تفاعل كولبه (كولبه–شميت): الآلية وطريق الأسبرين وأسئلة JEE/NEET
الإجابة المختصرة: يُسخَّن فينوكسيد الصوديوم مع CO2 (نحو 125 °C و4–7 atm)، ثم يُحمَّض، فيعطي حمض الساليسيليك. تهاجم ذرة الكربون أورثو في الفينوكسيد جزيء CO2، ويتصاوغ الداي إينون عائدًا إلى حلقة أروماتية، ثم يبرتن الحمض الكربوكسيلات والفينوكسيد.
ما هو تفاعل كولبه: من الفينول إلى حمض الساليسيليك؟
يُسمّى هذا التفاعل في الكتب الهندية عادةً تفاعل كولبه، بينما يسمّيه الكيميائيون في أماكن أخرى تفاعل كولبه–شميت. وهو الطريق الصناعي إلى حمض الساليسيليك، ومن ثَمّ إلى الأسبرين.
يعرض القالب خطوات الأسهم المنحنية الثلاث. افتحه في MolDraw لتجرّب فينوكسيد البوتاسيوم أو فينولًا مستبدَلًا.
التفاعل في لمحة
| المادة المتفاعلة | فينوكسيد الصوديوم (الفينول + NaOH) |
|---|---|
| الكواشف | CO2 تحت الضغط، ~125 °C (400 K)؛ ثم H3O+ |
| الإلكتروفيل | ثاني أكسيد الكربون (إلكتروفيل ضعيف) |
| الناتج | حمض الساليسيليك (حمض 2-هيدروكسي بنزويك) |
| الاستخدام | حمض الساليسيليك + أنهيدريد الأسيتيك → الأسبرين |
الآلية خطوة بخطوة
- يهاجم الفينوكسيد CO2. تمنح ذرة الأكسجين السالبة الإلكترونات إلى الحلقة، فتهاجم ذرة الكربون أورثو ذرة كربون CO2؛ وتنتقل إحدى روابط C=O من نوع π إلى الأكسجين. تصبح الحلقة لفترة وجيزة سيكلوهكساديينونًا يحمل مجموعة كربوكسيلات.
- التصاوغ. تُنزع ذرة H من رابطة C–H الحلقية المجاورة لرابطة C–C الجديدة، فتعيد إلكتروناتها الحلقة الأروماتية ويتكوّن الفينوكسيد من جديد. تحمل الحلقة الآن COO− في موضع أورثو بالنسبة إلى O−.
- المعالجة الحمضية. يبرتن الحمض المخفف الكربوكسيلات والفينوكسيد، فيتكوّن حمض الساليسيليك المتعادل.
كل خطوة في القالب مدقّقة إلكترونًا بإلكترون: الأسهم المنحنية تعطي البنى المرسومة تمامًا. افتحه في MolDraw لتتابع الأسهم خطوة بخطوة.
أمثلة محلولة
- فينوكسيد الصوديوم → حمض الساليسيليك. في موضع أورثو أساسًا. يُعتقد أن مخلبة Na+ بين أكسجين الفينوكسيد وCO2 توجّه الهجوم نحو ذرة الكربون أورثو.
- فينوكسيد البوتاسيوم → حمض 4-هيدروكسي بنزويك. مع K+ ودرجة حرارة أعلى يغلب ناتج البارا.
- حمض الساليسيليك → الأسبرين. تعطي أستلة مجموعة OH بأنهيدريد الأسيتيك (بحفّاز H2SO4) حمض أسيتيل الساليسيليك.
أسئلة تدريبية لامتحانات JEE وNEET
س1. يُسخَّن فينوكسيد الصوديوم مع CO2 عند 400 K و4–7 atm، ثم يُحمَّض. الناتج هو:
اعرض الإجابة
حمض الساليسيليك — كربكسلة الفينوكسيد في موضع أورثو (تفاعل كولبه).
س2. لماذا يُستخدم الفينوكسيد بدلًا من الفينول؟
اعرض الإجابة
لأن CO2 إلكتروفيل ضعيف، ولا تكون نيوكليوفيلية بما يكفي إلا حلقة الفينوكسيد المنشّطة بقوة. — O− مانح للإلكترونات أقوى بكثير من OH.
س3. يتفاعل حمض الساليسيليك مع أنهيدريد الأسيتيك ليعطي:
اعرض الإجابة
الأسبرين — تُؤستَل مجموعة OH الفينولية.
س4. يعطي التحليل الكهربائي لمحلول أسيتات الصوديوم المائي (تحليل كولبه الكهربائي):
اعرض الإجابة
الإيثان — تفاعل مختلف: تقترن جذور CH3• الحرة عند المصعد.
أخطاء شائعة
- الخلط بين تفاعل كولبه (الفينوكسيد + CO2) وتحليل كولبه الكهربائي (أملاح الكربوكسيلات → الألكانات).
- البدء من الفينول بدلًا من فينوكسيد الصوديوم.
- نسيان التحميض — يتكوّن الناتج أولًا على هيئة ملح الصوديوم.
- رسم CO2 وهو يهاجم الأكسجين بدلًا من ذرة الكربون أورثو.
حرّر هذه الآلية في MolDraw
- انقر افتح في MolDraw. يُفتح المحرر والشكل كاملًا على لوحة الرسم: التفاعل الكلي، وكل خطوة مرقّمة، والنقاط الأساسية.
- كل شيء بنية عادية. غيّر مستبدِلًا، أو أعد تلوين الذرات، أو حرّك سهمًا، وتبقى الأسهم مرتبطة بذراتها.
- نزّله بصيغة PNG أو SVG أو PDF، أو انسخه إلى ملاحظاتك أو شرائحك.
- الشكل نفسه موجود في المحرر ضمن Templates ← Schemes ← Name reactions.
أسئلة وأجوبة
ما الفرق بين تفاعل كولبه وتفاعل كولبه–شميت؟
هما الكربكسلة نفسها للفينوكسيد؛ وقد أدخل شميت ظروف الضغط. أما تحليل كولبه الكهربائي فتفاعل مختلف.
لماذا يلزم ضغط مرتفع؟
لأن CO₂ غاز وإلكتروفيل ضعيف؛ ويرفع الضغط تركيزه في خليط التفاعل.
فيمَ يُستخدم حمض الساليسيليك؟
في صناعة الأسبرين وساليسيلات الميثيل (زيت الغلثيريا)، وفي منتجات العناية بالبشرة.