Aromatic hydrocarbon Questions in Hindi

(A) एसिटोफेनोन को बेंजीन से उसकी इलेक्ट्रॉनरागी प्रतिस्थापन (फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन) अभिक्रिया द्वारा इस प्रकार तैयार किया जा सकता है:
$C_6H_6 + CH_3COCl \xrightarrow{Anhyd. AlCl_3} C_6H_5COCH_3 + HCl$
इस अभिक्रिया में,बेंजीन वलय का हाइड्रोजन परमाणु एक एसिटाइल समूह $(-COCH_3)$ द्वारा प्रतिस्थापित हो जाता है,जो एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनरागी प्रतिस्थापन अभिक्रिया है।

(A) लुईस अम्ल (जैसे $AlCl_3$) की उपस्थिति में,बेंजीन एल्किल हैलाइड के साथ इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया देता है। इस अभिक्रिया को फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन कहा जाता है।
अभिक्रिया इस प्रकार है:
$C_6H_6 + C_2H_5Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5-C_2H_5 + HCl$
बनने वाला उत्पाद एथिलबेंजीन है,जिसका आणविक सूत्र $C_8H_{10}$ है।

(D) स्टायरीन $(C_6H_5CH=CH_2)$ को बेंजीन $(C_6H_6)$ से दो चरणों में तैयार किया जाता है:
$1$. $AlCl_3$ उत्प्रेरक की उपस्थिति में बेंजीन का एथीन के साथ एल्काइलेशन करके एथिलबेंजीन बनाया जाता है: $C_6H_6 + CH_2=CH_2 \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_2CH_3$।
$2$. इसके बाद एथिलबेंजीन का उच्च तापमान $(700^{\circ}C)$ पर उत्प्रेरक (आमतौर पर आयरन ऑक्साइड या $Al_2O_3$) का उपयोग करके डिहाइड्रोजनीकरण किया जाता है,जिससे स्टायरीन प्राप्त होता है: $C_6H_5CH_2CH_3 \xrightarrow{700^{\circ}C, \text{catalyst}} C_6H_5CH=CH_2 + H_2$।

(C) $o$-जाइलीन दो अनुनाद संरचनाओं में मौजूद होता है। इन संरचनाओं का ओजोनोलिसिस द्वि-आबंधों को तोड़कर डाइकार्बोनिल यौगिक बनाता है।
संरचना $I$ है $CH_3-CO-CO-CH_3$ (ब्यूटेन$-2,3-$डायोन)।
संरचना $II$ है $CH_3-CO-CHO$ ($2$-ऑक्सोप्रोपेनल)।
संरचना $III$ है $CHO-CHO$ (एथेनडायल)।
$o$-जाइलीन की अनुनाद संरचनाओं से,ओजोनोलिसिस द्वारा प्राप्त होता है:
$1$ मोल $I$ (ब्यूटेन$-2,3-$डायोन),
$2$ मोल $II$ ($2$-ऑक्सोप्रोपेनल),
$3$ मोल $III$ (एथेनडायल)।
अतः,उत्पादों का अनुपात $I:II:III = 1:2:3$ है।

(C) $1$. प्रारंभिक पदार्थ $1,3,5$-ट्राइमिथाइलबेंजीन (मेसिटिलीन) है।
$2$. $CCl_4$ में $Br_2$ के साथ इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया मिथाइल समूहों के ऑर्थो स्थान पर होती है। चूंकि सभी स्थान समान हैं,यह $2$-ब्रोमो-$1,3,5$-ट्राइमिथाइलबेंजीन $(A)$ बनाता है।
$3$. $A$ की शुष्क ईथर में $Mg$ के साथ अभिक्रिया से ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक,$2,4,6$-ट्राइमिथाइलफेनिलमैग्नीशियम ब्रोमाइड बनता है।
$4$. ग्रिग्नार्ड अभिकर्मक की ड्राई आइस $(CO_2)$ के साथ अभिक्रिया और उसके बाद अम्लीय वर्कअप $(H_3O^+)$ करने पर संबंधित कार्बोक्सिलिक एसिड,$2,4,6$-ट्राइमिथाइलबेंजोइक एसिड $(B)$ प्राप्त होता है।

(B) किसी यौगिक के एरोमैटिक होने के लिए,उसे हकल के नियम का पालन करना चाहिए:
$(I)$ अणु चक्रीय होना चाहिए।
$(II)$ अणु समतलीय (planar) होना चाहिए।
$(III)$ अणु पूरी तरह से संयुग्मित (conjugated) होना चाहिए।
$(IV)$ अणु में $(4n+2) \pi$ इलेक्ट्रॉन होने चाहिए,जहाँ $n = 0, 1, 2, ...$।
दिए गए यौगिकों का विश्लेषण:
$(A)$ साइक्लोप्रोपेनाइल धनायन: चक्रीय,समतलीय,संयुग्मित और $2 \pi$ इलेक्ट्रॉन $(n=0)$ हैं। यह एरोमैटिक है।
$(B)$ साइक्लोऑक्टाटेट्राईन: इसमें $8 \pi$ इलेक्ट्रॉन ($4n$ सिस्टम,$n=2$) हैं। इसके अलावा,यह एंटी-एरोमैटिकिटी से बचने के लिए एक गैर-समतलीय 'टब' आकार अपनाता है। अतः,यह एरोमैटिक नहीं है।
$(C)$ साइक्लोपेंटाडाइनाइल ऋणायन: चक्रीय,समतलीय,संयुग्मित और $6 \pi$ इलेक्ट्रॉन $(n=1)$ हैं। यह एरोमैटिक है।
$(D)$ $6-$(डाइमिथाइलअमीनो)फुल्विन: यह एक फुल्विन व्युत्पन्न है जो एरोमैटिक गुण प्रदर्शित करता है।
अतः,साइक्लोऑक्टाटेट्राईन एरोमैटिक नहीं है।

(C) एरोमैटिकता निर्धारित करने के लिए,हम हकल नियम का उपयोग करते हैं: एक चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित प्रणाली जिसमें $(4n+2)$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन होते हैं,वह एरोमैटिक होती है,जहाँ $n$ एक पूर्णांक $(0, 1, 2, \dots)$ है।
$(i)$ साइक्लोप्रोपेनाइल क्लोराइड $SbCl_5$ के साथ अभिक्रिया करके साइक्लोप्रोपेनाइल धनायन बनाता है,जिसमें $2$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन $(n=0)$ होते हैं। यह एरोमैटिक है।
$(ii)$ साइक्लोपेंटाडाइन सोडियम धातु के साथ अभिक्रिया करके साइक्लोपेंटाडाइनाइल ऋणायन बनाता है,जिसमें $6$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन $(n=1)$ होते हैं। यह एरोमैटिक है।
$(iii)$ $7$-ब्रोमोसाइक्लोहेप्टा-$1,3,5$-ट्रायन जल के साथ अभिक्रिया करके ट्रोपिलियम धनायन बनाता है,जिसमें $6$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन $(n=1)$ होते हैं। यह एरोमैटिक है।
$(iv)$ साइक्लोपेंटाडाइनाइलएमाइन $HNO_2$ के साथ अभिक्रिया करके $4$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन प्रणाली (साइक्लोपेंटाडाइनाइल धनायन) बनाता है,जो एंटी-एरोमैटिक (एरोमैटिक नहीं) है।
अतः,कुल $3$ एरोमैटिक स्पीशीज उत्पन्न होती हैं।

(D) फ्रीडेल-क्राफ्ट अभिक्रिया एक इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है।
यह इलेक्ट्रोफाइल $(CH_3^+)$ के साथ कुशलतापूर्वक प्रतिक्रिया करने के लिए एक इलेक्ट्रॉन-समृद्ध एरोमैटिक वलय की आवश्यकता होती है।
नाइट्रोबेंजीन और एसिटोफेनोन में इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह ($-NO_2$ और $-COCH_3$) होते हैं,जो बेंजीन वलय को इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के प्रति निष्क्रिय कर देते हैं।
बेंजीन मध्यम रूप से प्रतिक्रियाशील है।
टोल्यूनि में एक मिथाइल समूह $(-CH_3)$ होता है,जो $+I$ प्रभाव और हाइपरकंजुगेशन के कारण इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है।
यह बेंजीन वलय के इलेक्ट्रॉन घनत्व को बढ़ाता है,जिससे यह दिए गए विकल्पों में इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के प्रति सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील हो जाता है।

(C) टॉलूईन में मिथाइल समूह $(-CH_3)$ प्रेरणिक प्रभाव और अतिसंयुग्मन द्वारा इलेक्ट्रॉन-दाता समूह के रूप में कार्य करता है।
यह एक ऑर्थो- और पैरा- निर्देशक समूह है।
इसलिए,$25^{\circ} C$ पर सांद्र $HNO_3$ और $H_2SO_4$ के मिश्रण के साथ टॉलूईन का नाइट्रीकरण करने पर मुख्य उत्पाद के रूप में $o-$नाइट्रोटॉलूईन और $p-$नाइट्रोटॉलूईन का मिश्रण प्राप्त होता है,जबकि $m-$नाइट्रोटॉलूईन बहुत कम मात्रा में बनता है।
अतः,अभिक्रिया मुख्य रूप से $o-$नाइट्रोटॉलूईन और $p-$नाइट्रोटॉलूईन उत्पन्न करती है।

(A) हेक्साड्यूटेरियोबेंजीन $(C_6D_6)$ की $Fe$ की उपस्थिति में $Br_2$ के साथ अभिक्रिया एक इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है।
चूंकि $1 \ mole$ $Br_2$ का उपयोग किया जाता है,इसलिए एक ड्यूटेरियम परमाणु को एक ब्रोमीन परमाणु द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है जिससे ब्रोमोपेंटाड्यूटेरियोबेंजीन $(C_6D_5Br)$ बनता है।
$H_2O$ का योग अकार्बनिक लवणों को हटाने या अभिक्रिया को रोकने के लिए एक मानक कार्यविधि है।
अतः,मुख्य उत्पाद ब्रोमोपेंटाड्यूटेरियोबेंजीन है।

(B) $1,4-$डाइमिथाइल बेंजीन ($p-$जाइलीन) की निर्जल $AlCl_{3}$ और $HCl$ के साथ अभिक्रिया समावयवीकरण (isomerization) अभिक्रिया का एक उदाहरण है।
इन अम्लीय परिस्थितियों में,मिथाइल समूह अधिक ऊष्मागतिक रूप से स्थिर समावयवी बनाने के लिए पुनर्व्यवस्थित होते हैं।
$1,3-$डाइमिथाइल बेंजीन ($m-$जाइलीन),$1,4-$डाइमिथाइल बेंजीन ($p-$जाइलीन) की तुलना में अधिक स्थिर होता है क्योंकि मेटा-प्रतिस्थापित उत्पाद में त्रिविम बाधा (steric hindrance) कम होती है।
अतः,यह अभिक्रिया $1,3-$डाइमिथाइल बेंजीन उत्पन्न करती है।

(D) एरोमैटिक यौगिकों का न्यूक्लियर आयोडिनेशन एक उत्क्रमणीय इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है।
$I_{2}$ एक दुर्बल इलेक्ट्रोफाइल है और अभिक्रिया में उप-उत्पाद के रूप में $HI$ उत्पन्न होता है,जो एक प्रबल अपचायक है और यह आयोडिनेटेड उत्पाद को वापस शुरुआती पदार्थ में अपचयित कर सकता है।
अभिक्रिया को आगे बढ़ाने के लिए,$HI$ को $I_{2}$ में ऑक्सीकृत करने के लिए $HNO_{3}$ जैसे ऑक्सीकरण एजेंट का उपयोग किया जाता है,जिससे उत्क्रमणीय अभिक्रिया रुक जाती है।
$2HI + 2HNO_{3} \rightarrow I_{2} + 2NO_{2} + 2H_{2}O$.
अतः,इस उद्देश्य के लिए $I_{2} / HNO_{3}$ सबसे अच्छा अभिकर्मक है।

(B) $1$-ब्यूटाइल-$4$-नाइट्रोबेंजीन का संश्लेषण निम्नलिखित चरणों द्वारा होता है:
$1$. $AlCl_3$ की उपस्थिति में ब्यूटेनॉयल क्लोराइड $(CH_3CH_2CH_2COCl)$ के साथ बेंजीन का फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन करने पर $1$-फिनाइल ब्यूटेन-$1$-ओन प्राप्त होता है।
$2$. $Zn/Hg$ और $HCl$ के साथ गर्म करके कीटोन का क्लीमेंसन अपचयन करने पर कार्बोनिल समूह का मिथाइलीन समूह में अपचयन हो जाता है,जिससे ब्यूटाइल बेंजीन प्राप्त होता है।
$3$. सांद्र $HNO_3$ और $H_2SO_4$ के मिश्रण का उपयोग करके ब्यूटाइल बेंजीन का नाइट्रीकरण करने पर नाइट्रो समूह पैरा स्थिति पर जुड़ जाता है क्योंकि एल्काइल समूह एक ऑर्थो/पैरा-निर्देशक समूह है।

(B) निर्जल $AlCl_{3}$ की उपस्थिति में बेंजीन की $Me_{3}CCOCl$ (पिवलोइल क्लोराइड) के साथ अभिक्रिया एक फ्रिडेल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन अभिक्रिया है।
हालाँकि,क्योंकि एसाइल समूह भारी ($tert$-ब्यूटाइल समूह) है,इसलिए मध्यवर्ती एसाइलियम आयन अत्यधिक बाधित होता है।
इन स्थितियों में,अभिक्रिया अक्सर डिकार्बोनाइलेशन के साथ आगे बढ़ती है,जिससे मुख्य उत्पाद के रूप में $tert$-ब्यूटाइल बेंजीन $(Ph-CMe_{3})$ प्राप्त होता है।
अभिक्रिया इस प्रकार होती है:
$C_{6}H_{6} + Me_{3}CCOCl \xrightarrow{Anhy. AlCl_{3}} C_{6}H_{5}COCMe_{3} + HCl$
$C_{6}H_{5}COCMe_{3} \xrightarrow{-CO} C_{6}H_{5}CMe_{3}$

(C) नाइट्रीकरण एक इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है। अभिक्रिया की दर बेंजीन वलय के इलेक्ट्रॉन घनत्व पर निर्भर करती है। उच्च इलेक्ट्रॉन घनत्व तेजी से नाइट्रीकरण की ओर ले जाता है।
$(I)$ टोल्यूनि में एक मिथाइल समूह $(-CH_3)$ है जो प्रेरक प्रभाव $(+I)$ और अतिसंयुग्मन (hyperconjugation) द्वारा इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है।
$(II)$ $m$-जाइलीन में दो मिथाइल समूह हैं। इलेक्ट्रॉन घनत्व दो मिथाइल समूहों द्वारा बढ़ता है।
$(III)$ $p$-जाइलीन में दो मिथाइल समूह हैं। $m$-जाइलीन की तरह,इसमें भी दो इलेक्ट्रॉन-दाता समूह हैं।
$m$-जाइलीन और $p$-जाइलीन की तुलना: $p$-जाइलीन में,दो मिथाइल समूह पैरा स्थितियों पर होते हैं,जो $m$-जाइलीन की तुलना में मध्यवर्ती एरेनियम आयन का अधिक प्रभावी स्थिरीकरण प्रदान करते हैं।
अतः,अभिक्रियाशीलता का क्रम $p$-जाइलीन $(III)$ > $m$-जाइलीन $(II)$ > टोल्यूनि $(I)$ है।

(D) $-NO_{2}$ समूह अपने $-I$ और $-M$ प्रभावों के कारण एक प्रबल इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह है।
$1$. यह बेंजीन वलय के इलेक्ट्रॉन घनत्व को कम करता है,जिससे यह इलेक्ट्रॉनरागी प्रतिस्थापन अभिक्रिया के प्रति निष्क्रिय हो जाता है (कथन $B$ सही है)।
$2$. यह $-M$ प्रभाव के माध्यम से मध्यवर्ती कार्बोनियन (मीसेनहाइमर कॉम्प्लेक्स) को स्थिर करके नाभिकरागी हमले के प्रति वलय की संवेदनशीलता को बढ़ाता है,जिससे यह नाभिकरागी प्रतिस्थापन के प्रति सक्रिय हो जाता है (कथन $C$ सही है)।
अतः,कथन $B$ और $C$ सही हैं।

(A) अभिक्रिया श्रृंखला में आमतौर पर बेंजीन रिंग पर एक अल्काइल साइड चेन का ऑक्सीकरण शामिल होता है। जब एक अल्काइल समूह (जैसे एथिल या प्रोपाइल समूह) बेंजीन रिंग से जुड़ा होता है,तो क्षारीय $KMnO_4$ जैसे मजबूत ऑक्सीकरण एजेंटों के साथ उपचार और उसके बाद अम्लीकरण करने पर बेंजिलिक कार्बन का कार्बोक्सिलिक एसिड समूह $(-COOH)$ में ऑक्सीकरण हो जाता है। साइड चेन का शेष भाग अलग हो जाता है। इसलिए,मुख्य उत्पाद $P$ एक बेंजोइक एसिड व्युत्पन्न है।

(B) $n$-प्रोपाइल क्लोराइड के साथ बेंजीन का फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन $iso$-प्रोपाइल बेंजीन को मुख्य उत्पाद के रूप में देता है क्योंकि $n$-प्रोपाइल कार्बोकेशन अधिक स्थिर $iso$-प्रोपाइल कार्बोकेशन बनाने के लिए पुनर्विन्यास (rearrangement) करता है: $CH_3CH_2CH_2^+ \rightarrow CH_3CH^+CH_3$.
अतः,कथन $B$ सही है।
इसके अलावा,बेंजीन का एल्काइलेशन वलय पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को बढ़ाता है,जिससे यह आगे के इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के प्रति अधिक सक्रिय हो जाता है,इसलिए बहु-प्रतिस्थापन एक सामान्य उप-उत्पाद है। अतः,कथन $C$ भी सही है।

(C) एक स्पीशीज एरोमैटिक होती है यदि वह चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित (conjugated) हो और हकल के नियम $(4n+2) \pi$ इलेक्ट्रॉनों का पालन करती हो।
$1$. $p$-बेंजोक्विनोन: नॉन-एरोमैटिक ($sp^3$ संकरण वाले कार्बोनिल कार्बन)।
$2$. साइक्लोहेप्टाट्रायेनिल धनायन: एरोमैटिक ($6\pi$ इलेक्ट्रॉन,चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित)।
$3$. फिनान्थ्रीन: एरोमैटिक ($14\pi$ इलेक्ट्रॉन,चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित)।
$4$. $1,4$-साइक्लोहेक्साडाईन: नॉन-एरोमैटिक ($sp^3$ संकरण वाले कार्बन)।
$5$. साइक्लोब्यूटाडाईन द्विधनायन: एरोमैटिक ($2\pi$ इलेक्ट्रॉन,चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित)।
$6$. साइक्लोहेक्साडाईनिल ऋणायन: नॉन-एरोमैटिक ($sp^3$ संकरण वाला कार्बन)।
अतः,एरोमैटिक स्पीशीज हैं: साइक्लोहेप्टाट्रायेनिल धनायन,फिनान्थ्रीन और साइक्लोब्यूटाडाईन द्विधनायन।
कुल संख्या = $3$.

(B) $1$. पहली अभिक्रिया में,बेंजीन निर्जल $AlCl_3$ (एक लुईस अम्ल) की उपस्थिति में अंधेरे और ठंडी स्थितियों में $6Cl_2$ के साथ अभिक्रिया करता है। यह एक इलेक्ट्रॉनस्नेही प्रतिस्थापन अभिक्रिया है जहाँ बेंजीन के सभी हाइड्रोजन परमाणु क्लोरीन परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित हो जाते हैं,जिसके परिणामस्वरूप हेक्साक्लोरोबेंजीन $(C_6Cl_6)$ बनता है। अतः,$X$ में $6$ क्लोरीन परमाणु होते हैं।
$2$. दूसरी अभिक्रिया में,बेंजीन $500 \text{ K}$ पर $UV$ प्रकाश की उपस्थिति में $3Cl_2$ के साथ अभिक्रिया करता है। यह एक मुक्त मूलक योगात्मक अभिक्रिया है। बेंजीन योगात्मक अभिक्रिया करके बेंजीन हेक्साक्लोराइड $(C_6H_6Cl_6)$ बनाता है,जिसमें $6$ क्लोरीन परमाणु होते हैं। अतः,$Y$ में $6$ क्लोरीन परमाणु होते हैं।
$3$. इसलिए,$X$ और $Y$ में क्लोरीन परमाणुओं की संख्या क्रमशः $6$ और $6$ है।