পাঠ ৭ / ২০অনুচ্ছেদ ২.১০, ২.১০.১ (ক), ২.১০.৪

বিক্রিয়া কৌশল — মুক্ত মূলক, কার্বোক্যাটায়ন ও ইলেকট্রোফিলিক সংযোজনReaction mechanisms — radicals, carbocations & electrophilic addition

এই পাঠের আগে পড়ো (read first): পাঠ ১ — জৈবযৌগ, শ্রেণিবিভাগ, সমগোত্রীয় শ্রেণি ও কার্যকরী মূলক, পাঠ ৪ — জ্যামিতিক (সিস-ট্রান্স) সমাণুতা (3D)

একটি ফ্লাস্কে প্রোপিন (propene) গ্যাস আর হাইড্রোজেন ব্রোমাইড (HBr) আছে। HBr-এর H আর Br দ্বিবন্ধনের দুই কার্বনে বসবে — কিন্তু কোনটি কোথায়? নিজে বিক্রিয়া ঘটাও, তারপর এক চিমটি পারঅক্সাইড (peroxide) দিয়ে আবার:

পারঅক্সাইড ছাড়া বিক্রিয়া ঘটাও
পারঅক্সাইড দিয়ে আবার ঘটাও

মিটার গুণগত (qualitative): বাস্তবে প্রতিবার প্রায় একটিই উৎপাদ হয়। বইয়ের "90 %/10 %" ও "99 %/1 %" প্রথাগত সংখ্যা, মাপা মান নয়।

পারঅক্সাইড উৎপাদে ঢোকেই না, তবু উৎপাদ উল্টে যায়। উত্তর লুকিয়ে আছে বিক্রিয়ার কৌশলে (mechanism) — কোন বন্ধন কীভাবে ভাঙে, মাঝপথে কী তৈরি হয়। ধাপে ধাপে এগোব:

বিক্রিয়ার ভাষা — সাবস্ট্রেট (substrate), বিকারক (reagent), মধ্যবর্তী (intermediate) ও বাঁকা তীর (curly arrow)
বন্ধন ভাঙন — সমভাঙন (homolysis) ও অসমভাঙন (heterolysis)
মুক্ত মূলক (free radical), কার্বোক্যাটায়ন (carbocation), কার্বানায়ন (carbanion) ও তাদের স্থিতিশীলতা
ইলেকট্রোফাইল (electrophile) ও নিউক্লিওফাইল (nucleophile)
অ্যালকিনে Br₂ সংযোজন — ব্রোমোনিয়াম আয়ন (bromonium ion)
HX সংযোজন ও মারকোনিকভের নিয়ম (Markovnikov’s rule)
পারঅক্সাইড প্রভাব (peroxide effect, Kharasch effect)
H₂SO₄ ও পানি যোজন, এবং হাইড্রোজেন যোজন (hydrogenation)
ওজোনোলাইসিস (ozonolysis)
অ্যালকাইনে সংযোজন
পুনর্বিন্যাস (rearrangement) — 1,2-স্থানান্তর
এবার নিজে করে দেখো — বাঁকা তীরের সিমুলেশন

ধাপ ১: বিক্রিয়ার ভাষা ও বাঁকা তীর

জৈব বিক্রিয়ায় যে কার্বন-যৌগে পরিবর্তন ঘটে তাকে বলে সাবস্ট্রেট (substrate), আর যে পদার্থ তাকে আক্রমণ করে তা আক্রমণকারী বিকারক (attacking reagent)। শেষে পাওয়া যায় উৎপাদ (product)। পথে অল্প সময়ের জন্য যে অস্থায়ী কণা তৈরি হয়ে আবার বিক্রিয়া করে, তা মধ্যবর্তী (intermediate) — যেমন কার্বোক্যাটায়ন। আর দুই ধাপের মাঝে শক্তির চূড়ায় থাকা মুহূর্তের বিন্যাস, যাকে ধরা যায় না, তা অবস্থান্তর দশা (transition state)।

কোন ইলেকট্রন কোথায় যাচ্ছে, তা বোঝাতে রসায়নবিদরা বাঁকা তীর আঁকেন:

বাঁকা তীর (curly arrow) পরমাণু নয়, ইলেকট্রনের চলাচল দেখায়। এই পাঠের সিমুলেশনে তুমি নিজে এমন তীর আঁকবে।

নিজে যাচাই করো

H–Br → H⁺ + Br⁻ — এই ভাঙনের বাঁকা তীর কোথা থেকে কোথায়?

ধাপ ২: বন্ধন ভাঙন — সমভাঙন ও অসমভাঙন

একটি সমযোজী বন্ধনে দুটি ইলেকট্রন। বন্ধন দুইভাবে ভাঙতে পারে:

সমভাঙন (homolysis): প্রত্যেক পরমাণু একটি করে ইলেকট্রন নেয় → জোড়হীন ইলেকট্রনসহ মুক্ত মূলক (free radical)। লাগে তাপ বা আলো (hν), সাধারণত অপোলার বন্ধনে বা গ্যাস দশায়। যেমন $\ce{Cl-Cl ->[h\nu] 2Cl.}$ , বন্ধন শক্তি 243 kJ/mol।
অসমভাঙন (heterolysis): পুরো জোড়টি বেশি তড়িৎ ঋণাত্মক পরমাণু নেয় → ধনাত্মক ও ঋণাত্মক আয়ন। লাগে পোলার বন্ধন আর পোলার দ্রাবক (polar solvent), যা আয়নগুলোকে ঘিরে স্থিতিশীল করে।

নিচে একটি বন্ধন বেছে নিয়ে দুইভাবেই ভেঙে দেখো — কত শক্তি লাগে, আর বাস্তবে কোনটি ঘটে:

সমভাঙন = বন্ধন বিয়োজন শক্তি (BDE; Luo, CRC)। গ্যাসে অসমভাঙন = BDE + আয়নীকরণ শক্তি − ইলেকট্রন আসক্তি (NIST)। দ্রবণে আয়নের হাইড্রেশন শক্তি এই খরচ অনেকটা পুষিয়ে দেয়। দেখা হয়েছে: 0/8

গ্যাসে আয়ন তৈরি করতে সমভাঙনের চেয়ে কয়েক গুণ বেশি শক্তি লাগে, কারণ বিপরীত আধান আলাদা করতে হয়। তবু দ্রবণে আয়নিক বিক্রিয়া চলে — পানির অণু আয়নকে ঘিরে (hydration) বিপুল শক্তি ফিরিয়ে দেয়। তাই HBr পানিতে তীব্র এসিড, কিন্তু Cl₂ আলোয় মুক্ত মূলক দেয়।

নিজে যাচাই করো

সূর্যালোকে মিথেন ও ক্লোরিনের বিক্রিয়ার প্রথম ধাপ কোনটি?

ধাপ ৩: মধ্যবর্তী কণা ও তাদের স্থিতিশীলতা

বন্ধন ভাঙলে কার্বনে তিন ধরনের অস্থায়ী কণা তৈরি হতে পারে:

মধ্যবর্তী	কার্বনের চারপাশে	উদাহরণ	স্থিতিশীলতার ক্রম
মুক্ত মূলক (free radical)	7 ইলেকট্রন, একটি জোড়হীন	•CH₃, CH₃ĊHCH₃	3° > 2° > 1° > •CH₃
কার্বোক্যাটায়ন (carbocation)	6 ইলেকট্রন, খালি p অরবিটাল, ধনাত্মক	CH₃⁺, (CH₃)₃C⁺	3° > 2° > 1° > CH₃⁺
কার্বানায়ন (carbanion)	8 ইলেকট্রন, একটি নিঃসঙ্গ জোড়, ঋণাত্মক	CH₃⁻, ⁻CH₂CHO	CH₃⁻ > 1° > 2° > 3°

কার্বনটির সাথে যতগুলো কার্বন যুক্ত, সেই অনুযায়ী 1° (প্রাইমারি), 2°, 3°। মিথাইল (CH₃⁺, •CH₃, CH₃⁻) আলাদা শ্রেণি — 1° নয়, কারণ তার সাথে কোনো কার্বনই যুক্ত নেই।

কেন 3° কার্বোক্যাটায়ন সবচেয়ে স্থিতিশীল? দুটি কারণে: অ্যালকাইল মূলক সিগমা বন্ধন দিয়ে ইলেকট্রন ঠেলে দেয় (+I প্রভাব, inductive effect), আর পাশের C–H বন্ধনগুলো খালি p অরবিটালের সাথে আংশিক ইলেকট্রন ভাগ করে (হাইপারকনজুগেশন, hyperconjugation)। নিজে সাজিয়ে দেখো:

সবচেয়ে স্থিতিশীল (most stable) ↑

সবচেয়ে কম স্থিতিশীল ↓

শ্রেণি (class): 3° (টার্শিয়ারি)
হাইপারকনজুগেশনে C–H: 9টি

হলুদ C–H বন্ধনগুলো খালি p অরবিটালের পাশাপাশি এসে তাদের ইলেকট্রন খানিকটা ভাগ করে দেয় (হাইপারকনজুগেশন, hyperconjugation) — ধনাত্মক আধান ছড়িয়ে পড়ে। CH₃⁺-এ পাশে কোনো C নেই, তাই এমন C–H-ও নেই (0টি)।

মুক্ত মূলকেও একই ক্রম, কারণ সেখানেও কার্বনে ইলেকট্রনের ঘাটতি (7টি)। প্রমাণ C–H বন্ধন বিয়োজন শক্তি: CH₃–H 439, CH₃CH₂–H 423, (CH₃)₂CH–H 413, (CH₃)₃C–H 404 kJ/mol — যে মূলক যত স্থিতিশীল, তা তৈরি করতে তত কম শক্তি লাগে। এ কারণেই প্রোপেনের ক্লোরিনেশনে 2° H বেশি প্রতিস্থাপিত হয় (প্রায় 45 % 1-ক্লোরো, 55 % 2-ক্লোরোপ্রোপেন, যদিও 1° H সংখ্যায় তিন গুণ)। কার্বানায়নে কার্বনে আগে থেকেই বাড়তি ইলেকট্রন, তাই ইলেকট্রন-ঠেলা অ্যালকাইল মূলক তাকে অস্থিতিশীল করে — ক্রম উল্টো।

নিজে যাচাই করো

কোনটি সবচেয়ে স্থিতিশীল কার্বানায়ন?

ধাপ ৪: ইলেকট্রোফাইল ও নিউক্লিওফাইল

ইলেকট্রোফাইল (electrophile, E⁺, “ইলেকট্রন-প্রেমী”): ইলেকট্রন জোড় গ্রহণ করে। ধনাত্মক (H⁺, NO₂⁺, CH₃⁺, Br₂-এর δ+ প্রান্ত) বা প্রশম কিন্তু অষ্টক অপূর্ণ (AlCl₃, BF₃, SO₃)। এরা লুইস এসিড (Lewis acid)।
নিউক্লিওফাইল (nucleophile, Nu⁻, “নিউক্লিয়াস-প্রেমী”): ইলেকট্রন জোড় দান করে। ঋণাত্মক (OH⁻, CN⁻, RO⁻, Br⁻) বা প্রশম কিন্তু নিঃসঙ্গ জোড়যুক্ত (NH₃, H₂O, ROH); গ্রিগনার্ড বিকারকের (R–MgX) কার্বনও। এরা লুইস ক্ষারক (Lewis base)।

কোনো কণা কোন ভূমিকা নেবে তা সঙ্গীর ওপরও নির্ভর করে — পানি H⁺-এর সাথে নিউক্লিওফাইল, আবার কার্বানায়নের সাথে H⁺ দাতা। আর অ্যালকিনের π বন্ধন নিজেই নিউক্লিওফাইল: তার ইলেকট্রন মেঘ ইলেকট্রোফাইলকে আকর্ষণ করে। তাই অ্যালকিনের বৈশিষ্ট্যপূর্ণ বিক্রিয়া ইলেকট্রোফিলিক সংযোজন (electrophilic addition)।

প্রতিটির জন্য বেছে নাও: E = ইলেকট্রোফাইল (electrophile, ইলেকট্রন জোড় নেয়), Nu = নিউক্লিওফাইল (nucleophile, জোড় দেয়)।

H⁺

OH⁻

AlCl₃

NH₃

NO₂⁺

CN⁻

BF₃

H₂O

Br₂ (δ+ প্রান্ত)

C=C (π বন্ধন)

CH₃⁺

CH₃⁻

ঠিক হয়েছে: 0/12

নিজে যাচাই করো

নিচের কোনটির তিনটিই ইলেকট্রোফাইল?

ধাপ ৫: অ্যালকিনে Br₂ সংযোজন — ব্রোমোনিয়াম আয়ন

সংযোজন বিক্রিয়ায় (addition reaction) দুটি অণু জুড়ে একটি হয়: π বন্ধন ভেঙে দুটি নতুন σ বন্ধন। CCl₄-এ দ্রবীভূত Br₂ (লাল-বাদামি) অ্যালকিনে যোগ হয়ে বর্ণহীন ভিসিনাল ডাইব্রোমাইড (vicinal dibromide) দেয়:

\ce{CH2=CH2 + Br2 ->[CCl4] BrCH2-CH2Br}

কৌশল (mechanism):

π ইলেকট্রনের কাছে এলে Br–Br পোলারিত হয় (Brδ+–Brδ−)। π বন্ধন কাছের Br-কে আক্রমণ করে, Br–Br-এর জোড় দূরের Br নিয়ে Br⁻ হয়ে চলে যায়। এখানে Br₂ ইলেকট্রোফাইল, অ্যালকিন নিউক্লিওফাইল।
খোলা কার্বোক্যাটায়ন নয়, তৈরি হয় তিন-সদস্যের ব্রোমোনিয়াম আয়ন (bromonium ion) — Br⁺ দুই কার্বনের মাঝে সেতু (bridge) হয়ে থাকে (Br-এর নিঃসঙ্গ জোড় দ্বিতীয় কার্বনকে ধরে রাখে)।
সেতু একটি পাশ আটকে রাখে, তাই Br⁻ আসে উল্টো দিক থেকে — দুই Br যুক্ত হয় বিপরীত দিকে: বিপরীত সংযোজন (anti addition)। এজন্য সাইক্লোহেক্সিন থেকে শুধু ট্রান্স-1,2-ডাইব্রোমোসাইক্লোহেক্সেন পাওয়া যায়।

বইয়ে খোলা কার্বোক্যাটায়ন (C⁺) দিয়ে কৌশল দেখানো আছে — বোর্ডের পরীক্ষায় সেটি লিখলে চলে, কিন্তু সেই ছবি anti সংযোজন ব্যাখ্যা করতে পারে না। ব্রোমিন পানির রং চলে যাওয়াই অসম্পৃক্ততার পরীক্ষা (test for unsaturation)। সিমুলেশনে তুমি নিজে এই তীরগুলো আঁকবে।

নিজে যাচাই করো

সাইক্লোহেক্সিনে Br₂ যোগে শুধু ট্রান্স-ডাইব্রোমাইড পাওয়া যায় কেন?

ধাপ ৬: HX সংযোজন ও মারকোনিকভের নিয়ম

প্রতিসম অ্যালকিনে (symmetric alkene, যেমন CH₂=CH₂, CH₃CH=CHCH₃) H আর X যেদিকেই বসুক উৎপাদ একই। কিন্তু অপ্রতিসম অ্যালকিনে অপ্রতিসম বিকারক (HBr, HCl, H₂SO₄) যোগ করলে দুটি উৎপাদ সম্ভব। কৌশল দুই ধাপের:

π বন্ধন H⁺-কে আক্রমণ করে — H যুক্ত হয় এক কার্বনে, অপর কার্বন হয় কার্বোক্যাটায়ন। এই ধাপ ধীর, তাই এটিই হার নির্ধারণ করে।
Br⁻ তার নিঃসঙ্গ জোড় দিয়ে C⁺-এর সাথে যুক্ত হয় (দ্রুত)।

প্রোপিনে H যদি প্রান্তের CH₂-তে বসে, মাঝের কার্বনে হয় 2° কার্বোক্যাটায়ন; যদি মাঝে বসে, প্রান্তে হয় 1° কার্বোক্যাটায়ন। 2° অনেক বেশি স্থিতিশীল, তাই তার পথের সক্রিয়ণ শক্তি (activation energy) কম, বিক্রিয়া সেই পথেই দ্রুত চলে:

\ce{CH3-CH=CH2 + HBr -> CH3-\overset{+}{C}H-CH3 + Br- -> CH3-CHBr-CH3}

মারকোনিকভের নিয়ম (Markovnikov, 1869): অপ্রতিসম অ্যালকিনে HX যোগে H যুক্ত হয় দ্বিবন্ধনের সেই কার্বনে, যাতে আগে থেকেই বেশি H আছে। আধুনিক ভাষায়: বিক্রিয়া বেশি স্থিতিশীল কার্বোক্যাটায়নের পথে চলে। প্রোপিন থেকে কার্যত শুধু 2-ব্রোমোপ্রোপেন পাওয়া যায়; বইয়ের “90 % 2-ব্রোমো, 10 % 1-ব্রোমো” একটি প্রথা (বোর্ডের প্রত্যাশিত উত্তর), মাপা মান নয়।

নিজে যাচাই করো

2-মিথাইলপ্রোপিন (CH₃)₂C=CH₂ + HCl-এর প্রধান উৎপাদ কোনটি?

ধাপ ৭: পারঅক্সাইড প্রভাব (খারাস প্রভাব)

১৯৩৩ সালে খারাস (Kharasch) ও মেয়ো দেখান, জৈব পারঅক্সাইড (R–O–O–R) থাকলে প্রোপিন + HBr থেকে 1-ব্রোমোপ্রোপেন হয় — মারকোনিকভের উল্টো। কারণ পথটাই বদলে যায় — আয়নিক থেকে মুক্ত মূলক শৃঙ্খল (free-radical chain):

সূচনা (initiation): $\ce{RO-OR ->[\Delta] 2RO.}$ , তারপর $\ce{RO. + H-Br -> ROH + Br.}$
বিস্তার ১ (propagation): Br• দ্বিবন্ধনে যুক্ত হয় এমন কার্বনে, যাতে অপর কার্বনে বেশি স্থিতিশীল মুক্ত মূলক (2°) থাকে: $\ce{Br. + CH2=CH-CH3 -> BrCH2-\dot{C}H-CH3}$
বিস্তার ২: $\ce{BrCH2-\dot{C}H-CH3 + H-Br -> BrCH2-CH2-CH3 + Br.}$ — নতুন Br• আবার বিস্তার ১ শুরু করে।

লক্ষ করো, নিয়ম একটাই — বেশি স্থিতিশীল মধ্যবর্তী। আয়নিক পথে আগে আসে H⁺, তাই Br যায় মাঝে; মূলক পথে আগে আসে Br•, তাই Br যায় প্রান্তে।

কেন শুধু HBr? শৃঙ্খল টিকতে হলে দুটি বিস্তার ধাপই তাপোৎপাদী (exothermic) হতে হবে। গড় বন্ধনশক্তি থেকে আনুমানিক ΔH (kJ/mol):

HX	বিস্তার ১ (X• + C=C)	বিস্তার ২ (C• + H–X)	শৃঙ্খল?
HCl	−72	+19 (H–Cl খুব শক্ত, 432)	না
HBr	−18	−47	হ্যাঁ
HI	+54 (C–I দুর্বল, 213)	−115	না

নিজে যাচাই করো

পারঅক্সাইডের উপস্থিতিতে 2-মিথাইলপ্রোপিন + HBr-এর প্রধান উৎপাদ কী?

ধাপ ৮: H₂SO₄ ও পানি যোজন, এবং হাইড্রোজেন যোজন

ঠান্ডা গাঢ় H₂SO₄ মারকোনিকভ নিয়মে অ্যালকিনে যোগ হয়ে অ্যালকাইল হাইড্রোজেন সালফেট (alkyl hydrogen sulfate) দেয়; পানি দিয়ে ফুটালে আর্দ্র বিশ্লেষণে (hydrolysis) অ্যালকোহল পাওয়া যায়, H₂SO₄ ফিরে আসে:

\ce{CH2=CH2 + H-OSO3H -> CH3CH2OSO3H ->[H2O, \Delta] CH3CH2OH + H2SO4}

\ce{CH3CH=CH2 + H2SO4 -> (CH3)2CH-OSO3H ->[H2O, \Delta] (CH3)2CH-OH}

অর্থাৎ সার্বিকভাবে অ্যালকিনে H–OH যোগ — প্রোপিন থেকে প্রোপান-2-অল (বইয়ে “প্রোপানল-2”), প্রোপান-1-অল নয়।

হাইড্রোজেন যোজন (hydrogenation): Ni (প্রায় 150–200 °C), Pt বা Pd প্রভাবকে H₂ যুক্ত হয়ে অ্যালকিন থেকে অ্যালকেন হয়। এটি প্রভাবকীয় পৃষ্ঠ-সংযোজন (catalytic surface addition): H₂ ও অ্যালকিন ধাতুর পৃষ্ঠে বসে, H পরমাণু একই দিক থেকে (syn) যুক্ত হয় — এটি মুক্ত মূলক বিক্রিয়া নয়। বিস্তারিত পাঠ ৯-এ।

নিজে যাচাই করো

ইথিনের সাথে গাঢ় H₂SO₄-এর বিক্রিয়ায় প্রথমে কোন যৌগ তৈরি হয়?

ধাপ ৯: ওজোনোলাইসিস — দ্বিবন্ধন কোথায় ছিল?

CCl₄-এ দ্রবীভূত অ্যালকিনে ঠান্ডায় ওজোন (O₃) চালনা করলে π ও σ দুটি বন্ধনই ভেঙে ওজোনাইড (ozonide) তৈরি হয়। Zn গুঁড়া ও পানি দিয়ে ওজোনাইড ভাঙলে প্রতিটি C=C থেকে দুটি C=O পাওয়া যায় (Zn উৎপন্ন H₂O₂/[O] সরিয়ে দেয়, তাই অ্যালডিহাইড জারিত হয় না)। দ্বিবন্ধনের কার্বনে H থাকলে অ্যালডিহাইড, না থাকলে কিটোন:

অ্যালকিন	ওজোনোলাইসিসের উৎপাদ
বিউট-1-ইন CH₃CH₂CH=CH₂	প্রোপান্যাল + মিথান্যাল
বিউট-2-ইন CH₃CH=CHCH₃	2 অণু ইথান্যাল
2-মিথাইলপ্রোপিন (CH₃)₂C=CH₂	প্রোপানোন + মিথান্যাল
2-মিথাইলবিউট-2-ইন (CH₃)₂C=CHCH₃	প্রোপানোন + ইথান্যাল
সাইক্লোহেক্সিন	হেক্সেনডাইঅ্যাল (একটিই অণু — বলয় খুলে যায়)

তাই উৎপাদ দেখে অ্যালকিন চেনা যায় — C₄H₈-এর তিনটি অ্যালকিন সমাণু তিন রকম উৎপাদ দেয়। গোয়েন্দা হয়ে উল্টো দিকে যাও:

একটি অজানা অ্যালকিন X-এর ওজোনোলাইসিসে পাওয়া গেল: প্রোপানোন + মিথান্যাল। দুই খণ্ডের যে দুটি কার্বন আগে দ্বিবন্ধনে যুক্ত ছিল, সেগুলোতে চাপ দাও (প্রতি খণ্ডে একটি)।

নিয়ম: দুই C=O থেকে দুই O সরাও, কার্বন দুটি দ্বিবন্ধনে জোড়ো। সমাধান হয়েছে 0/4।

নিজে যাচাই করো

একটি অ্যালকিনের ওজোনোলাইসিসে শুধু প্রোপানোন (অ্যাসিটোন) পাওয়া গেল। অ্যালকিনটি কী?

ধাপ ১০: অ্যালকাইনে সংযোজন

অ্যালকাইনের C≡C-তে দুটি π বন্ধন, তাই সংযোজন দুই ধাপে ঘটে — প্রতিবারই মারকোনিকভ নিয়মে:

HX (দুই মোল): প্রথমে ভিনাইল হ্যালাইড, তারপর দ্বিতীয় X যায় একই কার্বনে (X-এর নিঃসঙ্গ জোড় সেখানকার C⁺-কে স্থিতিশীল করে) → জেম-ডাইহ্যালাইড (gem-dihalide): $\ce{CH#CH + HCl -> CH2=CHCl ->[HCl] CH3CHCl2}$
Br₂ (দুই মোল): $\ce{CH3C#CH ->[Br2] CH3CBr=CHBr ->[Br2] CH3CBr2CHBr2}$ (1,1,2,2-টেট্রাব্রোমোপ্রোপেন)
পানি যোজন (hydration): লঘু H₂SO₄-এ HgSO₄ প্রভাবকে পানি যুক্ত হয়ে প্রথমে ইনল (enol, C=C–OH) হয়, যা সঙ্গে সঙ্গে পুনর্বিন্যস্ত হয়ে কার্বনিল যৌগ দেয় (কিটো-ইনল টটোমারিজম, keto–enol tautomerism):

\ce{CH#CH + H2O ->[HgSO4, H2SO4] [CH2=CH-OH] -> CH3CHO}

\ce{CH3C#CH + H2O ->[HgSO4, H2SO4] [CH3C(OH)=CH2] -> CH3COCH3}

মারকোনিকভ নিয়মে –OH যায় ভেতরের কার্বনে, তাই শুধু ইথাইন থেকে অ্যালডিহাইড (ইথান্যাল); অন্য সব অ্যালকাইন থেকে কিটোন (প্রোপাইন → প্রোপানোন; বিউট-1-ইন ও বিউট-2-ইন দুটিই → বিউটানোন)।

ওজোনোলাইসিস: ত্রিবন্ধনের দুই কার্বন কার্বক্সিলিক এসিড হয় (আর্দ্র বিশ্লেষণে তৈরি H₂O₂ জারণ করে): বিউট-1-ইন থেকে প্রোপানোয়িক + মিথানোয়িক এসিড; বিউট-2-ইন থেকে 2 অণু ইথানোয়িক এসিড।

নিজে যাচাই করো

প্রোপাইনে HgSO₄/H₂SO₄ উপস্থিতিতে পানি যোগে কী পাওয়া যায়?

ধাপ ১১: পুনর্বিন্যাস — 1,2-স্থানান্তর

একবার কার্বোক্যাটায়ন তৈরি হলে পাশের কার্বন থেকে একটি H (হাইড্রাইড, H⁻ হিসেবে) বা CH₃ তার বন্ধন-জোড়সহ সরে আসতে পারে, যদি তাতে আরও স্থিতিশীল কার্বোক্যাটায়ন হয়। একে 1,2-স্থানান্তর (1,2-shift) বা পুনর্বিন্যাস (rearrangement) বলে — কার্বন কঙ্কালই বদলে যায়। যেমন:

\ce{CH2=CH-C(CH3)3 ->[HCl] (CH3)2CH-CCl(CH3)2}

3,3-ডাইমিথাইলবিউট-1-ইনে H⁺ যুক্ত হয়ে 2° ক্যাটায়ন হয়; পাশের C থেকে একটি CH₃ সরে এলে 3° ক্যাটায়ন — তাই প্রধান উৎপাদ 2-ক্লোরো-2,3-ডাইমিথাইলবিউটেন, আর অপুনর্বিন্যস্ত 3-ক্লোরো-2,2-ডাইমিথাইলবিউটেন গৌণ।

একই কারণে অনার্দ্র AlCl₃ ও HCl-এর উপস্থিতিতে প্রায় 300 °C-এ n-বিউটেন আইসো-বিউটেন (2-মিথাইলপ্রোপেন) হয় — এটি কার্বোক্যাটায়নের মাধ্যমে ঘটে, মুক্ত মূলকের মাধ্যমে নয়। ফ্রিডেল-ক্রাফটস বিক্রিয়ায় (পাঠ ৮) n-প্রোপাইল ক্লোরাইড থেকে আইসোপ্রোপাইলবেনজিন পাওয়ার কারণও এটাই।

নিজে যাচাই করো

কোন কার্বোক্যাটায়নে 1,2-হাইড্রাইড স্থানান্তর ঘটার সম্ভাবনা আছে?

ধাপ ১২: এবার নিজে করে দেখো

এই সিমুলেশনে তুমি নিজে বাঁকা তীর এঁকে বিক্রিয়া চালাবে:

ওপরে একটি অ্যালকিন বা অ্যালকাইন আর একটি বিকারক বেছে নাও (মেলে না এমন জোড়ের বোতাম ঝাপসা)।
তীর আঁকতে: আগে উৎসে চাপ দাও — বন্ধনের মাঝখান, ঋণাত্মক আয়ন (নিঃসঙ্গ জোড়) বা মুক্ত মূলকের (•) পরমাণু — তারপর লক্ষ্য পরমাণুতে। ভুল হলে কারণ দেখাবে।
যখন জিজ্ঞেস করবে H কোন কার্বনে বসবে, নিজে ঠিক করো — কম স্থিতিশীল পথ বাছলে তুমি গৌণ উৎপাদে পৌঁছাবে, আর নিচের শক্তি চিত্রে দুই পথের পার্থক্য দেখবে।
শেষে উৎপাদ খাতায় লেখো, আর চ্যালেঞ্জগুলো একে একে শেষ করো।

সংযোজন বিক্রিয়ার কৌশল (addition mechanism)

বাঁকা তীর এঁকে ধাপে ধাপে

↗

অসম্পৃক্ত যৌগ (unsaturated compound)

বিকারক (reagent)

ধাপ 1: π ইলেকট্রন H-কে আক্রমণ করে (electrophilic attack)

দুটি তীর আঁকো: (১) C=C-এর π বন্ধন থেকে H-এ, (২) H–Br বন্ধন থেকে Br-এ। তারপর বলো H কোন কার্বনে বসবে।

তীর: 0/2

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6

প্রোপিনে HBr যোগ করো — প্রথমে পারঅক্সাইড ছাড়া, তারপর পারঅক্সাইডসহ (HBr + ROOR)। দুবারই প্রধান উৎপাদ পর্যন্ত যাও। (0/2)
এমন একটি অ্যালকিন খোঁজো যাতে HBr দিলে একটিই উৎপাদ হয় (মারকোনিকভ নিয়মের দরকারই পড়ে না)।
C₄H₈-এর কোন সমাণু ওজোনোলাইসিসে মিথান্যাল (HCHO) আর প্রোপানোন (অ্যাসিটোন) দেয়? খুঁজে বের করো।
প্রোপাইনে HgSO₄ দিয়ে পানি যোগ করো। উৎপাদ প্রোপানোন কেন, প্রোপান্যাল নয়?
প্রোপিনে HCl + পারঅক্সাইড দিয়ে দেখো — বিপরীত মারকোনিকভ উৎপাদ হয় কি?
এমন একটি সংযোজন খোঁজো যেখানে কার্বোক্যাটায়ন 1,2-স্থানান্তরে (1,2-shift) পুনর্বিন্যস্ত হয়। (সংকেত: 3,3-ডাইমিথাইলবিউট-1-ইন + HCl)

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

কোনো বিক্রিয়া শেষ করে “খাতায় লেখো” চাপো।

শুধু ভার্চুয়াল (virtual only): Br₂, গাঢ় H₂SO₄, HBr, পারঅক্সাইড, ওজোন ও পারদ লবণ (HgSO₄) বিষাক্ত বা ক্ষয়কারী — এগুলো দিয়ে ঘরে কোনো পরীক্ষা নয়।

বই পড়ার সময় সাবধান — এই অংশে পাঠ্যবইয়ে কিছু ভুল ও প্রথাগত সরলীকরণ আছে (সঠিক তথ্য: Clayden, Morrison–Boyd, CRC, IUPAC):

Cl₂-এর সমভাঙনের তীরে “396 kJ/mol” (পৃ. 220) — Cl–Cl বন্ধন শক্তি 243 kJ/mol (242.6, CRC), পাশে বইও তা-ই লিখেছে। 396-এর কোনো ব্যাখ্যা নেই।
অ্যালকেনের সমাণুকরণকে মুক্ত মূলক বিক্রিয়া বলা (পৃ. 220) — AlCl₃/HCl-এ n-বিউটেন → আইসো-বিউটেন কার্বোক্যাটায়নের মাধ্যমে ঘটে (বইয়ের নিজের §২.১০.৪-এ 1,2-স্থানান্তর)।
•CH₃ ও ⁺CH₃-কে “1°” লেখা (পৃ. 221) — মিথাইল আলাদা শ্রেণি; এর সাথে কোনো কার্বন যুক্ত নেই।
হাইড্রোজেন যোজনকে “ফ্রি-রেডিকেল সংযোজন” বলা (পৃ. 222) — এটি ধাতব পৃষ্ঠে প্রভাবকীয় সংযোজন।
Br₂ সংযোজনের ছবিতে Br₂-এর নিচে “নিউক্লিওফাইল” (পৃ. 223) — Br₂ ইলেকট্রোফাইল, অ্যালকিনের π বন্ধন নিউক্লিওফাইল। খোলা কার্বোক্যাটায়নের ছবি বোর্ডের উত্তর হিসেবে চলে, কিন্তু সঠিক মধ্যবর্তী ব্রোমোনিয়াম আয়ন (তাই anti সংযোজন)।
“CH₃–CH=CH₂ + 2HBr” থেকে দুটি উৎপাদ (পৃ. 224) — সমীকরণ মেলে না; প্রতিটি উৎপাদের জন্য এক অণু প্রোপিন + এক অণু HBr।
মারকোনিকভ “90 % / 10 %” ও খারাস “99 % / 1 %” — প্রথাগত সংখ্যা (বোর্ডের প্রত্যাশিত উত্তর)। পারঅক্সাইড-মুক্ত HBr ও প্রোপিন থেকে কার্যত শুধু 2-ব্রোমোপ্রোপেন হয়।
ইথিন + H₂SO₄ → “CH₂–CH₂–OSO₃H” (পৃ. 225) — একটি H বাদ পড়েছে; সঠিক CH₃CH₂OSO₃H (ইথাইল হাইড্রোজেন সালফেট)।
বিউটানোনের জারণ ”→ 2CH₃COOH + H₂O” (পৃ. 227) — মেলে না; $\ce{C4H8O + 3[O] -> 2CH3COOH}$ (পানি তৈরি হয় না)। আর “2,3-বিউটাডাইওন”-এর IUPAC নাম বিউটেন-2,3-ডাইওন (butane-2,3-dione)।
MCQ ব্যাংক: প্রশ্ন 57-এর উত্তরসূত্র কার্বোক্যাটায়নের ক্রম উল্টে CH₃⁺-কে সবচেয়ে স্থিতিশীল ধরে — সঠিক 3° > 2° > 1° > CH₃⁺। প্রশ্ন 168-এ AlCl₃, BF₃, BeCl₂ তিনটিই ইলেকট্রোফাইল (BeCl₂-ও ইলেকট্রন-ঘাটতির লুইস এসিড)। প্রশ্ন 251-এ প্রোপিনের বিক্রিয়া “ইলেকট্রোফিলিক প্রতিস্থাপন” নয়, HCl-এর সংযোজন। প্রশ্ন 53-এ কার্বানায়ন “–CH₃” নয়, CH₃⁻।
নামের প্রথা: বইয়ের “বিউটিন-1”, “প্রোপানল-2”, “কার্বোনিয়াম আয়ন” বোর্ডে চলে; IUPAC 2013 নাম বিউট-1-ইন, প্রোপান-2-অল, কার্বোক্যাটায়ন (কার্বেনিয়াম আয়ন)।

ঘরে বসে পরীক্ষা: আয়োডিন দিয়ে অসম্পৃক্ততা খোঁজা

ল্যাবে Br₂ দিয়ে C=C শনাক্ত করা হয়; ঘরে তার নিরাপদ, ধীর বিকল্প ফার্মেসির টিংচার আয়োডিন (tincture of iodine)।

তিনটি পরিষ্কার স্বচ্ছ গ্লাসে নাও: (ক) 1 চামচ সূর্যমুখী বা সয়াবিন তেল (অসম্পৃক্ত, unsaturated — অনেক C=C), (খ) 1 চামচ নারকেল তেল (প্রায় সম্পৃক্ত; জমে থাকলে গরম পানিতে বাটি বসিয়ে গলিয়ে নাও), (গ) 1 চামচ পানি (তুলনার জন্য)।
প্রতিটিতে 2 ফোঁটা টিংচার আয়োডিন দিয়ে নাড়ো।
প্রতি 10 মিনিটে এক ঘণ্টা ধরে বাদামি রং মিলিয়ে দেখো (সাদা কাগজের ওপর রাখলে সহজ)।

যে তেলে C=C বেশি, সেখানে বাদামি রং বেশি ফিকে হয় — আয়োডিন ধীরে ধীরে দ্বিবন্ধনে যুক্ত হয় (তেলের “আয়োডিন সংখ্যা”, iodine number, এই ধারণা থেকে)। পরিবর্তন ধীর ও অল্প — আয়োডিন ব্রোমিনের চেয়ে অনেক কম সক্রিয়, তাই ল্যাবে Br₂ বা ICl ব্যবহার হয়। তাৎক্ষণিক বর্ণহীনতা আশা কোরো না।

নিরাপত্তা: আয়োডিন গিলে ফেললে বিষাক্ত, আর কাপড় ও ত্বকে দাগ ফেলে। পরীক্ষার তেল আর খাবে না, রান্নায়ও দেবে না; শেষে হাত সাবান দিয়ে ধুয়ে ফেলো। তেল গরম করতে বড়দের সাহায্য নাও।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. মুক্ত মূলক, কার্বোক্যাটায়ন, কার্বানায়ন, ইলেকট্রোফাইল ও নিউক্লিওফাইল কাকে বলে? প্রতিটির একটি উদাহরণ দাও। (জ্ঞান)

মুক্ত মূলক: জোড়হীন ইলেকট্রনযুক্ত পরমাণু বা মূলক, বন্ধনের সমভাঙনে তৈরি — Cl•, •CH₃।
কার্বোক্যাটায়ন: ধনাত্মক আধানযুক্ত কার্বন (6 ইলেকট্রন) সহ আয়ন — CH₃⁺, (CH₃)₃C⁺।
কার্বানায়ন: ঋণাত্মক আধান ও নিঃসঙ্গ জোড়যুক্ত কার্বনসহ আয়ন — CH₃⁻, ⁻CH₂CHO।
ইলেকট্রোফাইল: ইলেকট্রন জোড় গ্রহণকারী বিকারক — H⁺, NO₂⁺, AlCl₃।
নিউক্লিওফাইল: ইলেকট্রন জোড় দানকারী বিকারক — OH⁻, CN⁻, NH₃, H₂O।

২. কার্বোক্যাটায়নের স্থিতিশীলতার ক্রম লেখো এবং কারণ ব্যাখ্যা করো। (অনুধাবন)

3° > 2° > 1° > CH₃⁺। ধনাত্মক কার্বনের সাথে যত অ্যালকাইল মূলক, (১) তত বেশি +I প্রভাবে ইলেকট্রন যোগান হয়, (২) তত বেশি পাশের C–H বন্ধন খালি p অরবিটালের সাথে হাইপারকনজুগেশনে অংশ নেয় — (CH₃)₃C⁺-এ 9টি, (CH₃)₂CH⁺-এ 6টি, CH₃CH₂⁺-এ 3টি, CH₃⁺-এ 0টি। ফলে ধনাত্মক আধান ছড়িয়ে পড়ে, আয়ন স্থিতিশীল হয়।

৩. প্রোপিনের সাথে HBr-এর বিক্রিয়ার কৌশল লেখো। পারঅক্সাইডের উপস্থিতিতে উৎপাদ কী হবে এবং কেন? HCl-এর ক্ষেত্রে এ প্রভাব দেখা যায় না কেন? (প্রয়োগ/উচ্চতর দক্ষতা)

পারঅক্সাইড ছাড়া (আয়নিক, মারকোনিকভ): π বন্ধন H⁺-কে আক্রমণ করে, H যুক্ত হয় CH₂-তে → CH₃–C⁺H–CH₃ (2°, বেশি স্থিতিশীল); তারপর Br⁻ যুক্ত হয় → 2-ব্রোমোপ্রোপেন CH₃CHBrCH₃ (বোর্ডের প্রথা: 90 %; 1-ব্রোমোপ্রোপেন 10 %)।

পারঅক্সাইডসহ (মুক্ত মূলক, খারাস): $\ce{ROOR -> 2RO.}$ ; $\ce{RO. + HBr -> ROH + Br.}$ ; $\ce{Br. + CH2=CHCH3 -> BrCH2\dot{C}HCH3}$ (2° মূলক); $\ce{BrCH2\dot{C}HCH3 + HBr -> BrCH2CH2CH3 + Br.}$ → 1-ব্রোমোপ্রোপেন।

HCl-এ নয়: H–Cl বন্ধন শক্ত (432 kJ/mol), তাই কার্বন-মূলক H–Cl থেকে H নেওয়ার ধাপটি তাপহারী (≈ +19 kJ/mol) ও ধীর — শৃঙ্খল টেকে না। (HI-তে I• যুক্ত হওয়ার ধাপটি তাপহারী, ≈ +54 kJ/mol।)

৪. C₄H₈ আণবিক সংকেতের তিনটি অ্যালকিন X, Y, Z। ওজোনোলাইসিসে X দেয় দুই অণু একই অ্যালডিহাইড, Y দেয় একটি কিটোন ও HCHO, Z দেয় দুটি ভিন্ন অ্যালডিহাইড। X, Y, Z শনাক্ত করো ও সমীকরণ লেখো।

X = বিউট-2-ইন: $\ce{CH3CH=CHCH3 ->[1. O3][2. Zn/H2O] 2CH3CHO}$ (ইথান্যাল)
Y = 2-মিথাইলপ্রোপিন: $\ce{(CH3)2C=CH2 ->[1. O3][2. Zn/H2O] CH3COCH3 + HCHO}$
Z = বিউট-1-ইন: $\ce{CH3CH2CH=CH2 ->[1. O3][2. Zn/H2O] CH3CH2CHO + HCHO}$

কারণ: প্রতিটি C=C ভেঙে দুই C=O; যে কার্বনে H নেই (Y-এর (CH₃)₂C=) সেখান থেকে কিটোন।

৫. ইথাইন ও প্রোপাইনকে HgSO₄/লঘু H₂SO₄-এর উপস্থিতিতে পানির সাথে বিক্রিয়া করালে কী পাওয়া যায়? দুটির উৎপাদ ভিন্ন শ্রেণির কেন?

$\ce{HC#CH + H2O ->[HgSO4/H2SO4] [CH2=CHOH] -> CH3CHO}$ (ইথান্যাল, অ্যালডিহাইড)

$\ce{CH3C#CH + H2O ->[HgSO4/H2SO4] [CH3C(OH)=CH2] -> CH3COCH3}$ (প্রোপানোন, কিটোন)

মারকোনিকভ নিয়মে –OH যুক্ত হয় কম H-যুক্ত কার্বনে। ইথাইনে দুই কার্বনই প্রান্তিক, তাই –OH প্রান্তে → ইনল থেকে –CHO। প্রোপাইনে –OH যায় মাঝের কার্বনে → ইনল টটোমারিজমে কিটোন।

৬. 3,3-ডাইমিথাইলবিউট-1-ইনের সাথে HCl-এর বিক্রিয়ায় প্রধান উৎপাদ মারকোনিকভ নিয়মের প্রত্যাশিত 3-ক্লোরো-2,2-ডাইমিথাইলবিউটেন নয় কেন? কৌশলসহ ব্যাখ্যা করো।

H⁺ যুক্ত হয় CH₂-তে → (CH₃)₃C–C⁺H–CH₃ (2° কার্বোক্যাটায়ন)। পাশের কার্বন থেকে একটি CH₃ বন্ধন-জোড়সহ সরে আসে (1,2-মিথাইল স্থানান্তর) → (CH₃)₂C⁺–CH(CH₃)₂, একটি 3° কার্বোক্যাটায়ন, যা বেশি স্থিতিশীল। Cl⁻ এখানে যুক্ত হয়ে 2-ক্লোরো-2,3-ডাইমিথাইলবিউটেন (CH₃)₂CCl–CH(CH₃)₂ প্রধান উৎপাদ; অপুনর্বিন্যস্ত 3-ক্লোরো-2,2-ডাইমিথাইলবিউটেন গৌণ।

৭. নিচের কোনগুলো ইলেকট্রোফাইল? (i) AlCl₃ (ii) BF₃ (iii) BeCl₂ — (ক) i ও ii (খ) i ও iii (গ) ii ও iii (ঘ) i, ii ও iii

(ঘ) i, ii ও iii। তিনটিরই কেন্দ্রীয় পরমাণুর অষ্টক অপূর্ণ (Al ও B-এ 6টি, Be-এ 4টি ইলেকট্রন), তাই তিনটিই ইলেকট্রন জোড় গ্রহণ করে — লুইস এসিড। (বইয়ের উত্তরসূত্রে “i ও ii” দেওয়া আছে — সেটি ভুল।)