط أحادية، مما يؤدي إلى تحول الزيت إلى السمن، وهذا يساعد على تقليل عملية تزنخ السمن.
استعمالات الألكينات:
تستعمل الألكينات بشكل أساسي في تحضير مجموعة هامة من البوليمرات (Polymers) من خلال اتحاد مجموعة كبيرة من الجزيئات المفردة لتكوين جزيء البوليمر الذي يحتوي على عدة آلاف من الجزيئات المفردة المتصلة ببعضها البعض، والجدول التالي يوضح بعض الجزيئات المفردة (Monomers) والبوليمرات التي تحضر منها:
صيغته
البوليمر المحضر منه
صيغته
الجزيء المفرد
-(CH2 - CH2)n
بولي إيثلين
CH2 = CH2
الإيثلين
-(CH2 - CH - Cl)n
بولي فينيل كلورايد
CH2 = CH - Cl
فينيل كلورايد
-(CH2 - CH – CN)n
بولي أكريلونيترايل
CH2 = CH – CN
أكريل بيترايل
المركبات الأروماتية:
البنزين العطري أبسط المركبات الأروماتية، وقد تم فصله من غاز كان يستعمل للاستضاءة عام 1825، ووجد أن صيغته الجزيئية (C6H6)، وقد اقترح كيكولي شكل البنزين عام 1865 على شكل حلقة سداسية في مستوى واحد بها ثلاث روابط مزدوجة مترددة.
ويمتاز البنزين بخواص مختلفة عن الألكينات، حيث لا تحصل عمليات إضافة على روابطه المزدوجة، ومن أمثلة المركبات الأروماتية الأخرى النافثلين والأنثراسين:
النافثلين الأنثراسين
وتسمى مشتقات البنزين باعتبار كلمة بنزين قاعدة للاسم تسبقها بادئة وذلك كما يلي:
نيتروبنزين بروموبنزين كلوروبنزين فلوروبنزين
وإذا وجدت مجموعتان بديلتان على حلقة البنزين فإن موقعيهما النسبيين يبينان باستخدام أرقام أو استخدام البواديء أورثو (o)، ميتا (m)، بارا (p). ونرى فيما يلي تسمية متشكلات ثنائي بروموبنزين
2،1-ثنائي بروموبنزين 3،1-ثنائي بروموبنزين 4،1-ثنائي بروموبنزين
أورثو-ثنائي بروموبنزين ميتا-ثنائي بروموبنزين بارا-ثنائي بروموبنزين
أهمية المركبات الأروماتية:
تدخل كثير من المركبات الأروماتية في الصناعة مثل حامض البنزويك والفينول والأنيلين والتولوين.
حامض البنزويك فينول أنيلين تولوين
كما تحتل المركبات المحتوية على حلقات أروماتية مواقع مهمة في مجال الكيمياء الحيوية، فتدخل في كثير من التفاعلات في الكائنات الحية، وهناك حامضان أمينيان ضروريان لاصطناع البروتينات وفي كلٍ منهما حلقة بنزين، كذلك يحتوي الحامض الأميني تربتوفان على حلقة بنزين
فينيل ألانين تايروسين تربتوفان
ونظرًا لعجز الإنسان عن اصطناع حلقة البنزين فإن مشتقات فينيل ألانين وتربتوفان ضرورية لغذاء الإنسان.
وقد اكتشف وجود بنزو[a]بايرين في دخان السجائر، وفي غازات عادم السيارات، كذلك يوجد على اللحم المشوي، وينز من الطرق الإسفلتية في أيام الصيف الحارة. ويبلغ من خطر هذا المركب أنه يمكن أن يحدث بواسطته سرطان الجلد في الفئران بإزالة جزء من شعر الجلد ووضع طبقة من بنزو[a]بايرين.
بنزو[a]بايرين
الكحولات
الكحولات مركبات تحتوي جزيئاتها على مجموعة هيدروكسيل متصلة مع كربون مشبع، أما المركبات التي تتصل فيها مجموعة الهيدروكسيل بالحلقة الأروماتية مباشرة فهي فينولات.
كحول فينول
تسمية الكحولات:
تذكر الكحولات البسيطة في كثير من الأحيان بأسمائها الشائعة مثل الكحول الميثيلي والكحول الإيثيلي.
أما قواعد تسمية الكحولات فتتم من خلال اختيار أطول سلسلة كربون ترتبط بها مجموعة هيدروكسيل، وكتابة اسم الألكان المناظر مع إضافة المقطع (ول) وتحديد رقم مجموعة الهيدروكسيل، كما يتضح من الأمثلة التالية
اسم الشهرة
الاسم
الكحول
الكحول الميثيلي
ميثانول
CH3OH
الكحول الإيثيلي
إيثانول
CH3CH2OH
بروبانول
CH3CH2CH2OH
بيوتانول
CH3CH2CH2H2OH
الكحول الإيثيلي:
يمكن أن يحضر الكحول الإيثيلي بتخمر السكاكر،وهو الكحول الذي يوجد في المشروبات المسكرة. وتأتي السكاكر من تخمر الحبوب، ولذلك كان هذا المركب يعرف قديمًا باسم كحول الحبوب (Grain alcohol).
ويجري التخمر عادة بإضافة الخميرة (Yeast) لمحلول السكر والماء، وتوجد في الخميرة إنزيميات تساعد سلسلة من التفاعلات تنتهي بتحويل سكر بسيط (C6H12O6) إلى كحول إيثيلي وثاني أكسيد الكربون.
ولايؤدي التخمر إلى مشروبات تزيد نسبة الكحول فيها عن 12 – 15 %، لأن الخميرة لا تستطيع الاستمرار في العيش عند تراكيز عالية من الكحول، لذلك يقطر الكحول عادة لتحضير أنواع المشروبات القوية.
وتضاف للكحول الإيثيلي المخصص للأغراض العلمية والصناعية بعض المواد لتغيير طبيعته، ولجعله غير صالح للشرب، ومن هذه المواد الكحول الميثيلي.
والكحول الإيثيلي يميل للنوم، فهو يخفض النشاط في الأجزاء العليا من المخ رغم أنه يعطي انطباعًا وهميًا بالإثارة. وقد غدا الإدمان على الكحول مشكلة مستعصية في كثير من البلاد.
والكحول الإيثيلي رغم ذلك مادة مطهرة من الجراثيم، ومذيب عضوي جيد ويستعمل في كثير من الصناعات، ويأتي معظم الكحول اللازم للصناعة من تفاعل الإيثلين مع الماء في وجود حامض، وهي الطريقة العامة لتحضير الكحولات.
الإيثرات
الإيثرات مركبات عضوية لها الصيغة العامة (R-O-R)، وتحضر عادة بتسخين الكحول مع حامض الكبريتيك، كما يتضح من المعادلة التالية لتحضير ثنائي إيثيل إيثر من الإيثانول:
ثنائي إيثيل إيثر مركب درجة غليانه منخفضة، وهو قابل للالتهاب، ولذا يجب الحرص دائمًا عند استخدامه في المختبر، لأن وجود لهب أو حدوث شرارة كهربائية من مفاتيح الكهرباء يمكن أن يسبب حريقًا وانفجارًا إذا كان بخار الإيثر قد اختلط بالهواء.
وقد استخدم ثنائي إيثيل إيثر في البداية كمخدر جراحي عام 1842.
الألدهيدات والكيتونات
الألدهيدات والكيتونات مركبات عضوية تحتوي على مجموعة (C=O) ولها الصيغة العامة الموضحة في الشكل التالي:
ألدهايد كيتون
وفيما يلي بعض الألدهيدات والكيتونات المشهورة
أسيتون
بنزألدهيد
أسيتألدهيد
فورمألدهايد
الياسمين
النعناع
الفانيلا
القرفة
تسمية الألدهيدات والكيتونات
تسمى الألدهيدات الأليفاتية بإضافة المقطع (ال) لاسم الألكان المقابل، حيث إن مجموعة الألدهيد يجب أن تتكون على طرف السلسلة فليس من الضروري تحديد موقعها.
أما الكيتونات فتسمى بإضافة المقطع (ون) لاسم الألكان المقابل، ثم ترقم السلسلة بطريقة تعطي كربون مجموعة الكربونيل أصغر رقم ممكن كما يتضح من الأمثلة التالية:
الكيتون
الألدهيد
الألكان
H2C = O
ميثانال (فورمألديد)
CH4
ميثان
CH3C = O
إيثانال (أسيتألهيد)
CH3 - CH3
إيثان
2-بروبانون
CH3CH2C = O
بروبانال
CH3 – CH – CH3
بروبان
2-بيوتانون
CH3CH2CH2C = O
بيوتانال
CH3 - CH2 - CH2 - CH3
بيوتان
تحضير الألدهيدات والكيتونات
تعتبر أكسدة الكحولات من أهم الطرق المستعملة في تحضير الألدهيدات والكيتونات:
الأحماض العضوية ومشتقاتها
تعتبر مجموعة الكربوكسيل COOH من من أوسع المجموعات الوظيفية انتشارًا في الكيمياء والكيمياء الحيوية، حيث توجد في الأحماض العضوية والأحماض الأمينية التي تحضر منها البروتينات، وفيما يلي بعض الأحماض العضوية الشهيرة:
حمض البنزويك
حمض الخليك
(حامض إيثانويك)
حمض الفورميك
(حامض ميثانويك)
وتسمى الأحماض العضوية بإضافة المقطع (ويك) لاسم الألكان المقابل لأطول سلسلة في الحامض من ضمنها مجموعة كربوكسيل التي تعطى رقم 1.
تحضير الأحماض الكربوكسيلية
تحضر الأحماض الكربوكسيلية بأكسدة الكحولات والألدهيدات باستعمال عوامل مؤكسدة قوية مثل برمنجنات البوتاسيوم أو حامض النيتريك، كما يتضح من المعادلة التالية لتحضير حامض الخليك:
كذلك تحضر الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية بأكسدة السلسلة الأليفاتية المتصلة بالحلقة الأروماتية باستعمال برمنجنات البوتاسيوم:
الأملاح الكربوكسيلية
تحضر الأملاح الكربوكسيلية بتفاعل هيدروكسيد الصوديوم مع الحامض العضوي، وتنتهي أسماء الأملاح الكربوكسيلية بالمقطع (ات) في الأسماء الشائعة كما في خلات الصوديوم.
وتذوب أملاح الصوديوم والبوتاسيوم لمعظم الأحماض الكربوكسيلية بسهولة في الماء. وهذا يصدق أيضًا على الأحماض التي تملك سلسلة طويلة، وأملاح الصوديوم والبوتاسيوم لمثل هذه الأحماض ذات السلسلة الطويلة هي المكونات الرئيسة للصابون.
الصابون والمنظفات الصناعية
يؤدي التميؤ القلوي (التصبن) لثلاثي أسيل جليسرولات إلى مخلوط من أملاح الأحماض الكربوكسيلية ذات السلاسل الطويلة:
كربوكسيلات الصوديوم جليسرول
(صابون)
وهذا المخلوط هو الصابون. ومعظم الصابون يصنع بهذه الطريقة، فتغلى الدهون والزيوت مع هيدروكسيد صوديوم مائي إلى أن يتم التميؤ. فإذا أضيف للمخلوط عندئذٍ كلوريد الصوديوم ترسب الصابون (ويفصل الجليسرول بعد ذلك من المحلول بالتقطير)، ثم تضاف مواد معطرة لإنتاج صابون الحمام.
ويوجد الصابون في المحاليل على شكل ميسيلات (micells)، وميسيلات الصابون هي مجموعات من أيونات كربوكسيلات موزعة في المحلول، وفي كل مجموعة تتراص أيونات كربوكسيلات بحيث تبرز مجموعات الكربوكسيل السالبة القطبية على السطح الكروي بينما تتجه السلاسل الهيدروكربونية غير القطبية إلى الداخل. أما أيونات الصوديوم فهي منتشرة في المنطقة القريبة من المحلول كأيونات مماهة.
ويعتمد عمل الصابون على ذوبان الهيدروكربونية في الدهون، ولدى حدوث ذلك تتكون حول كلٍ من هذه الدقائق طبقة خارجية من أيونات الكربوكسيلات، ولذلك تبقى مشتتة في الوسط المائي، ثم تتجه مع الماء إلى المصرف.
شكل 4: الشكل الأعلى يوضح ميسيلات الصابون المذابة في الماء، والشكل الأسفل يوضح نقاط الدهن المذابة في هذه الميسيلات
وتؤدي المنظفات الصناعية عملها بالكيفية نفسها، فهي مثل الصابون تمتلك سلاسل ألكان طويلة غير قطبية تنتهي بمجموعات قطبية.
وللمنظفات الصناعية ميزة تتفوق بها على الصابون، فهي تؤدي عملها بنجاح في الماء (العسر)، أي الماء الذي يحتوي على أيونات Mg+ +, Fe+ + +, Fe+ +, Ca++ . فأملاح الكالسيوم والحديد والمغنيسيوم مع المنظفات الصناعية أملاح ذائبة في الماء إلى حدٍ كبير، ولذلك يبقى المنظف الصناعي في المحلول. أما الصابون، فهو على النقيض من ذلك، يكون رواسب مع هذه الأيونات إذا استخدم في الماء العسر.
لكن لبعض المنظفات الصناعية عيبًا خطيرًا، وهو أنها غير قابلة (للخسف الحيوي)، ومعنى ذلك أنها لا تتكسر إلى مواد غير مؤذية بفعل الكائنات الموجودة في التربة.
ولفهم الكيمياء العضوية لا بد لنا من التعرف على عنصر الكربون وطرق ارتباطه في المركبات العضوية.
الكربون في الطبيعة
عُرِف الكربون في الطبيعة على صورتين تآصليتين هما الجرافيت والماس. والمتأمل لهاتين الصورتين يستطيع أن يربط بين الشكل والخواص فيهما.
فالجرافيت (شكل 1) مكون من صفائح مستوية مصفوفة فوق بعضها البعض، تربطها روابط الكتروستاتيكية ضعيفة، ولذلك نجد أنه يستعمل في أقلام الرصاص حيث تنزلق هذه الطبقات وتلتصق بالورق عند الكتابة.
الارتباط الكيميائي في الجرافيت
بينما نجد أن ذرات الكربون في الماس مرتبطة ببعضها البعض بروابط كيميائية بحيث ترتبط كل ذرة كربون بأربع روابط مع الذرات الأخرى (شكل 2)، ويمتاز الماس بالصلابة الشديدة لأنه يلزم كسر عدد كبير من الروابط بين ذرات الكربون لكسر بلورته.
الارتباط الكيميائي في الماس
وقد تم اكتشاف صورة تآصلية ثالثة للكربون في أواسط العقد الثمانيني من هذا القرن العشرين تنتج عند قذف الجرافيت بأشعة الليزر القوية، ويوجد الكربون في هذه الصورة على شكل 60 ذرة مرتبطة ببعضها البعض بحيث تقع على رؤوس كرة ذات اثنان وثلاثون وجهًا، عشرون منها أشكال حلقية سداسية، واثنا عشر منها أشكال حلقية خماسية كما يتضح في الشكل رقم 3.
الارتباط الكيميائي في كرة الكربون
وقد سميت هذه الكرة (Buckminster Fullerene) نسبة إلى المهندس المعماري
(Buckminster Fuller) الذي استعمل أشكالاً شبيهة في تصميماته.
ويعتبر اكتشاف هذه الصورة الكروية الثالثة للكربون من أهم الاكتشافات الكيميائية في القرن العشرين حيث إنها أوضحت أهمية توجيه الأبحاث الكيميائية نحو العلوم الأساسية التي يعتقد البعض أنه قد اكتمل عقدها وانجلى كل مجهولها. كما أنها فتحت مجالاتٍ جديدةً في الأبحاث الخاصة بالبوليمرات وأشباه الموصلات والمحفزات والأدوية.
ولأهمية هذا الاكتشاف فقد منح العلماء الثلاثة (R. Smallley, R. Curl, H. Kroto) الذين ساهموا في اكتشافه جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996.
النظرية البنائية في الكيمياء العضوية
تتكون ذرة الكربون من ستة بروتونات وستة نيوترونات في النواة بالإضافة إلىستة إالكترونات تدور حول النواة. والتوزيع الإلكتروني في الكربون هو (1S2,2S2,2p2)، ويلاحظ من هذا التوزيع أنه يوجد أربع إلكترونات ارتباط في المدار الثاني الخارجي في الكربون، ولذلك نجد أن الكربون رباعي التكافؤ أي أن ذرة الكربون تكون أربع روابط تشاركية مع نفسه أومع العناصر الأخرى للوصول للتركيب الإلكتروني الثماني المستقر. وقدرة الكربون على عمل هذه الروابط هي السر في العدد الكبير لمركباته والتي تفوق الأربعة ملايين مركب عضوي معروفة، ناهيك عن المركبات غير المعروفة. والنيتروجين ثلاثي التكافؤ، والأكسجين ثنائي التكافؤ تكون ذرته رابطتين، والهيدروجين والهالوجينات أحادية التكافؤ تكون كل من ذراتها رابطة واحدة.
ذرات الكربون والسيليكون رباعية التكافؤ
ذرات النيتروجين والفوسفور ثلاثية التكافؤ
ذرات الأكسجين والكبريت ثنائية التكافؤ
ذرات الهيدروجين والهالوجين أحادية التكافؤ
وتتضح طريقة ارتباط الكربون وقدرته على التشعب من خلال النظر إلى الأمثلة التالية: غاز الميثان الذي يستعمل كوقود، والإيثانول الذي يستعمل كمذيب عضوي بالإضافة إلى وجوده في أنواع الخمور المختلفة، والإيثر الذي استعمل أيضًا كمادة مخدرة.
تركيب الميثان
الإيثانول الإيثر
وقد جرت العادة عند دراسة الكيمياء العضوية أن يتم تصنيف المركبات العضوية على أساس المجموعات الوظيفية الموجودة فيها مثل الألكانات التي تحتوي على روابط كربون أحادية، والألكينات التي تحتوي على روابط كربون ثنائية، والكحولات التي تحتوي على مجموعة الهيدروكسيل (OH)، وهكذا، وسنتعرض في هذا الفصل لنبذة مبسطة عن أهم المجموعات الوظيفية العضوية ومركباتها.
أولا: الألكانات
هي عبارة عن هيدروكربونات (مركبات تحتوي على الكربون والهيدروجين) تتميز بأنه لا يوجد في جزيئاتها روابط ثنائية أو ثلاثية بين ذرات الكربون، والصيغة العامة لنسبة الكربون والهيدروجين في هذه الألكانات هي (CnH2n+2)، والجدول الآتي يوضح أبسط الألكانات واستعمالاتها:
أهم الاستعمالات
الصيغة البنائية
الصيغة الجزيئية
الاسم
وقود
CH4
CH4
ميثان
وقود
CH3CH3
C2H6
إيثان
وقود
CH3CH2CH3
C3H8
بروبان
وقود
CH3(CH2)2CH3
C4H10
بيوتان
مذيب عضوي
CH3(CH2)3CH3
C5H12
بنتان
مذيب عضوي
CH3(CH2)4CH3
C6H14
هكسان
وقود للسيارات
CH3(CH2)5CH3
C7H16
هبتان
الميثان:
يوجد غاز الميثان في الجو بكميات قليلة جدًا، ولكنه مكون ريئسي لجو كل من عطارد وزحل وأورانوس ونبتون، وهو المكون الريئسي للغاز الطبيعي بنسبة تزيد عن 80 %.
توجد في مستوى التكافؤ لجزيء الميثان أربعة أزواج من الإلكترونات الرابطة، ويتحقق أقصى انفصال بينها إذا كانت مرتبة بشكل هرمي رباعي فقط (Tetrahedral)، والزاوية بين الروابط في هذا الشكل 109.5 درجة، في حين يقدر طول الرابطة بين الكربون والهيدروجين ب (74 pm).
تسمية الألكانات:
المركبات المشتقة من الألكانات تسمى نسبة لها، وذلك بوضع اسم المجموعة البديلة أمام اسم الألكان، وعند وجود تفرعات في الألكان يجب اختيار السلسلة الأطول كأساس للتسمية، وأهم المجموعات التي تحل محل الهيدروجين هي:
الاسم
المجموعة
الاسم
المجموعة
نيترو
-NO2
فلورو
F
سيانو
-CN
كلورو
Cl
ميثل
-CH3
برومو
Br
إيثل
-CH2CH3
أيودو
F
والأمثلة التالية توضح تسمية بعض الألكانات:
كلوروإيثان
2-نيتروبروبان
2-سيانوبيوتان
أيودوإيثان
2-بروموبيوتان
3-ميثل بنتان
السيكلوألكانات (Cycloalkanes)
هي عبارة عن ألكانات رتبت فيها ذرات الكربون في حلقة، والصيغة العامة لها (CnH2n)، وفيما يلي عدة أمثلة من السايكلوألكانات:
سايكلوهبتان
سايكلوهكسان
سايكلوبنتان
سايكلوبيوتان
سايكلوبروبان
الألكينات والألكاينات (Alkenes & Alkynes)
الألكينات عبارة عن هيدروكربونات تحتوي جزيئاتها على رابطة كربون كربون مزدوجة، ولهذه المركبات اسم قديم لا يزال يستعمل أحيانًا وهو أوليفينات (Olefines)، والرابطة المزدوجة هي المجموعة الوظيفية في الألكينات، وتحتوي الألكاينات على رابطة كربون كربون ثلاثية.
أبسط الألكينات هو الإيثين (أو الإيثلين)، أما أبسط الألكاينات فهو الأسيتلين، وتسمى باقي الألكينات البسيطة من خلال تعيين أطول سلسلة كربونية، وتغيير نهاية اسم الألكان المقابل من (ان) إلى (ين)، مع تحديد موقع الرابطة المزدوجة بالأعداد، بينما تسمى الألكاينات بتغيير نهاية اسم الألكان المقابل إلى (اين)، والأمثلة التاية توضح تسمية بعض هذه المركبات
الألكاين
الألكين
الألكان
CH ≡ CH
إيثاين (أسيتلين)
CH2 = CH2
إيثين (إيثلين)
CH3 - CH3
إيثان
CH ≡ C - CH3
بروباين
CH2 = CH - CH3
بروبين
CH3 – CH – CH3
بروبان
CH ≡ C - CH2 - CH3
1-بيوتاين
CH2 = CH - CH2 - CH3
1-بيوتين
CH3 - CH2 - CH2 - CH3
بيوتان
تحضير الألكينات والألكاينات:
تحضر الألكينات من خلال حذف مجموعة (HCl, HBr, H2O) من الألكانات في وجود عامل حفاز كما يتضح من الأمثلة التالية:
تفاعلات الألكينات والألكاينات:
تفاعل الإضافة: أهم تفاعل للألكينات والألكاينات هو تفاعل الإضافة، حيث يضاف الماء أو الهيدروجين أو الهالوجين أو الأحماض (HCl, HBr) للرابطة المزدوجة كما يتضح من الأمثلة التالية:
ويستعمل تفاعل الهدرجة (إضافة الهيدروجين) لتحويل الروابط الثنائية في الزيوت السائلة إلى روابط أحادية، مما يؤدي إلى تحول الزيت إلى السمن، وهذا يساعد على تقليل عملية تزنخ السمن.
استعمالات الألكينات:
تستعمل الألكينات بشكل أساسي في تحضير مجموعة هامة من البوليمرات (Polymers) من خلال اتحاد مجموعة كبيرة من الجزيئات المفردة لتكوين جزيء البوليمر الذي يحتوي على عدة آلاف من الجزيئات المفردة المتصلة ببعضها البعض، والجدول التالي يوضح بعض الجزيئات المفردة (Monomers) والبوليمرات التي تحضر منها:
صيغته
البوليمر المحضر منه
صيغته
الجزيء المفرد
-(CH2 - CH2)n
بولي إيثلين
CH2 = CH2
الإيثلين
-(CH2 - CH - Cl)n
بولي فينيل كلورايد
CH2 = CH - Cl
فينيل كلورايد
-(CH2 - CH – CN)n
بولي أكريلونيترايل
CH2 = CH – CN
أكريل بيترايل
المركبات الأروماتية:
البنزين العطري أبسط المركبات الأروماتية، وقد تم فصله من غاز كان يستعمل للاستضاءة عام 1825، ووجد أن صيغته الجزيئية (C6H6)، وقد اقترح كيكولي شكل البنزين عام 1865 على شكل حلقة سداسية في مستوى واحد بها ثلاث روابط مزدوجة مترددة.
ويمتاز البنزين بخواص مختلفة عن الألكينات، حيث لا تحصل عمليات إضافة على روابطه المزدوجة، ومن أمثلة المركبات الأروماتية الأخرى النافثلين والأنثراسين:
النافثلين الأنثراسين
وتسمى مشتقات البنزين باعتبار كلمة بنزين قاعدة للاسم تسبقها بادئة وذلك كما يلي:
نيتروبنزين بروموبنزين كلوروبنزين فلوروبنزين
وإذا وجدت مجموعتان بديلتان على حلقة البنزين فإن موقعيهما النسبيين يبينان باستخدام أرقام أو استخدام البواديء أورثو (o)، ميتا (m)، بارا (p). ونرى فيما يلي تسمية متشكلات ثنائي بروموبنزين
2،1-ثنائي بروموبنزين 3،1-ثنائي بروموبنزين 4،1-ثنائي بروموبنزين
أورثو-ثنائي بروموبنزين ميتا-ثنائي بروموبنزين بارا-ثنائي بروموبنزين
أهمية المركبات الأروماتية:
تدخل كثير من المركبات الأروماتية في الصناعة مثل حامض البنزويك والفينول والأنيلين والتولوين.
حامض البنزويك فينول أنيلين تولوين
كما تحتل المركبات المحتوية على حلقات أروماتية مواقع مهمة في مجال الكيمياء الحيوية، فتدخل في كثير من التفاعلات في الكائنات الحية، وهناك حامضان أمينيان ضروريان لاصطناع البروتينات وفي كلٍ منهما حلقة بنزين، كذلك يحتوي الحامض الأميني تربتوفان على حلقة بنزين
فينيل ألانين تايروسين تربتوفان
ونظرًا لعجز الإنسان عن اصطناع حلقة البنزين فإن مشتقات فينيل ألانين وتربتوفان ضرورية لغذاء الإنسان.
وقد اكتشف وجود بنزو[a]بايرين في دخان السجائر، وفي غازات عادم السيارات، كذلك يوجد على اللحم المشوي، وينز من الطرق الإسفلتية في أيام الصيف الحارة. ويبلغ من خطر هذا المركب أنه يمكن أن يحدث بواسطته سرطان الجلد في الفئران بإزالة جزء من شعر الجلد ووضع طبقة من بنزو[a]بايرين.
بنزو[a]بايرين
الكحولات
الكحولات مركبات تحتوي جزيئاتها على مجموعة هيدروكسيل متصلة مع كربون مشبع، أما المركبات التي تتصل فيها مجموعة الهيدروكسيل بالحلقة الأروماتية مباشرة فهي فينولات.
كحول فينول
تسمية الكحولات:
تذكر الكحولات البسيطة في كثير من الأحيان بأسمائها الشائعة مثل الكحول الميثيلي والكحول الإيثيلي.
أما قواعد تسمية الكحولات فتتم من خلال اختيار أطول سلسلة كربون ترتبط بها مجموعة هيدروكسيل، وكتابة اسم الألكان المناظر مع إضافة المقطع (ول) وتحديد رقم مجموعة الهيدروكسيل، كما يتضح من الأمثلة التالية
اسم الشهرة
الاسم
الكحول
الكحول الميثيلي
ميثانول
CH3OH
الكحول الإيثيلي
إيثانول
CH3CH2OH
بروبانول
CH3CH2CH2OH
بيوتانول
CH3CH2CH2H2OH
الكحول الإيثيلي:
يمكن أن يحضر الكحول الإيثيلي بتخمر السكاكر،وهو الكحول الذي يوجد في المشروبات المسكرة. وتأتي السكاكر من تخمر الحبوب، ولذلك كان هذا المركب يعرف قديمًا باسم كحول الحبوب (Grain alcohol).
ويجري التخمر عادة بإضافة الخميرة (Yeast) لمحلول السكر والماء، وتوجد في الخميرة إنزيميات تساعد سلسلة من التفاعلات تنتهي بتحويل سكر بسيط (C6H12O6) إلى كحول إيثيلي وثاني أكسيد الكربون.
ولايؤدي التخمر إلى مشروبات تزيد نسبة الكحول فيها عن 12 – 15 %، لأن الخميرة لا تستطيع الاستمرار في العيش عند تراكيز عالية من الكحول، لذلك يقطر الكحول عادة لتحضير أنواع المشروبات القوية.
وتضاف للكحول الإيثيلي المخصص للأغراض العلمية والصناعية بعض المواد لتغيير طبيعته، ولجعله غير صالح للشرب، ومن هذه المواد الكحول الميثيلي.
والكحول الإيثيلي يميل للنوم، فهو يخفض النشاط في الأجزاء العليا من المخ رغم أنه يعطي انطباعًا وهميًا بالإثارة. وقد غدا الإدمان على الكحول مشكلة مستعصية في كثير من البلاد.
والكحول الإيثيلي رغم ذلك مادة مطهرة من الجراثيم، ومذيب عضوي جيد ويستعمل في كثير من الصناعات، ويأتي معظم الكحول اللازم للصناعة من تفاعل الإيثلين مع الماء في وجود حامض، وهي الطريقة العامة لتحضير الكحولات.
الإيثرات
الإيثرات مركبات عضوية لها الصيغة العامة (R-O-R)، وتحضر عادة بتسخين الكحول مع حامض الكبريتيك، كما يتضح من المعادلة التالية لتحضير ثنائي إيثيل إيثر من الإيثانول:
ثنائي إيثيل إيثر مركب درجة غليانه منخفضة، وهو قابل للالتهاب، ولذا يجب الحرص دائمًا عند استخدامه في المختبر، لأن وجود لهب أو حدوث شرارة كهربائية من مفاتيح الكهرباء يمكن أن يسبب حريقًا وانفجارًا إذا كان بخار الإيثر قد اختلط بالهواء.
وقد استخدم ثنائي إيثيل إيثر في البداية كمخدر جراحي عام 1842.
الألدهيدات والكيتونات
الألدهيدات والكيتونات مركبات عضوية تحتوي على مجموعة (C=O) ولها الصيغة العامة الموضحة في الشكل التالي:
ألدهايد كيتون
وفيما يلي بعض الألدهيدات والكيتونات المشهورة
أسيتون
بنزألدهيد
أسيتألدهيد
فورمألدهايد
الياسمين
النعناع
الفانيلا
القرفة
تسمية الألدهيدات والكيتونات
تسمى الألدهيدات الأليفاتية بإضافة المقطع (ال) لاسم الألكان المقابل، حيث إن مجموعة الألدهيد يجب أن تتكون على طرف السلسلة فليس من الضروري تحديد موقعها.
أما الكيتونات فتسمى بإضافة المقطع (ون) لاسم الألكان المقابل، ثم ترقم السلسلة بطريقة تعطي كربون مجموعة الكربونيل أصغر رقم ممكن كما يتضح من الأمثلة التالية:
الكيتون
الألدهيد
الألكان
H2C = O
ميثانال (فورمألديد)
CH4
ميثان
CH3C = O
إيثانال (أسيتألهيد)
CH3 - CH3
إيثان
2-بروبانون
CH3CH2C = O
بروبانال
CH3 – CH – CH3
بروبان
2-بيوتانون
CH3CH2CH2C = O
بيوتانال
CH3 - CH2 - CH2 - CH3
بيوتان
تحضير الألدهيدات والكيتونات
تعتبر أكسدة الكحولات من أهم الطرق المستعملة في تحضير الألدهيدات والكيتونات:
الأحماض العضوية ومشتقاتها
تعتبر مجموعة الكربوكسيل COOH من من أوسع المجموعات الوظيفية انتشارًا في الكيمياء والكيمياء الحيوية، حيث توجد في الأحماض العضوية والأحماض الأمينية التي تحضر منها البروتينات، وفيما يلي بعض الأحماض العضوية الشهيرة:
حمض البنزويك
حمض الخليك
(حامض إيثانويك)
حمض الفورميك
(حامض ميثانويك)
وتسمى الأحماض العضوية بإضافة المقطع (ويك) لاسم الألكان المقابل لأطول سلسلة في الحامض من ضمنها مجموعة كربوكسيل التي تعطى رقم 1.
تحضير الأحماض الكربوكسيلية
تحضر الأحماض الكربوكسيلية بأكسدة الكحولات والألدهيدات باستعمال عوامل مؤكسدة قوية مثل برمنجنات البوتاسيوم أو حامض النيتريك، كما يتضح من المعادلة التالية لتحضير حامض الخليك:
كذلك تحضر الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية بأكسدة السلسلة الأليفاتية المتصلة بالحلقة الأروماتية باستعمال برمنجنات البوتاسيوم:
الأملاح الكربوكسيلية
تحضر الأملاح الكربوكسيلية بتفاعل هيدروكسيد الصوديوم مع الحامض العضوي، وتنتهي أسماء الأملاح الكربوكسيلية بالمقطع (ات) في الأسماء الشائعة كما في خلات الصوديوم.
وتذوب أملاح الصوديوم والبوتاسيوم لمعظم الأحماض الكربوكسيلية بسهولة في الماء. وهذا يصدق أيضًا على الأحماض التي تملك سلسلة طويلة، وأملاح الصوديوم والبوتاسيوم لمثل هذه الأحماض ذات السلسلة الطويلة هي المكونات الرئيسة للصابون.
الصابون والمنظفات الصناعية
يؤدي التميؤ القلوي (التصبن) لثلاثي أسيل جليسرولات إلى مخلوط من أملاح الأحماض الكربوكسيلية ذات السلاسل الطويلة:
كربوكسيلات الصوديوم جليسرول
(صابون)
وهذا المخلوط هو الصابون. ومعظم الصابون يصنع بهذه الطريقة، فتغلى الدهون والزيوت مع هيدروكسيد صوديوم مائي إلى أن يتم التميؤ. فإذا أضيف للمخلوط عندئذٍ كلوريد الصوديوم ترسب الصابون (ويفصل الجليسرول بعد ذلك من المحلول بالتقطير)، ثم تضاف مواد معطرة لإنتاج صابون الحمام.
ويوجد الصابون في المحاليل على شكل ميسيلات (micells)، وميسيلات الصابون هي مجموعات من أيونات كربوكسيلات موزعة في المحلول، وفي كل مجموعة تتراص أيونات كربوكسيلات بحيث تبرز مجموعات الكربوكسيل السالبة القطبية على السطح الكروي بينما تتجه السلاسل الهيدروكربونية غير القطبية إلى الداخل. أما أيونات الصوديوم فهي منتشرة في المنطقة القريبة من المحلول كأيونات مماهة.
ويعتمد عمل الصابون على ذوبان الهيدروكربونية في الدهون، ولدى حدوث ذلك تتكون حول كلٍ من هذه الدقائق طبقة خارجية من أيونات الكربوكسيلات، ولذلك تبقى مشتتة في الوسط المائي، ثم تتجه مع الماء إلى المصرف.
شكل 4: الشكل الأعلى يوضح ميسيلات الصابون المذابة في الماء، والشكل الأسفل يوضح نقاط الدهن المذابة في هذه الميسيلات
وتؤدي المنظفات الصناعية عملها بالكيفية نفسها، فهي مثل الصابون تمتلك سلاسل ألكان طويلة غير قطبية تنتهي بمجموعات قطبية.
وللمنظفات الصناعية ميزة تتفوق بها على الصابون، فهي تؤدي عملها بنجاح في الماء (العسر)، أي الماء الذي يحتوي على أيونات Mg+ +, Fe+ + +, Fe+ +, Ca++ . فأملاح الكالسيوم والحديد والمغنيسيوم مع المنظفات الصناعية أملاح ذائبة في الماء إلى حدٍ كبير، ولذلك يبقى المنظف الصناعي في المحلول. أما الصابون، فهو على النقيض من ذلك، يكون رواسب مع هذه الأيونات إذا استخدم في الماء العسر.
لكن لبعض المنظفات الصناعية عيبًا خطيرًا، وهو أنها غير قابلة (للخسف الحيوي)، ومعنى ذلك أنها لا تتكسر إلى مواد غير مؤذية بفعل الكائنات الموجودة في التربة.
