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WBB • कक्षा XII • Chemistry • अध्याय 3
अनुमानित समय: 45 Mins
प्रगति: अध्ययनरत

हैलोऐल्केन तथा हैलोऐरीन

हैलोऐल्केन (ऐल्किल हैलाइड) तथा हैलोऐरीन (ऐरिल हैलाइड) कार्बनिक रसायन के अत्यंत महत्वपूर्ण एवं मौलिक यौगिक वर्ग हैं, जिनमें ऐलिफैटिक अथवा ऐरोमैटिक हाइड्रोकार्बनों के एक या अधिक हाइड्रोजन परमाणु हैलोजन परमाणुओं (फ्लुओरीन, क्लोरीन, ब्रोमीन या आयोडीन) द्वारा प्रतिस्थापित होते हैं। ध्रुवीय कार्बन-हैलोजन (C-X) आबंध की उपस्थिति के कारण हैलोऐल्केन ऐल्कोहॉल, ईथर, ऐमीन, नाइट्राइल, कार्बोक्सिलिक अम्ल तथा ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक जैसे बहुमुखी कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण हेतु प्राथमिक प्रारंभिक पदार्थ के रूप में कार्य करते हैं। इस अध्याय में ऐलिफैटिक एवं ऐरोमैटिक हैलाइडों के संरचनात्मक लक्षण, द्वि-अणुक (SN2) एवं एकाणुक (SN1) नाभिकरागी प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं की गतिकी व क्रियाविधि, वाल्डेन प्रतिलोमन, रेसिमीकरण, सेत्ज़ेफ बनाम हॉफमैन विलोपन, अनुनाद आंशिक द्वि-आबंध लक्षण के कारण हैलोऐरीन की असाधारण अक्रियता, माइसेनहाइमर संकुल द्वारा SNAr सक्रियण, तथा क्लोरोफॉर्म, फ्रीऑन व डीडीटी जैसे पॉलीहैलोजन यौगिकों के पर्यावरणीय प्रभाव का गहन अध्ययन प्रस्तुत किया गया है।

यह अध्याय क्यों महत्वपूर्ण है

औषध विज्ञान, चिकित्सा तथा रासायनिक उद्योगों में हैलोजनयुक्त यौगिक अपरिहार्य हैं। मृदा जीवाणुओं से प्राप्त प्राकृतिक एंटीबायोटिक क्लोरैम्फेनिकॉल, मलेरिया-रोधी औषधि क्लोरोक्वीन, तथा शल्य चिकित्सा में सुरक्षित निश्चेतक हैलोथेन में हैलोजन परमाणुओं की उपस्थिति अनिवार्य होती है। SN1 एवं SN2 क्रियाविधियों का त्रिविम रासायनिक ज्ञान रसायनज्ञों को औषधियों के त्रिविम-विशिष्ट संश्लेषण में सक्षम बनाता है। इसके अतिरिक्त, क्लोरोफ्लुओरोकार्बन (CFCs / फ्रीऑन) द्वारा समतापमंडलीय ओजोन परत का उत्प्रेरकी क्षरण तथा डीडीटी का खाद्य शृंखलाओं में स्थायी जैव-आवर्धन (Biomagnification) आधुनिक पर्यावरण रसायन एवं हरित रसायन के अत्यंत महत्वपूर्ण सिद्धांत स्थापित करते हैं, जो बोर्ड एवं NEET/JEE जैसी प्रतियोगी परीक्षाओं हेतु अत्यंत आवश्यक हैं।

अध्याय रूपरेखा एवं प्रगति

1 मॉड्यूल 1: वर्गीकरण, नामकरण, C-X आब...
2 मॉड्यूल 2: हैलोऐल्केन विरचन की विधि...
3 मॉड्यूल 3: नाभिकरागी प्रतिस्थापन क्...
4 मॉड्यूल 4: विलोपन अभिक्रियाएँ (सेत्...
5 मॉड्यूल 5: हैलोऐरीन: अनुनाद, न्यून...
6 मॉड्यूल 6: पॉलीहैलोजन यौगिक, औद्योग...

सम्पूर्ण सैद्धांतिक एवं वैचारिक अध्ययन

मॉड्यूल 1: वर्गीकरण, नामकरण, C-X आबंध की प्रकृति एवं भौतिक गुणधर्म

1. संरचनात्मक वर्गीकरण एवं संकरण अवस्थाएँ

हैलोजन परमाणुओं की संख्या, कार्बन शृंखला की प्रकृति तथा हैलोजन से जुड़े कार्बन परमाणु के संकरण (Hybridization) के आधार पर हैलोजनयुक्त हाइड्रोकार्बनों को वर्गीकृत किया जाता है:

  • sp³ C–X आबंध युक्त यौगिक:
    • ऐल्किल हैलाइड (हैलोऐल्केन): हैलोजन परमाणु sp³ संकरित ऐल्किल कार्बन से जुड़ा होता है। कार्बन से जुड़े अन्य कार्बन परमाणुओं की संख्या अनुसार इन्हें प्राथमिक (1°) (जैसे: CH₃CH₂Cl), द्वितीयक (2°) (जैसे: (CH₃)₂CHCl), तथा तृतीयक (3°) (जैसे: (CH₃)₃CCl) में विभाजित किया जाता है।
    • ऐलिलिक हैलाइड (Allylic Halides): हैलोजन परमाणु कार्बन-कार्बन द्वि-आबंध के ठीक समीपवर्ती sp³ संकरित ऐलिलिक कार्बन से जुड़ा होता है (जैसे: CH₂=CH–CH₂X)।
    • बेन्ज़िलिक हैलाइड (Benzylic Halides): हैलोजन परमाणु ऐरोमैटिक बेन्ज़ीन वलय से सीधे जुड़े पार्श्ववर्ती sp³ कार्बन से आबंधित होता है (जैसे: C₆H₅CH₂X, C₆H₅CH(X)CH₃)।
  • sp² C–X आबंध युक्त यौगिक:
    • वाइनिलिक हैलाइड (Vinylic Halides): हैलोजन सीधे कार्बन-कार्बन द्वि-आबंध के sp² संकरित कार्बन से जुड़ा होता है (जैसे: CH₂=CH–X)।
    • ऐरिल हैलाइड (हैलोऐरीन): हैलोजन सीधे ऐरोमैटिक वलय के sp² संकरित कार्बन परमाणु से आबंधित होता है (जैसे: C₆H₅Cl, C₆H₅Br)।
  • डाइहैलोऐल्केन: एक ही कार्बन पर दोनों हैलोजन होने पर जेम-डाइहैलाइड (जैसे: CH₃CHCl₂, एथिलिडीन क्लोराइड) तथा दो निकटवर्ती कार्बनों पर हैलोजन होने पर विस-डाइहैलाइड (जैसे: ClCH₂–CH₂Cl, एथिलीन डाइक्लोराइड) कहलाते हैं।
2. C–X आबंध की प्रकृति: ध्रुवीयता, आबंध लंबाई एवं द्विध्रुव आघूर्ण की विसंगति

कार्बन (2.5) की तुलना में हैलोजन परमाणुओं की विद्युत-ऋणात्मकता (F: 4.0, Cl: 3.2, Br: 3.0, I: 2.7) काफी अधिक होने के कारण कार्बन-हैलोजन आबंध ध्रुवीय होता है (Cδ+—Xδ−)। वर्ग 17 में नीचे जाने पर परमाणु आकार बढ़ने के साथ आबंध लंबाई बढ़ती है तथा आबंध ऊर्जा घटती है:

यौगिक C–X आबंध लंबाई (pm) आबंध वियोजन ऊर्जा (kJ/mol) द्विध्रुव आघूर्ण, μ (Debye)
CH₃–F 139 452 1.847 D
CH₃–Cl 178 351 1.860 D (सर्वाधिक)
CH₃–Br 193 293 1.830 D
CH₃–I 214 234 1.636 D
बोर्ड परीक्षा विशेष: द्विध्रुव आघूर्ण की विसंगति (CH₃Cl > CH₃F)
द्विध्रुव आघूर्ण आंशिक आवेश एवं आबंध दूरी का गुणनफल होता है: μ = q × d। यद्यपि फ्लुओरीन की विद्युत-ऋणात्मकता क्लोरीन से अधिक है (उच्च आवेश q), किन्तु C–F आबंध लंबाई (139 pm) C–Cl आबंध लंबाई (178 pm) की तुलना में बहुत छोटी होती है। क्लोरोमेथेन में आबंध दूरी में यह पर्याप्त वृद्धि आवेश की न्यून कमी की क्षतिपूर्ति कर देती है, जिससे क्लोरोमेथेन का नेट द्विध्रुव आघूर्ण (1.860 D) फ्लुओरोमेथेन (1.847 D) से अधिक हो जाता है।
3. भौतिक गुणधर्मों की प्रवृत्तियाँ: क्वथनांक, गलनांक एवं जल में विलेयता
  • समान ऐल्किल समूह हेतु क्वथनांक क्रम: RI > RBr > RCl > RF। हैलोजन का आकार व आण्विक द्रव्यमान बढ़ने से ध्रुवणता (Polarizability) तथा लंदन परिक्षेपण बल अत्यधिक बढ़ जाते हैं।
  • समावयवी हैलोऐल्केनों में शाखन का प्रभाव: प्राथमिक (1°) > द्वितीयक (2°) > तृतीयक (3°)। शाखन बढ़ने से अणु गोलाकार रूप धारण करता है, जिससे संपर्क पृष्ठ क्षेत्रफल एवं अंतरा-आण्विक आकर्षण बल घट जाते हैं:
    n-ब्यूटिल ब्रोमाइड (क्वथनांक 375 K) > sec-ब्यूटिल ब्रोमाइड (364 K) > tert-ब्यूटिल ब्रोमाइड (346 K)।
  • समावयवी डाइक्लोरोबेन्ज़ीन के गलनांक की विसंगति: पैरा-समावयवी >> ऑर्थो-समावयवी > मेटा-समावयवी। p-डाइक्लोरोबेन्ज़ीन अणु की उत्तम सममिति (Symmetry) के कारण यह क्रिस्टल जालक में अत्यंत सघन व सुदृढ़ रूप से संकुलित होता है (गलनांक 326 K बनाम ऑर्थो: 256 K, मेटा: 249 K)।
  • जल में अविलेयता: ध्रुवीय होने के उपरांत भी हैलोऐल्केन जल में लगभग अविलेय होते हैं। ये जल के अणुओं के साथ हाइड्रोजन आबंध नहीं बना सकते, और हैलोऐल्केन व जल के मध्य बने नए आकर्षण बल जल के सुदृढ़ हाइड्रोजन आबंधों को तोड़ने हेतु पर्याप्त ऊर्जा प्रदान नहीं कर पाते।

मॉड्यूल 2: हैलोऐल्केन विरचन की विधियाँ

1. ऐल्कोहॉलों से विरचन

ऐल्कोहॉल के हाइड्रॉक्सिल समूह (-OH) को हैलोजन परमाणु द्वारा प्रतिस्थापित करके हैलोऐल्केन प्राप्त करने की मुख्य विधियाँ निम्नलिखित हैं:

  • ग्रूव्स प्रक्रम (ल्यूकास अभिकर्मक — सांद्र HCl + निर्जल ZnCl₂):
    R–OH + HCl ⟶ R–Cl + H₂O (निर्जल ZnCl₂ लुईस अम्ल उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है)।
    ऐल्कोहॉल की क्रियाशीलता क्रम: 3° > 2° > 1°। तृतीयक (3°) ऐल्कोहॉल कमरे के ताप पर तुरंत धुंधलापन (Turbidity) देते हैं; द्वितीयक (2°) ऐल्कोहॉल लगभग 5 मिनट में धुंधलापन उत्पन्न करते हैं; प्राथमिक (1°) ऐल्कोहॉल कमरे के ताप पर अभिक्रिया नहीं करते (गर्म करने की आवश्यकता होती है)।
  • फास्फोरस हैलाइडों के साथ अभिक्रिया:
    3R–OH + PCl₃ ⟶ 3R–Cl + H₃PO₃ (फास्फोरस अम्ल)
    R–OH + PCl₅ ⟶ R–Cl + POCl₃ (फास्फोरिल क्लोराइड) + HCl↑
    R–OH + लाल P + Br₂ / I₂ ⟶ R–Br / R–I
  • डार्जेन प्रक्रम (थायोनिल क्लोराइड एवं पिरीडीन — सर्वोत्तम विधि):
    R–OH + SOCl₂ ⟶ R–Cl + SO₂↑ + HCl↑
    सर्वोत्तम विधि का कारण: शुद्ध ऐल्किल क्लोराइड बनाने हेतु यह सबसे उत्कृष्ट विधि है क्योंकि सह-उत्पाद सल्फर डाइऑक्साइड (SO₂) एवं हाइड्रोजन क्लोराइड (HCl) दोनों गैसीय होते हैं और पात्र से स्वतः बाहर निकल जाते हैं, जिससे बिना किसी जटिल शोधन के शुद्ध R–Cl प्राप्त होता है।
2. हाइड्रोकार्बनों से विरचन
  • ऐल्केनों का मुक्त मूलक हैलोजनीकरण: क्लोरीनीकरण (Cl₂ / hν) से मोनो-, डाइ- तथा पॉलीहैलोयौगिकों का जटिल मिश्रण बनता है। किन्तु ब्रोमीनीकरण अत्यधिक विशिष्ट होता है और तृतीयक मुक्त मूलक के उच्च स्थायित्व के कारण 3° C–H बंध पर ही मुख्य प्रतिस्थापन करता है: 3° > 2° > 1°।
  • ऐल्कीनों पर हाइड्रोजन हैलाइडों का योग (मार्कोव्नीकॉव नियम):
    असममित ऐल्कीन पर असममित अभिकर्मक (HX) के योग में अभिकर्मक का ऋणात्मक भाग उस द्वि-आबंधित कार्बन से जुड़ता है जिस पर हाइड्रोजन परमाणुओं की संख्या कम होती है:
    CH₃–CH=CH₂ + HBr ⟶ CH₃–CH(Br)–CH₃ (2-ब्रोमोप्रोपेन, मुख्य उत्पाद)
  • परॉक्साइड प्रभाव (खराश प्रभाव - Kharasch Effect):
    कार्बनिक परॉक्साइड (जैसे: बेन्ज़ॉयल परॉक्साइड) की उपस्थिति में केवल HBr का योग मुक्त मूलक शृंखला क्रियाविधि द्वारा मार्कोव्नीकॉव नियम के विपरीत होता है:
    CH₃–CH=CH₂ + HBr + परॉक्साइड ⟶ CH₃–CH₂–CH₂–Br (1-ब्रोमोप्रोपेन, मुख्य उत्पाद)
    ऊर्जागत कारण: HF एवं HCl के आबंध अत्यधिक मजबूत होने के कारण मुक्त मूलक द्वारा नहीं टूटते (प्रथम पद ऊष्माशोषी); HI का आबंध दुर्बल होने पर भी आयोडीन मूलक ऐल्कीन से जुड़ने की बजाय परस्पर संयुक्त होकर I₂ अणु बना लेते हैं (द्वितीय पद ऊष्माशोषी)।
  • ऐलिलिक हैलोजनीकरण:
    उच्च ताप (773 K) पर प्रोपीन की क्लोरीन से अभिक्रिया कराने पर अथवा NBS (N-ब्रोमोसक्सिनिमाइड) द्वारा ऐलिलिक स्थिति पर प्रतिस्थापन होता है:
    CH₃–CH=CH₂ + Cl₂ ⟶ Cl–CH₂–CH=CH₂ + HCl
3. हैलोजन विनिमय अभिक्रियाएँ एवं हुंसडीकर अभिक्रिया
  • फ़िंकेलस्टाइन अभिक्रिया (ऐल्किल आयोडाइड संश्लेषण):
    R–Cl / R–Br + NaI ⟶ R–I + NaCl↓ / NaBr↓ (शुष्क ऐसीटोन में)
    ला-शातेलिए प्रेरक बल: सोडियम क्लोराइड एवं सोडियम ब्रोमाइड शुष्क ऐसीटोन में अघुलनशील होने के कारण अवक्षेपित हो जाते हैं, जो ला-शातेलिए नियम अनुसार साम्यावस्था को अग्र दिशा में अग्रसर करके अभिक्रिया पूर्ण करता है।
  • स्वार्ट्स अभिक्रिया (ऐल्किल फ्लुओराइड संश्लेषण):
    R–Br / R–Cl + AgF (अथवा Hg₂F₂, CoF₃, SbF₃) ⟶ R–F + AgBr↓ / AgCl↓
    खतरनाक गैसीय F₂ के बिना शुद्ध फ्लुओरोऐल्केन प्राप्त करने की यह मानक प्रयोगशाला विधि है।
  • बोरोडीन-हुंसडीकर अभिक्रिया:
    कार्बोक्सिलिक अम्ल के सिल्वर लवण को CCl₄ में ब्रोमीन के साथ गर्म करने पर कार्बन संख्या एक कम होकर ऐल्किल ब्रोमाइड बनता है:
    R–COOAg + Br₂ ⟶ R–Br + CO₂↑ + AgBr↓

मॉड्यूल 3: नाभिकरागी प्रतिस्थापन क्रियाविधियाँ (SN1 बनाम SN2) एवं त्रिविम रसायन

1. क्रियाविधि का तुलनात्मक अध्ययन: SN2 बनाम SN1

नाभिकरागी प्रतिस्थापन (SN) अभिक्रियाएँ दो मुख्य क्रियाविधियों द्वारा संपन्न होती हैं:

लक्षण SN2 (द्वि-अणुक प्रतिस्थापन) SN1 (एकाणुक प्रतिस्थापन)
वेग समीकरण एवं कोटि द्वितीय कोटि: वेग = k[RX][Nu⁻] प्रथम कोटि: वेग = k[RX] (नाभिकरागी पर अनिर्भर)
पदों की संख्या एकल पद (संक्रमित या Concerted प्रक्रम) दो पद: पद 1 (धीमा, वेग-निर्धारक) व पद 2 (तीव्र)
मध्यवर्ती बनाम संक्रमण अवस्था पंच-उपसहसंयोजित संक्रमण अवस्था [Nu···C···X] sp² समतलीय कार्बोधनायन मध्यवर्ती (R⁺)
त्रिविम रासायनिक परिणाम 100% वाल्डेन प्रतिलोमन (Walden Inversion) रेसिमीकरण (प्रतिलोमन की अल्प अधिकता सहित)
क्रियाशीलता क्रम CH₃X > 1° > 2° > 3° (त्रिविम बाधा द्वारा नियंत्रित) 3° > 2° > 1° > CH₃X (कार्बोधनायन के स्थायित्व अनुसार)
अनुकूल विलायक ध्रुवीय अप्रोटिक (DMSO, DMF, ऐसीटोन) ध्रुवीय प्रोटिक (जल, ऐल्कोहॉल, ऐसीटिक अम्ल)
पुनर्विन्यास (Rearrangement) कभी नहीं होता (कार्बोधनायन नहीं बनता) संभव (1,2-हाइड्राइड या मेथिल स्थानांतरण द्वारा)
2. त्रिविम रसायन: वाल्डेन प्रतिलोमन एवं रेसिमीकरण
  • SN2 अभिक्रिया में वाल्डेन प्रतिलोमन: नाभिकरागी अवशिष्ट हैलाइड आयन के ठीक विपरीत (180° पश्च आक्रमण) से आक्रमण करता है। संक्रमण अवस्था में तीनों अन्य बंध एक समतल में आते हैं और बंध विखंडन के साथ विन्यास आँधी में छतरी के उलट जाने के समान पूर्णतः उलट जाता है (100% प्रतिलोमन)। उदाहरणार्थ, (+)-2-ब्रोमोऑक्टेन के जल-अपघटन से केवल (-)-ऑक्टेन-2-ऑल प्राप्त होता है।
  • SN1 अभिक्रिया में रेसिमीकरण: प्रथम पद में हैलाइड आयन अलग होकर समतलीय sp² संकरित कार्बोधनायन बनाता है जिसका रिक्त p-कक्षक समतल के लंबवत होता है। नाभिकरागी दोनों फलकों (अग्र व पश्च) से समान संभावना (50:50) से जुड़ सकता है। अतः धारण (Retention) एवं प्रतिलोमन (Inversion) समान मात्रा में होने से प्रकाशिक अक्रिय रेसिमिक मिश्रण (±) प्राप्त होता है।
3. उभयदंती नाभिकरागी (Ambident Nucleophiles: KCN बनाम AgCN व KNO₂ बनाम AgNO₂)

ऐसे नाभिकरागी जिनमें दो भिन्न दाता परमाणु इलेक्ट्रॉन युग्म प्रदान कर सकते हैं, उभयदंती नाभिकरागी कहलाते हैं:

  • सायनाइड आयन (:C≡N:⁻):
    • KCN के साथ: KCN एक आयनिक यौगिक है (K⁺[:C≡N:]⁻)। कार्बन व नाइट्रोजन दोनों पर एकाकी युग्म होने पर भी कार्बन-कार्बन बंध ऊर्जा (~347 kJ/mol) कार्बन-नाइट्रोजन बंध ऊर्जा (~305 kJ/mol) से अधिक सुदृढ़ होती है। अतः आक्रमण कार्बन द्वारा होता है और ऐल्किल सायनाइड (R–CN) मुख्य उत्पाद बनता है।
    • AgCN के साथ: AgCN मुख्य रूप से सहसंयोजक यौगिक है (Ag–C≡N:)। कार्बन परमाणु सिल्वर से बंधित होने से उस पर मुक्त एकाकी युग्म नहीं होता; केवल नाइट्रोजन पर मुक्त एकाकी युग्म उपलब्ध होता है। अतः आक्रमण नाइट्रोजन द्वारा होकर ऐल्किल आइसोसायनाइड (R–NC) मुख्य उत्पाद बनता है।
  • नाइट्राइट आयन (:Ö–N̈=O:):
    • KNO₂ के साथ: KNO₂ आयनिक होने से आक्रमण अधिक विद्युत-ऋणात्मक ऑक्सीजन द्वारा होता है और ऐल्किल नाइट्राइट (R–O–N=O) प्राप्त होता है।
    • AgNO₂ के साथ: AgNO₂ सहसंयोजक प्रकृति का होने से आक्रमण नाइट्रोजन के एकाकी युग्म द्वारा होता है और नाइट्रोऐल्केन (R–NO₂) मुख्य उत्पाद बनता है।

मॉड्यूल 4: विलोपन अभिक्रियाएँ (सेत्ज़ेफ बनाम हॉफमैन) एवं कार्बधात्विक यौगिक

1. बीटा-विलोपन (डीहाइड्रोहैलोजनीकरण) एवं सेत्ज़ेफ बनाम हॉफमैन नियम

कम से कम एक β-हाइड्रोजन युक्त हैलोऐल्केन को प्रबल क्षारक (जैसे: ऐल्कोहॉली KOH) के साथ गर्म करने पर ऐल्कीन प्राप्त होती है:

  • सेत्ज़ेफ का नियम (Saytzeff's Rule): विलोपन अभिक्रिया में वह ऐल्कीन मुख्य उत्पाद बनती है जिसमें द्वि-आबंधित कार्बनों पर ऐल्किल समूहों की संख्या अधिकतम होती है (अधिक प्रतिस्थापित एवं स्थायी ऐल्कीन):
    CH₃–CH₂–CH(Br)–CH₃ + alc. KOH ⟶ CH₃–CH=CH–CH₃ (ब्यूट-2-ईन, 80%, मुख्य) + CH₃–CH₂–CH=CH₂ (ब्यूट-1-ईन, 20%, गौण)
    स्थायित्व का कारण: अधिक प्रतिस्थापित ऐल्कीन अतिसंयुग्मन (Hyperconjugation) द्वारा अतिरिक्त स्थायित्व प्राप्त करती है।
  • हॉफमैन का विलोपन नियम (Hofmann Rule): जब कोई स्थूल क्षारक (Bulky Base) (जैसे: पोटैशियम tert-ब्यूटॉक्साइड, (CH₃)₃CO⁻K⁺) प्रयुक्त किया जाता है अथवा निष्कासित होने वाला समूह दुर्बल होता है (जैसे: फ्लुओराइड F⁻), तब कम प्रतिस्थापित ऐल्कीन मुख्य उत्पाद बनती है:
    CH₃–CH₂–CH(Br)–CH₃ + (CH₃)₃CO⁻K⁺ ⟶ CH₃–CH₂–CH=CH₂ (ब्यूट-1-ईन, 73%, मुख्य)
    त्रिविम कारण: बड़ा tert-ब्यूटॉक्साइड आयन त्रिविम बाधा के कारण आंतरिक द्वितीयक β-हाइड्रोजन तक नहीं पहुँच पाता; यह सुगम प्राथमिक β-हाइड्रोजन को निष्कासित करता है।
  • E2 विलोपन का त्रिविम रसायन: इसके लिए ऐन्टी-पेरिप्लानर (Anti-periplanar) अभिविन्यास (180° कोण) अनिवार्य होता है।
2. प्रतिस्थापन बनाम विलोपन प्रतिस्पर्धा
  • 1° हैलाइड: सामान्य क्षारक के साथ मुख्य रूप से SN2 प्रतिस्थापन। स्थूल क्षारक के साथ E2 विलोपन।
  • 2° हैलाइड: सीमावर्ती सबस्ट्रेट। दुर्बल क्षारक में SN1/SN2; प्रबल क्षारक (alc. KOH) तथा उच्च ताप पर E2 विलोपन।
  • 3° हैलाइड: त्रिविम बाधा के कारण कभी SN2 नहीं दर्शाता। प्रबल क्षारक के साथ केवल E2 विलोपन होता है। दुर्बल विलायक में SN1 व E1 का मिश्रण।
  • तापमान का प्रभाव: विलोपन अभिक्रिया में कणों की संख्या बढ़ने से एन्ट्रॉपी बढ़ती है (ΔS > 0)। अतः उच्च ताप सदैव विलोपन अभिक्रिया को बढ़ावा देता है।
3. कार्बधात्विक यौगिक: ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक एवं वुर्ट्ज़ अभिक्रिया
  • ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक (ऐल्किलमैग्नीशियम हैलाइड, R–MgX):
    शुष्क एवं निर्जल ईथर में ऐल्किल हैलाइड की मैग्नीशियम धातु से अभिक्रिया द्वारा प्राप्त होता है:
    R–X + Mg ⟶ R–MgX (शुष्क ईथर में)
    रासायनिक लक्षण: C–Mg आबंध अत्यधिक ध्रुवीय सहसंयोजक होता है (Cδ−—Mgδ+)। कार्बन परमाणु अत्यंत प्रबल कार्बानायन नाभिकरागी एवं ब्रॉन्स्टेड क्षारक के रूप में कार्य करता है।
    जल के प्रति संवेदनशीलता: जल या अल्पतम नमी के संपर्क में आते ही यह हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित हो जाता है:
    R–MgX + H₂O ⟶ R–H + Mg(OH)X↓
    अतः इसके निर्माण हेतु पूर्णतः निर्जल परिस्थितियाँ अनिवार्य हैं।
  • वुर्ट्ज़ अभिक्रिया (Wurtz Reaction):
    2R–X + 2Na ⟶ R–R (सममित ऐल्केन) + 2NaX (शुष्क ईथर में)
    सम कार्बन संख्या वाली सममित ऐल्केनों के संश्लेषण हेतु आदर्श विधि।

मॉड्यूल 5: हैलोऐरीन: अनुनाद, न्यून क्रियाशीलता, SNAr एवं युग्मन अभिक्रियाएँ

1. नाभिकरागी प्रतिस्थापन के प्रति हैलोऐरीन की अक्रियता के 4 मुख्य कारण

हैलोऐल्केनों की तुलना में क्लोरोबेन्ज़ीन जैसे ऐरिल हैलाइड नाभिकरागी प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं के प्रति अत्यंत अक्रिय होते हैं। इसके 4 वैज्ञानिक कारण हैं:

  1. अनुनाद प्रभाव (+M प्रभाव): हैलोजन परमाणु के एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म बेन्ज़ीन वलय के π-इलेक्ट्रॉन मेघ के साथ अनुनाद में भाग लेते हैं। इससे C–Cl आबंध में आंशिक द्वि-आबंध लक्षण आ जाता है:
    C₆H₅–Cl ⟷ C₆H₅⁻=Cl⁺
    फलस्वरूप क्लोरोबेन्ज़ीन में C–Cl आबंध लंबाई घटकर 169 pm रह जाती है (क्लोरोएथेन में 178 pm)। छोटे आबंध को तोड़ना अत्यधिक कठिन होता है।
  2. कार्बन की संकरण अवस्था में अंतर: हैलोऐरीन में हैलोजन sp² संकरित कार्बन (33.3% s-लक्षण) से जुड़ा होता है, जबकि हैलोऐल्केन में यह sp³ कार्बन (25% s-लक्षण) से जुड़ा होता है। अधिक s-लक्षण के कारण sp² कार्बन की विद्युत-ऋणात्मकता अधिक होती है और यह आबंधी इलेक्ट्रॉन युग्म को अधिक दृढ़ता से बाँधे रखता है।
  3. फेनिल धनायन का अस्थायित्व: यदि SN1 क्रियाविधि द्वारा C–Cl आबंध तोड़ा जाए, तो बनने वाला फेनिल धनायन (C₆H₅⁺) किसी अनुनाद द्वारा स्थायी नहीं हो सकता क्योंकि इसका धनावेशित sp² कक्षक π-मेघ के लंबवत होता है।
  4. स्थिरवैद्युत प्रतिकर्षण: आक्रमणकारी नाभिकरागी इलेक्ट्रॉन धनी होता है, अतः बेन्ज़ीन वलय का विस्तृत π-इलेक्ट्रॉन मेघ उसे प्रतिकर्षित करता है।
2. माइसेनहाइमर संकुल द्वारा SNAr सक्रियण

सामान्य क्लोरोबेन्ज़ीन को फीनॉल में बदलने हेतु कठोर परिस्थितियों (डाऊ प्रक्रम: 623 K व 300 atm दाब) की आवश्यकता होती है। किन्तु हैलोजन के सापेक्ष ऑर्थो व पैरा स्थितियों पर इलेक्ट्रॉन-आकर्षी –NO₂ समूह उपस्थित होने पर प्रतिस्थापन अत्यंत सुगमता से होता है:

सबस्ट्रेट अभिक्रिया परिस्थितियाँ उत्पाद
क्लोरोबेन्ज़ीन 623 K, 300 atm, जलीय NaOH (डाऊ प्रक्रम) फीनॉल
4-नाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन (1 NO₂) 443 K, जलीय NaOH 4-नाइट्रोफीनॉल
2,4-डाइनाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन (2 NO₂) 368 K, जलीय Na₂CO₃ 2,4-डाइनाइट्रोफीनॉल
2,4,6-ट्राइनाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन (पिक्रिल क्लोराइड) केवल गुनगुना जल (~323 K) पिक्रिक अम्ल (2,4,6-ट्राइनाइट्रोफीनॉल)
-NO₂ समूह केवल ऑर्थो व पैरा पर ही सक्रियण क्यों करता है, मेटा पर क्यों नहीं:
SNAr क्रियाविधि में बने मध्यवर्ती कार्बानायन (माइसेनहाइमर संकुल) की अनुनादी संरचनाओं में ऋणावेश केवल ऑर्थो व पैरा कार्बनों पर आता है। यदि -NO₂ समूह ऑर्थो या पैरा पर स्थित हो, तो ऋणावेश सीधे नाइट्रो समूह के ऑक्सीजन परमाणुओं पर विस्थानित होकर असाधारण स्थायित्व प्राप्त करता है। मेटा स्थिति पर ऋणावेश कभी नहीं आता; अतः मेटा-नाइट्रो समूह अनुनाद स्थायित्व नहीं दे पाता।
3. इलेक्ट्रॉनरागी प्रतिस्थापन एवं युग्मन अभिक्रियाएँ
  • निर्देशन एवं वलय निष्क्रियता: हैलोजन परमाणु का +M अनुनाद प्रभाव इलेक्ट्रॉनरागी को ऑर्थो एवं पैरा स्थितियों पर निर्देशित करता है, किन्तु प्रबल –I प्रेरणिक प्रभाव बेन्ज़ीन वलय से इलेक्ट्रॉन घनत्व कम करके इसे समग्र रूप से निष्क्रिय (Deactivating) कर देता है (–I > +M)। पैरा स्थिति पर त्रिविम बाधा कम होने से पैरा-समावयवी मुख्य उत्पाद बनता है।
  • इलेक्ट्रॉनरागी अभिक्रियाएँ:
    • हैलोजनीकरण: Cl₂ / निर्जल FeCl₃ ⟶ 1,4-डाइक्लोरोबेन्ज़ीन (मुख्य) + 1,2-डाइक्लोरोबेन्ज़ीन।
    • नाइट्रीकरण: सांद्र HNO₃ + सांद्र H₂SO₄ ⟶ 1-क्लोरो-4-नाइट्रोबेन्ज़ीन (मुख्य)।
    • सल्फोनीकरण: सांद्र H₂SO₄ / ताप ⟶ 4-क्लोरोबेन्ज़ीनसल्फोनिक अम्ल (मुख्य)।
    • फ्रीडेल-क्राफ्ट्स ऐल्किलीकरण: CH₃Cl / निर्जल AlCl₃ ⟶ 1-क्लोरो-4-मेथिलबेन्ज़ीन (मुख्य)।
  • युग्मन अभिक्रियाएँ:
    • वुर्ट्ज़-फ़िटिग अभिक्रिया: C₆H₅Br + CH₃Br + 2Na ⟶ C₆H₅–CH₃ (टॉलूईन) + 2NaBr (शुष्क ईथर में)।
    • फ़िटिग अभिक्रिया: 2C₆H₅Cl + 2Na ⟶ C₆H₅–C₆H₅ (डाइफेनिल) + 2NaCl (शुष्क ईथर में)।
    • उल्मान अभिक्रिया: 2C₆H₅I + Cu चूर्ण / ताप ⟶ C₆H₅–C₆H₅ (डाइफेनिल) + CuI₂।

मॉड्यूल 6: पॉलीहैलोजन यौगिक, औद्योगिक उपयोग एवं पर्यावरणीय विषाक्तता

1. क्लोरोफॉर्म (ट्राइक्लोरोमेथेन, CHCl₃) एवं विषैली फॉसजीन का निर्माण

क्लोरोफॉर्म मीठी गंध वाला एक रंगहीन भारी द्रव है जिसका व्यापक औद्योगिक उपयोग विलायक के रूप में होता है। पूर्व में निश्चेतक के रूप में प्रयुक्त होता था, किन्तु यकृत क्षति एवं हृदय संबंधी खतरों के कारण अब इसका चिकित्सकीय उपयोग बंद कर दिया गया है:

  • फॉसजीन का प्रकाश-रासायनिक ऑक्सीकरण: प्रकाश एवं वायुमंडलीय ऑक्सीजन की उपस्थिति में क्लोरोफॉर्म धीरे-धीरे ऑक्सीकृत होकर अत्यंत विषैली फॉसजीन गैस (कार्बोनिल क्लोराइड, COCl₂) बनाता है:
    2CHCl₃ + O₂ ⟶ 2COCl₂↑ (फॉसजीन) + 2HCl (प्रकाश, hν)
  • सुरक्षित भंडारण प्रोटोकॉल: इसे गहरे भूरे रंग की बोतलों में मुँह तक भरकर कॉर्क से बंद रखा जाता है ताकि वायु का प्रवेश न हो सके। साथ ही इसमें 1% एथिल ऐल्कोहॉल मिलाया जाता है, जो ऑक्सीकरण को धीमा करता है तथा बनी हुई फॉसजीन को विषहीन डाइएथिल कार्बोनेट में परिवर्तित कर देता है:
    COCl₂ + 2C₂H₅OH ⟶ (C₂H₅O)₂C=O (डाइएथिल कार्बोनेट) + 2HCl
2. आयोडोफॉर्म (ट्राइआयोडोमेथेन, CHI₃) एवं आयोडोफॉर्म परीक्षण

विशिष्ट तीखी गंध वाला पीले रंग का क्रिस्टलीय ठोस (गलनांक 392 K)। इसकी पूतिरोधी (Antiseptic) क्रिया आयोडोफॉर्म अणु के कारण नहीं, बल्कि इसके द्वारा धीरे-धीरे मुक्त होने वाली आयोडीन के कारण होती है:

  • नैदानिक आयोडोफॉर्म परीक्षण: यह परीक्षण उन यौगिकों की पहचान करता है जिनमें CH₃–C=O समूह अथवा CH₃–CH(OH)– समूह उपस्थित होता है:
    CH₃COCH₃ + 3I₂ + 4NaOH ⟶ CHI₃↓ (चमकीला पीला अवक्षेप, गलनांक 119°C) + CH₃COONa + 3NaI + 3H₂O
    एथेनॉल, ऐसीटैल्डिहाइड, ऐसीटोन व 2-प्रोपेनॉल धनात्मक परीक्षण देते हैं; मेथेनॉल व बेन्ज़ैल्डिहाइड ऋणात्मक परीक्षण देते हैं।
3. कार्बन टेट्राक्लोराइड, फ्रीऑन एवं डीडीटी: पारिस्थितिकीय प्रभाव
  • कार्बन टेट्राक्लोराइड (CCl₄): पूर्व में अग्निशामक के रूप में 'पायरीन' नाम से प्रयुक्त होता था। उच्च ताप पर विषैली फॉसजीन बनाने तथा यकृत कैंसर के खतरे के कारण यह प्रतिबंधित है।
  • फ्रीऑन (CFCs — जैसे फ्रीऑन-12, CF₂Cl₂): CCl₄ से स्वार्ट्स अभिक्रिया द्वारा निर्मित: CCl₄ + 2SbF₃ ⟶ CF₂Cl₂ + 2SbCl₃। प्रशीतक के रूप में व्यापक उपयोग होता था। किन्तु समतापमंडल में पराबैंगनी किरणों द्वारा यह क्लोरीन मुक्त मूलक (Cl•) उत्पन्न करता है जो ओजोन परत को नष्ट करते हैं:
    CF₂Cl₂ + hν ⟶ •CF₂Cl + Cl•
    Cl• + O₃ ⟶ ClO• + O₂
    ClO• + O• ⟶ Cl• + O₂ (एक क्लोरीन परमाणु 1 लाख ओजोन अणुओं को नष्ट कर सकता है)।
  • डीडीटी (p,p'-डाइक्लोरोडाइफेनिलट्राइक्लोरोएथेन): क्लोरल एवं क्लोरोबेन्ज़ीन के संघनन से निर्मित:
    CCl₃CHO + 2C₆H₅Cl ⟶ (p-Cl–C₆H₄)₂CH–CCl₃ + H₂O
    पॉल मुलर (नोबेल पुरस्कार 1948) ने इसके कीटनाशी गुण की खोज की। वसा में अत्यधिक विलेय एवं अविघटनकारी होने के कारण यह खाद्य शृंखला में जैव-आवर्धन (Biomagnification) दर्शाता है, जिससे पक्षियों के अंडों के कवच पतले होकर टूट जाते हैं। अतः इस पर वैश्विक प्रतिबंध है।

महत्वपूर्ण रासायनिक सूत्र, अभिक्रियाएँ एवं समीकरण

SN2 वेग नियम एवं वाल्डेन प्रतिलोमन
अभिक्रिया वेग = k[R-X][Nu⁻] (द्वितीय कोटि गतिकी)
SN1 वेग नियम एवं रेसिमीकरण
अभिक्रिया वेग = k[R-X] (प्रथम कोटि गतिकी)
सेत्ज़ेफ का विलोपन नियम
R-CH₂-CH(X)-CH₃ + alc. KOH ⟶ R-CH=CH-CH₃ (मुख्य ऐल्कीन, >80%)
हैलोजन विनिमय अभिक्रियाएँ (फ़िंकेलस्टाइन व स्वार्ट्स)
R-X + NaI ⟶ R-I + NaX↓ (शुष्क ऐसीटोन) | R-X + AgF ⟶ R-F + AgX↓
उभयदंती नाभिकरागी की रीजियो-चयनात्मकता
RX + KCN (आयनिक) ⟶ R-CN | RX + AgCN (सहसंयोजक) ⟶ R-NC
ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक का विरचन एवं जल-अपघटन
R-X + Mg ⟶ R-MgX (शुष्क ईथर) | R-MgX + H₂O ⟶ R-H + Mg(OH)X↓

अवधारणात्मक हल उदाहरण एवं अनुप्रयोग (Solved Examples)

उदाहरण 1
क्लोरोएथेन की तुलना में क्लोरोबेन्ज़ीन नाभिकरागी प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं के प्रति अत्यंत अक्रिय होता है। इसके दो प्रमुख इलेक्ट्रॉनिक कारण स्पष्ट कीजिए।
विस्तृत समाधान / उत्तर:
अंक विभाजन एवं प्रमुख उत्तर बिंदु:
  • 1. अनुनाद प्रभाव (+M प्रभाव) [1 अंक]: क्लोरोबेन्ज़ीन में क्लोरीन का एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म बेन्ज़ीन वलय के π-इलेक्ट्रॉन मेघ के साथ अनुनाद करता है, जिससे कार्बन-क्लोरीन आबंध में आंशिक द्वि-आबंध लक्षण उत्पन्न हो जाता है:
    C₆H₅–Cl ⟷ C₆H₅⁻=Cl⁺
    फलस्वरूप C–Cl आबंध लंबाई घटकर 169 pm रह जाती है (क्लोरोएथेन में 178 pm)। छोटे एवं मजबूत आबंध को तोड़ना कठिन होता है।
  • 2. कार्बन की संकरण अवस्था में अंतर [1 अंक]: क्लोरोबेन्ज़ीन में क्लोरीन sp² संकरित कार्बन (33.3% s-लक्षण) से जुड़ा होता है, जबकि क्लोरोएथेन में यह sp³ कार्बन (25% s-लक्षण) से जुड़ा होता है। अधिक s-लक्षण के कारण sp² कार्बन की विद्युत-ऋणात्मकता अधिक होती है और यह C–Cl आबंधी इलेक्ट्रॉन युग्म को अधिक दृढ़ता से बाँधे रखता है।

निष्कर्ष: आंशिक द्वि-आबंध लक्षण तथा sp² संकरण के कारण सामान्य दशाओं में क्लोरोबेन्ज़ीन नाभिकरागी प्रतिस्थापन नहीं दर्शाता।

उदाहरण 2
(क) (+)-2-ब्रोमोऑक्टेन के जलीय NaOH द्वारा जल-अपघटन की क्रियाविधि एवं त्रिविम रासायनिक परिणाम समझाइए। [2 अंक]
(ख) फ्लुओरोमेथेन (1.85 D) की तुलना में क्लोरोमेथेन (1.86 D) का द्विध्रुव आघूर्ण अधिक क्यों होता है? [1 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:
(क) (+)-2-ब्रोमोऑक्टेन का जल-अपघटन [2 अंक]:
  • क्रियाविधि: प्रबल नाभिकरागी OH⁻ तथा ध्रुवीय जलीय माध्यम में 2-ब्रोमोऑक्टेन (2° हैलाइड) मुख्य रूप से SN2 क्रियाविधि द्वारा अभिक्रिया करता है।
  • त्रिविम रसायन: नाभिकरागी OH⁻ असममित कार्बन पर निष्कासित होने वाले Br⁻ के ठीक विपरीत दिशा (180° पश्च आक्रमण) से आक्रमण करता है। यह एक पंच-उपसहसंयोजित संक्रमण अवस्था से गुजरता है:
    HO···CH(C₆H₁₃)(CH₃)···Br
  • परिणाम: C–Br आबंध टूटने के साथ विन्यास पूर्णतः उलट जाता है और 100% वाल्डेन प्रतिलोमन होता है। प्राप्त उत्पाद विपरीत घूर्णन वाला शुद्ध (-)-ऑक्टेन-2-ऑल होता है।
(ख) द्विध्रुव आघूर्ण की विसंगति (CH₃Cl > CH₃F) [1 अंक]:
  • द्विध्रुव आघूर्ण आवेश एवं दूरी का गुणनफल होता है: μ = q × d।
  • यद्यपि फ्लुओरीन की विद्युत-ऋणात्मकता अधिक है, किन्तु C–F आबंध लंबाई (139 pm) C–Cl आबंध लंबाई (178 pm) से बहुत कम होती है। क्लोरोमेथेन में आबंध दूरी का यह बड़ा मान आवेश की कमी की क्षतिपूर्ति कर देता है, जिससे क्लोरोमेथेन का नेट द्विध्रुव आघूर्ण (1.860 D) फ्लुओरोमेथेन (1.847 D) से अधिक होता है।
उदाहरण 3
(क) एथिल ब्रोमाइड की ऐल्कोहॉली KCN से अभिक्रिया पर एथिल सायनाइड मुख्य उत्पाद बनता है, किन्तु AgCN से अभिक्रिया पर एथिल आइसोसायनाइड बनता है, क्यों? [2 अंक]
(ख) फ़िंकेलस्टाइन अभिक्रिया शुष्क ऐसीटोन में क्यों कराई जाती है? [1 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:
(क) KCN बनाम AgCN की अभिक्रिया [2 अंक]:
  • KCN के साथ: KCN एक आयनिक यौगिक है: K⁺[:C≡N:]⁻। कार्बन एवं नाइट्रोजन दोनों पर एकाकी युग्म होते हैं। किन्तु कार्बन-कार्बन आबंध ऊर्जा (~347 kJ/mol) कार्बन-नाइट्रोजन आबंध ऊर्जा (~305 kJ/mol) से अधिक होने के कारण आक्रमण कार्बन द्वारा होता है और एथिल सायनाइड (CH₃CH₂CN) मुख्य उत्पाद बनता है।
  • AgCN के साथ: AgCN मुख्य रूप से सहसंयोजक यौगिक है: Ag–C≡N:। कार्बन सिल्वर से सहसंयोजक बंध द्वारा जुड़ा होने से मुक्त नहीं होता। केवल नाइट्रोजन पर मुक्त एकाकी युग्म उपलब्ध होता है। अतः आक्रमण नाइट्रोजन द्वारा होकर एथिल आइसोसायनाइड (CH₃CH₂NC) मुख्य उत्पाद बनता है।
(ख) फ़िंकेलस्टाइन में शुष्क ऐसीटोन की भूमिका [1 अंक]:
  • अभिक्रिया: R–Br + NaI ⟶ R–I + NaBr↓
  • सोडियम आयोडाइड (NaI) शुष्क ऐसीटोन में घुलनशील है, किन्तु बना हुआ सोडियम ब्रोमाइड (NaBr) या सोडियम क्लोराइड (NaCl) ऐसीटोन में अघुलनशील होने से तुरंत अवक्षेपित हो जाता है। यह अवक्षेपण ला-शातेलिए नियम अनुसार साम्यावस्था को अग्र दिशा में विस्थापित करके पूर्ण रूपांतरण सुनिश्चित करता है।
उदाहरण 4
(क) 2-ब्रोमोब्यूटेन को (i) ऐल्कोहॉली KOH, तथा (ii) पोटैशियम tert-ब्यूटॉक्साइड के साथ गर्म करने पर बनने वाले मुख्य व गौण उत्पादों के नाम व सूत्र लिखिए। [2 अंक]
(ख) क्लोरीन एक इलेक्ट्रॉन-आकर्षी समूह है, फिर भी यह इलेक्ट्रॉनरागी ऐरोमैटिक प्रतिस्थापन में ऑर्थो व पैरा निर्देशक होता है, क्यों? [2 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:
(क) 2-ब्रोमोब्यूटेन के विलोपन उत्पाद [2 अंक]:
  • (i) ऐल्कोहॉली KOH (छोटा क्षारक):
    यह सेत्ज़ेफ के नियम का पालन करता है। क्षारक आंतरिक C3 से β-हाइड्रोजन लेकर अधिक प्रतिस्थापित एवं स्थायी ऐल्कीन बनाता है:
    मुख्य उत्पाद (80%): ब्यूट-2-ईन (CH₃–CH=CH–CH₃)
    गौण उत्पाद (20%): ब्यूट-1-ईन (CH₃–CH₂–CH=CH₂)
  • (ii) पोटैशियम tert-ब्यूटॉक्साइड (स्थूल क्षारक):
    यह हॉफमैन के नियम का पालन करता है। बड़ा (CH₃)₃CO⁻ आयन त्रिविम बाधा के कारण आंतरिक C3 तक नहीं पहुँच पाता और सुगम प्राथमिक C1 से प्रोटॉन ग्रहण करता है:
    मुख्य उत्पाद (73%): ब्यूट-1-ईन (CH₃–CH₂–CH=CH₂)
    गौण उत्पाद (27%): ब्यूट-2-ईन
(ख) क्लोरीन का ऑर्थो/पैरा निर्देशक किन्तु निष्क्रियक स्वभाव [2 अंक]:
  • ऑर्थो/पैरा निर्देशन (+M अनुनाद प्रभाव): इलेक्ट्रॉनरागी के ऑर्थो व पैरा आक्रमण पर क्लोरीन का एकाकी युग्म अनुनाद द्वारा एक अतिरिक्त स्थायी संरचना बनाता है जिसमें सभी परमाणुओं का अष्टक पूर्ण होता है: [Cl⁺=C₆H₅–H(E)]। मेटा आक्रमण में ऐसी संरचना नहीं बनती। अतः उत्पाद ऑर्थो व पैरा बनते हैं।
  • वलय निष्क्रियता (–I प्रेरणिक प्रभाव): क्लोरीन की उच्च विद्युत-ऋणात्मकता के कारण इसका –I प्रभाव इसके +M प्रभाव से प्रबल होता है (–I > +M)। अतः यह बेन्ज़ीन वलय से समग्र इलेक्ट्रॉन घनत्व घटाकर इसे बेन्ज़ीन की तुलना में कम क्रियाशील (निष्क्रिय) बना देता है।
उदाहरण 5
(क) ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक निर्माण में निर्जल परिस्थितियाँ क्यों अनिवार्य हैं? मेथिलमैग्नीशियम ब्रोमाइड की भारी जल (D₂O) से अभिक्रिया का समीकरण दीजिए। [2 अंक]
(ख) निम्नलिखित रूपांतरणों के रासायनिक समीकरण दीजिए: [2 अंक]
  (i) क्लोरोबेन्ज़ीन से डाइफेनिल
  (ii) एथिल ब्रोमाइड से n-ब्यूटेन
विस्तृत समाधान / उत्तर:
(क) निर्जल परिस्थितियों की अनिवार्यता एवं D₂O से अभिक्रिया [2 अंक]:
  • निर्जल परिस्थितियों की अनिवार्यता: ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक (R–MgX) में कार्बन-मैग्नीशियम आबंध अत्यधिक ध्रुवीय होने से ऐल्किल समूह अत्यंत प्रबल कार्बानायन क्षारक (Cδ−—Mgδ+) की भाँति व्यवहार करता है। यह जल या नमी के संपर्क में आते ही हाइड्रोकार्बन में बदल जाता है:
    R–MgX + H₂O ⟶ R–H + Mg(OH)X↓
    अतः अभिकर्मक को नष्ट होने से बचाने हेतु पूर्णतः शुष्क ईथर अनिवार्य है।
  • भारी जल (D₂O) से अभिक्रिया:
    CH₃–MgBr + D₂O ⟶ CH₃–D (मोनोड्यूटेरोमेथेन) + Mg(OD)Br↓
(ख) रासायनिक रूपांतरण [2 अंक]:
  • (i) क्लोरोबेन्ज़ीन से डाइफेनिल (फ़िटिग अभिक्रिया) [1 अंक]:
    शुष्क ईथर में क्लोरोबेन्ज़ीन को सोडियम धातु के साथ गर्म करने पर डाइफेनिल बनता है:
    2C₆H₅Cl + 2Na ⟶ C₆H₅–C₆H₅ (डाइफेनिल) + 2NaCl (शुष्क ईथर में)
  • (ii) एथिल ब्रोमाइड से n-ब्यूटेन (वुर्ट्ज़ अभिक्रिया) [1 अंक]:
    शुष्क ईथर में एथिल ब्रोमाइड की सोडियम से अभिक्रिया द्वारा ब्यूटेन बनता है:
    2CH₃CH₂Br + 2Na ⟶ CH₃CH₂–CH₂CH₃ (n-ब्यूटेन) + 2NaBr (शुष्क ईथर में)
उदाहरण 6
निम्नलिखित प्रश्नों के सुस्पष्ट उत्तर दीजिए:
(क) कार्बोधनायन स्थायित्व के आधार पर SN1 क्रियाशीलता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित कीजिए: CH₃CH₂Cl, (CH₃)₃CCl, (CH₃)₂CHCl, C₆H₅CH₂Cl। [1.5 अंक]
(ख) त्रिविम बाधा के आधार पर SN2 क्रियाशीलता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित कीजिए: 1-ब्रोमोब्यूटेन, 2-ब्रोमोब्यूटेन, 2-ब्रोमो-2-मेथिलप्रोपेन, 1-ब्रोमो-3-मेथिलब्यूटेन। [1.5 अंक]
(ग) क्लोरोबेन्ज़ीन से फीनॉल बनाने के डाऊ प्रक्रम की परिस्थितियाँ क्या हैं? 2,4,6-ट्राइनाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन केवल गुनगुने जल से ही क्यों जल-अपघटित हो जाता है? [1 अंक]
(घ) क्लोरोफॉर्म को 1% एथेनॉल युक्त रंगीन बोतलों में मुँह तक भरकर क्यों रखते हैं? फॉसजीन बनने का समीकरण लिखिए। [1 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:
(क) SN1 क्रियाशीलता का क्रम एवं कारण [1.5 अंक]:
  • सही क्रम: CH₃CH₂Cl < (CH₃)₂CHCl < (CH₃)₃CCl < C₆H₅CH₂Cl
  • कारण: SN1 अभिक्रिया का वेग कार्बोधनायन के स्थायित्व पर निर्भर करता है:
    एथिल धनायन (1°) < आइसोप्रोपिल धनायन (2°) < tert-ब्यूटिल धनायन (3°, 9 अल्फा-H द्वारा अतिसंयुग्मित) < बेन्ज़िल धनायन (बेन्ज़ीन वलय के अनुनाद द्वारा सर्वाधिक स्थायी)।
(ख) SN2 क्रियाशीलता का क्रम एवं कारण [1.5 अंक]:
  • सही क्रम: 2-ब्रोमो-2-मेथिलप्रोपेन < 2-ब्रोमोब्यूटेन < 1-ब्रोमो-3-मेथिलब्यूटेन < 1-ब्रोमोब्यूटेन
  • कारण: SN2 अभिक्रिया पश्च आक्रमण द्वारा होती है, अतः त्रिविम बाधा बढ़ने पर वेग घटता है:
    2-ब्रोमो-2-मेथिलप्रोपेन (3°) में अत्यधिक त्रिविम बाधा है (SN2 नगण्य); 2-ब्रोमोब्यूटेन (2°); 1-ब्रोमो-3-मेथिलब्यूटेन (1°, शाखित); 1-ब्रोमोब्यूटेन (अशाखित 1°, न्यूनतम बाधा)।
(ग) डाऊ प्रक्रम बनाम पिक्रिल क्लोराइड की सुगमता [1 अंक]:
  • क्लोरोबेन्ज़ीन में आंशिक द्वि-आबंध लक्षण एवं sp² संकरण के कारण इसे फीनॉल में बदलने हेतु 623 K ताप तथा 300 atm दाब की आवश्यकता होती है।
  • 2,4,6-ट्राइनाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन में दो ऑर्थो तथा एक पैरा स्थिति पर तीन प्रबल –NO₂ समूह जुड़े होने से मध्यवर्ती कार्बानायन अनुनाद द्वारा अत्यधिक स्थायी हो जाता है, जिससे सक्रियण ऊर्जा बहुत घट जाती है और यह मात्र गुनगुने जल (~323 K) से ही पिक्रिक अम्ल में बदल जाता है।
(घ) क्लोरोफॉर्म भंडारण एवं फॉसजीन अभिक्रिया [1 अंक]:
  • प्रकाश व वायु की उपस्थिति में क्लोरोफॉर्म विषैली फॉसजीन गैस बनाता है:
    2CHCl₃ + O₂ ⟶ 2COCl₂↑ (फॉसजीन) + 2HCl (hν)
  • रंगीन बोतलें प्रकाश रोकती हैं। मुँह तक भरने से वायु नहीं रहती। 1% एथेनॉल फॉसजीन को हानिरहित डाइएथिल कार्बोनेट में बदल देता है:
    COCl₂ + 2C₂H₅OH ⟶ (C₂H₅O)₂C=O + 2HCl

सामान्य गलतियाँ एवं परीक्षक के जाल (Examiner Traps)

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

द्विध्रुव आघूर्ण μ = q × d होता है। CH₃Cl में C–Cl आबंध लंबाई (178 pm) CH₃F (139 pm) की तुलना में बहुत अधिक होने से दूरी का प्रभाव आवेश की कमी से अधिक प्रभावी होकर CH₃Cl (1.860 D) को CH₃F (1.847 D) से अधिक द्विध्रुव आघूर्ण प्रदान करता है।

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

KCN आयनिक यौगिक है, अतः कार्बन द्वारा आक्रमण कर मजबूत C-C आबंध बनाकर ऐल्किल सायनाइड (R–CN) बनाता है। AgCN सहसंयोजक है, अतः नाइट्रोजन द्वारा आक्रमण कर ऐल्किल आइसोसायनाइड (R–NC) बनाता है।

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

खराश परॉक्साइड प्रभाव केवल HBr के साथ ही प्रभावी होता है। HCl का आबंध बहुत मजबूत होता है जो टूटता नहीं; HI से बने आयोडीन मूलक परस्पर जुड़कर I₂ बना लेते हैं।

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

alc. KOH जैसे छोटे क्षारक से सेत्ज़ेफ नियम (ब्यूट-2-ईन मुख्य) लागू होता है। किन्तु पोटैशियम tert-ब्यूटॉक्साइड ((CH₃)₃CO⁻K⁺) जैसे स्थूल क्षारक के साथ त्रिविम बाधा के कारण हॉफमैन नियम अनुसार कम प्रतिस्थापित ब्यूट-1-ईन मुख्य उत्पाद बनती है।

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

हैलोजन एक अपवाद है: इसका +M अनुनाद प्रभाव ऑर्थो व पैरा स्थितियों पर इलेक्ट्रॉन घनत्व बढ़ाता है अतः यह ऑर्थो/पैरा निर्देशक है, किन्तु प्रबल –I प्रभाव के कारण यह वलय को समग्र रूप से निष्क्रिय करता है (–I > +M)।

चित्रात्मक व्याख्या एवं मॉडल

WBCHSE कक्षा 12 रसायन: हैलोऐल्केन तथा हैलोऐरीन नाभिकरागी प्रतिस्थापन (SN1/SN2), विलोपन, उभयदंती नाभिकरागी एवं हैलोऐरीन का अनुनाद RX 1. SN1 बनाम SN2 अभिक्रिया क्रियाविधि SN2: एकल पद | वेग = k[RX][Nu⁻] | संक्रमण अवस्था पश्च आक्रमण ⟹ 100% वाल्डेन प्रतिलोमन (Walden Inversion) SN1: दो पद | कार्बोधनायन मध्यवर्ती (sp² समतलीय) अग्र व पश्च आक्रमण ⟹ रेसिमीकरण (Racemization) क्रियाशीलता: SN2 (CH₃ > 1° > 2° > 3°) | SN1 (3° > 2° > 1° > CH₃) 2. उभयदंती नाभिकरागी (Ambident Nucleophiles) RX + KCN (आयनिक C-आक्रमण) ⟶ R-CN (ऐल्किल सायनाइड) RX + AgCN (सहसंयोजक N-आक्रमण) ⟶ R-NC (आइसोसायनाइड) RX + KNO₂ (आयनिक O-आक्रमण) ⟶ R-ONO (ऐल्किल नाइट्राइट) RX + AgNO₂ (सहसंयोजक N-आक्रमण) ⟶ R-NO₂ (नाइट्रोऐल्केन) 3. सेत्ज़ेफ बनाम हॉफमैन विलोपन (β-Elimination) सेत्ज़ेफ नियम (Saytzeff): ऐल्कोहॉली KOH (छोटा क्षारक) अधिक प्रतिस्थापित ऐल्कीन मुख्य उत्पाद (उच्च स्थायित्व) CH₃-CH₂-CH(Br)-CH₃ ⟶ CH₃-CH=CH-CH₃ (80% Saytzeff) हॉफमैन नियम (Hofmann): स्थूल क्षारक (t-BuOK) अथवा F⁻ कम प्रतिस्थापित ऐल्कीन मुख्य उत्पाद (न्यून त्रिविम बाधा) CH₃-CH₂-CH(Br)-CH₃ + t-BuOK ⟶ CH₃-CH₂-CH=CH₂ (Hofmann) 4. हैलोऐरीन का अनुनाद एवं न्यून क्रियाशीलता अनुनाद प्रभाव (+M): C-Cl में आंशिक द्वि-आबंध लक्षण (169 pm) sp² संकरित कार्बन: अधिक s-लक्षण (33.3%) ⟹ प्रबल बंध o/p-निर्देशक किन्तु वलय निष्क्रियक (-I > +M प्रभाव) SNAr सक्रियण: o- तथा p-स्थितियों पर -NO₂ इलेक्ट्रॉन खींचने वाले समूह

अध्याय का सार संक्षेप एवं 10 मुख्य निष्कर्ष

मुख्य बिंदु 1
हैलोऐल्केनों में sp³ C–X आबंध होता है, जबकि हैलोऐरीनों में अनुनादी आंशिक द्वि-आबंध लक्षण युक्त sp² C–X आबंध होता है।
मुख्य बिंदु 2
द्विध्रुव आघूर्ण क्रम: CH₃Cl (1.860 D) > CH₃F (1.847 D) > CH₃Br (1.830 D) > CH₃I (1.636 D)।
मुख्य बिंदु 3
हैलोजन का आण्विक द्रव्यमान बढ़ने से क्वथनांक बढ़ता है (RI > RBr > RCl > RF) तथा शाखन बढ़ने से क्वथनांक घटता है।
मुख्य बिंदु 4
समावयवी डाइक्लोरोबेन्ज़ीन में पैरा-समावयवी का गलनांक सम्मिति एवं जालक संकुलन के कारण सर्वाधिक होता है।
मुख्य बिंदु 5
डार्जेन प्रक्रम में SOCl₂ का उपयोग शुद्ध ऐल्किल क्लोराइड बनाने की सर्वोत्तम विधि है क्योंकि उपोत्पाद SO₂ व HCl गैसीय होते हैं।
मुख्य बिंदु 6
SN2 अभिक्रिया एकल पद में पंच-उपसहसंयोजित संक्रमण अवस्था द्वारा होती है, 100% वाल्डेन प्रतिलोमन देती है तथा सक्रियता: मेथिल > 1° > 2° > 3°।
मुख्य बिंदु 7
SN1 अभिक्रिया दो पदों में समतलीय sp² कार्बोधनायन द्वारा होती है, रेसिमीकरण देती है तथा सक्रियता: ऐलिलिक ≈ बेन्ज़िलिक > 3° > 2° > 1°।
मुख्य बिंदु 8
छोटे क्षारक से सेत्ज़ेफ नियम अनुसार अधिक प्रतिस्थापित ऐल्कीन बनती है, स्थूल क्षारक से हॉफमैन नियम अनुसार कम प्रतिस्थापित ऐल्कीन बनती है।
मुख्य बिंदु 9
क्लोरोबेन्ज़ीन में अनुनाद आंशिक द्वि-आबंध (169 pm) व sp² संकरण के कारण यह नाभिकरागी प्रतिस्थापन के प्रति अत्यंत अक्रिय है।
मुख्य बिंदु 10
क्लोरोफॉर्म ऑक्सीकृत होकर विषैली फॉसजीन (COCl₂) बनाता है; अतः इसे 1% एथेनॉल युक्त रंगीन बोतलों में मुँह तक भरकर रखा जाता है।

स्व-मूल्यांकन अभ्यास (Check Your Understanding)

मूल वैचारिक स्पष्टता की जांच के लिए नैदानिक प्रश्न। पहले स्वयं हल करें, फिर उत्तर देखें।

1
1-ब्रोमोब्यूटेन, 2-ब्रोमोब्यूटेन तथा 2-ब्रोमो-2-मेथिलप्रोपेन में से कौन-सा जलीय KOH के साथ SN1 अभिक्रिया में सबसे तीव्र गति से क्रिया करेगा और क्यों?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: 2-ब्रोमो-2-मेथिलप्रोपेन SN1 अभिक्रिया में सबसे तीव्र गति से क्रिया करेगा। इससे बनने वाला 3° कार्बोधनायन ((CH₃)₃C⁺) 9 अल्फा-हाइड्रोजनों के अतिसंयुग्मन द्वारा सर्वाधिक स्थायी होता है।
हैलाइड निष्कासन के उपरांत बनने वाले कार्बोधनायन के स्थायित्व पर विचार कीजिए।
2
बेन्ज़ॉयल परॉक्साइड की उपस्थिति में प्रोपीन पर HBr के योग से 2-ब्रोमोप्रोपेन के स्थान पर 1-ब्रोमोप्रोपेन क्यों बनता है?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: परॉक्साइड की उपस्थिति में ब्रोमीन मुक्त मूलक (Br•) प्रोपीन के सिरे वाले C1 कार्बन पर जुड़कर अधिक स्थायी द्वितीयक मुक्त मूलक (CH₃–CH•–CH₂Br) बनाता है, जो HBr से H लेकर 1-ब्रोमोप्रोपेन बनाता है (ऐन्टी-मार्कोव्नीकॉव योग)।
मुक्त मूलक योग क्रियाविधि एवं मध्यवर्ती मूलक के स्थायित्व का ध्यान रखें।
3
क्लोरोबेन्ज़ीन को फीनॉल में बदलने के डाऊ प्रक्रम की परिस्थितियाँ लिखिए तथा समझाइए कि 2,4-डाइनाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन अत्यधिक मृदु परिस्थितियों में क्यों क्रिया करता है।
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: क्लोरोबेन्ज़ीन हेतु 623 K ताप, 300 atm दाब तथा जलीय NaOH आवश्यक है। 2,4-डाइनाइट्रोक्लोरोबेन्ज़ीन में दो ऑर्थो व पैरा स्थितियों पर तीव्र इलेक्ट्रॉन-आकर्षी –NO₂ समूह होने से मध्यवर्ती कार्बानायन अनुनाद द्वारा अत्यधिक स्थायी हो जाता है, अतः यह मात्र 368 K पर जलीय Na₂CO₃ के साथ क्रिया कर लेता है।
डाऊ प्रक्रम का ताप-दाब तथा माइसेनहाइमर मध्यवर्ती पर नाइट्रो समूहों के प्रभाव को याद कीजिए।
4
–OH, –NH₂ अथवा –COOH समूह युक्त ऐल्किल हैलाइडों से सीधे ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक क्यों नहीं बनाए जा सकते?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक का कार्बन एक अत्यंत प्रबल कार्बानायन क्षारक (R⁻) होता है। यदि हैलाइड में कोई अम्लीय हाइड्रोजन (–OH, –NH₂, –COOH) उपस्थित हो, तो बना हुआ ग्रिग्नार्ड तुरंत प्रोटॉन ग्रहण कर हाइड्रोकार्बन में बदलकर नष्ट हो जाता है।
ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक का ऐल्किल समूह अत्यंत प्रबल क्षारक होता है।
5
ऐसीटोन की जलीय क्षार में आयोडीन से अभिक्रिया का संतुलित समीकरण दीजिए। इस परीक्षण की सफलता की क्या पहचान है?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: CH₃COCH₃ + 3I₂ + 4NaOH ⟶ CHI₃↓ + CH₃COONa + 3NaI + 3H₂O। अभिक्रिया पात्र में विशिष्ट पूतिरोधी गंध युक्त आयोडोफॉर्म (CHI₃) का चमकीला पीला क्रिस्टलीय अवक्षेप (गलनांक 119°C) बनना परीक्षण की पुष्टि करता है।
हैलोफॉर्म अभिक्रिया का समीकरण एवं अवक्षेप का विशिष्ट रंग स्मरण कीजिए।
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