Aromatic hydrocarbon Questions in Hindi

(A) बेंजाइल रेडिकल $(C_6H_5CH_2^{\bullet})$ में एक बेंजीन रिंग से जुड़ा $CH_2^{\bullet}$ समूह होता है।
बेंजीन रिंग में $6$ कार्बन परमाणु होते हैं,जिनमें से प्रत्येक विस्थानीकृत $\pi$-सिस्टम में एक $p$-ऑर्बिटल का योगदान देता है,जिसमें $6 \pi$-इलेक्ट्रॉन होते हैं।
बाहरी कार्बन परमाणु $(CH_2^{\bullet})$ $sp^2$ संकरित होता है और इसमें एक $p$-ऑर्बिटल होता है जिसमें एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होता है।
इसलिए,संयुग्मन (conjugation) में शामिल $p$-ऑर्बिटल्स की कुल संख्या $6 + 1 = 7$ है।
इन $p$-ऑर्बिटल्स में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या $6$ (रिंग से) $+ 1$ (अयुग्मित इलेक्ट्रॉन) $= 7$ है।

(B) प्रतिस्थापी की निष्क्रिय करने की शक्ति उसके प्रेरणिक $(-I)$ और मेसोमेरिक $(-M)$ प्रभावों के माध्यम से इलेक्ट्रॉन खींचने की क्षमता पर निर्भर करती है।
दिए गए समूहों में,$-NO_2$ समूह अपने प्रबल $-I$ प्रभाव और प्रबल $-M$ प्रभाव के कारण सबसे अधिक इलेक्ट्रॉन-आकर्षक प्रभाव डालता है,जो इसे इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन के लिए सबसे अधिक निष्क्रिय बनाता है।

(C) $-CH_3$,$-OH$ जैसे इलेक्ट्रॉन-मुक्त करने वाले समूह की उपस्थिति $o/p$ स्थिति पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को बढ़ाती है और इस प्रकार बेंजीन रिंग को इलेक्ट्रोफाइल के प्रति अधिक प्रतिक्रियाशील बनाती है।
दूसरी ओर,$-COOH$,$-NO_2$ जैसे इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह बेंजीन रिंग के इलेक्ट्रॉन घनत्व को कम करते हैं,जिससे इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के प्रति इसकी प्रतिक्रियाशीलता कम हो जाती है।
दिए गए यौगिकों की तुलना करने पर:
$1$. $-NO_2$ (नाइट्रोबेंजीन में) एक मजबूत इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह है।
$2$. $-COOH$ (बेंजोइक एसिड में) एक इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह है।
$3$. $-H$ (बेंजीन में) संदर्भ है।
$4$. $-CH_3$ (टोल्यूनि में) $+I$ प्रभाव और हाइपरकंजुगेशन के कारण इलेक्ट्रॉन-मुक्त करने वाला समूह है।
इसलिए,इलेक्ट्रोफिलिक नाइट्रीकरण के प्रति प्रतिक्रियाशीलता का क्रम: $\text{nitrobenzene} < \text{benzoic acid} < \text{benzene} < \text{toluene}$ है।
अतः,टोल्यूनि सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील है।

(C) इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन के प्रति अभिक्रियाशीलता बेंजीन वलय के इलेक्ट्रॉन घनत्व पर निर्भर करती है।
$1$. फिनोल $(C_6H_5OH)$ में $-OH$ समूह होता है,जो अपने प्रबल $+M$ प्रभाव के कारण एक सक्रियकारी समूह है,जिससे यह सबसे अधिक अभिक्रियाशील हो जाता है।
$2$. टोल्यूनि $(C_6H_5CH_3)$ में $-CH_3$ समूह होता है,जो $+I$ प्रभाव और अतिसंयुग्मन (hyperconjugation) के कारण सक्रियकारी है,जिससे यह बेंजीन से अधिक अभिक्रियाशील होता है।
$3$. बेंजीन $(C_6H_6)$ एक संदर्भ यौगिक है।
$4$. क्लोरोबेंजीन $(C_6H_5Cl)$ में $-Cl$ समूह होता है,जो अपने प्रबल $-I$ प्रभाव के कारण निष्क्रियकारी है। इसलिए,यह बेंजीन से कम अभिक्रियाशील होता है।
अतः,घटती अभिक्रियाशीलता का सही क्रम: $(iv) > (ii) > (i) > (iii)$ है।

(D) पायरोल में,नाइट्रोजन परमाणु पर मौजूद एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म (lone pair) एरोमैटिक षट्क (sextet) में भाग लेता है। अनुनाद प्रभाव के कारण,इलेक्ट्रॉन घनत्व वलय में विस्थानीकृत (delocalized) हो जाता है। जब कोई इलेक्ट्रॉनरागी (electrophile) आक्रमण करता है,तो मध्यवर्ती कार्बधनायन (सिग्मा संकुल) तब अधिक स्थिर होता है जब इलेक्ट्रॉनरागी $C_{2}$ या $C_{5}$ स्थितियों पर आक्रमण करता है क्योंकि धनात्मक आवेश को नाइट्रोजन परमाणु सहित अधिक परमाणुओं पर विस्थानीकृत किया जा सकता है। इसलिए,इलेक्ट्रॉन घनत्व $C_{2}$ और $C_{5}$ स्थितियों पर अधिकतम होता है।

(C) यह अभिक्रिया $HF$ से प्रोटॉन $(H^+)$ के साइक्लोहेक्सीन पर इलेक्ट्रॉनस्नेही योग द्वारा साइक्लोहेक्सिल कार्बधनायन बनाने से शुरू होती है।
यह कार्बधनायन फिर एक इलेक्ट्रॉनस्नेही के रूप में कार्य करता है और बेन्जीन के साथ इलेक्ट्रॉनस्नेही प्रतिस्थापन अभिक्रिया $(ESR)$ करके साइक्लोहेक्सिलबेन्जीन बनाता है।
अतः,उत्पाद $P$ साइक्लोहेक्सिलबेन्जीन है।

(D) हाइड्रोजनीकरण की एन्थैल्पी एल्कीन/डाईन प्रणाली की स्थिरता के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
$(I)$ एक एरोमैटिक यौगिक (मेसिटिलीन) है,जो अपनी अनुनाद ऊर्जा के कारण अत्यधिक स्थिर है।
$(II)$ एक संयुग्मित डाईन प्रणाली है,जो एरोमैटिक प्रणाली से कम स्थिर है लेकिन पृथक एक्सोसाइक्लिक द्वि-बंधों से अधिक स्थिर है।
$(III)$ में तीन पृथक एक्सोसाइक्लिक द्वि-बंध हैं,जो तीनों में सबसे कम स्थिर हैं।
स्थिरता का क्रम: $I > II > III$ है।
चूंकि हाइड्रोजनीकरण की एन्थैल्पी स्थिरता के व्युत्क्रमानुपाती होती है,इसलिए हाइड्रोजनीकरण की एन्थैल्पी का क्रम $III > II > I$ है।

(C) $-CH_3$ समूह एक $o, p$-निर्देशक समूह है। $m$-जाइलीन ($1,3$-डाइमिथाइल बेंजीन) में,इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के लिए उपलब्ध स्थान $2, 4, 5$ और $6$ हैं।
$1$. दो $-CH_3$ समूहों के बीच का स्थान ($2$-स्थान) त्रिविम बाधा (steric hindrance) के कारण प्रतिस्थापन के लिए कठिन है।
$2$. $4$ और $6$ स्थान समान हैं और वे एक $-CH_3$ समूह के सापेक्ष ऑर्थो और दूसरे के सापेक्ष पैरा स्थिति पर हैं,जो उन्हें प्रतिस्थापन के लिए सबसे अनुकूल बनाता है।
इसलिए,मुख्य उत्पाद $4$-ब्रोमो-$1,3$-डाइमिथाइल बेंजीन और $6$-ब्रोमो-$1,3$-डाइमिथाइल बेंजीन हैं।

(D) जो अणु हकल के नियम या $(4n+2) \pi$-इलेक्ट्रॉन नियम का पालन नहीं करते हैं,उन्हें नॉन-एरोमैटिक या एंटी-एरोमैटिक कहा जाता है।
$1$. बेंजीन,नेफ़थलीन और थायोफीन एरोमैटिक हैं क्योंकि वे चक्रीय,समतलीय,पूर्ण संयुग्मित हैं और $(4n+2) \pi$-इलेक्ट्रॉन नियम का पालन करते हैं।
$2$. साइक्लोपेंटाडाईन (विकल्प $d$) में वलय में एक $sp^3$ संकरित कार्बन परमाणु होता है,जो निरंतर संयुग्मन को तोड़ता है। इसलिए,यह नॉन-एरोमैटिक है।

(D) निर्जल $AlCl_3$ की उपस्थिति में बेंजीन की $CH_3Cl$ के साथ अभिक्रिया को फ्रिडेल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन के रूप में जाना जाता है।
इस अभिक्रिया में,मिथाइल समूह $(-CH_3)$ बेंजीन रिंग पर एक हाइड्रोजन परमाणु को प्रतिस्थापित करता है और टोल्यूनि $(C_6H_5CH_3)$ बनाता है।
रासायनिक समीकरण है: $C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{Anhy. AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$.

(A) जब बेंजीन का $773 \ K$ तापमान पर $V_2O_5$ की उपस्थिति में वायु द्वारा ऑक्सीकरण किया जाता है,तो यह उत्प्रेरकीय ऑक्सीकरण से गुजरकर मेलिक एसिड बनाता है,जो बाद में पानी का एक अणु खोकर मेलिक एनहाइड्राइड बनाता है।
अभिक्रिया इस प्रकार है:
$C_6H_6 + \frac{9}{2} O_2$ $\xrightarrow{V_2O_5, 773 \ K} \text{मेलिक एसिड}$ $\xrightarrow{\Delta, -H_2O} \text{मेलिक एनहाइड्राइड}$

(B) ब्रोंस्टेड-लॉरी सिद्धांत के अनुसार,अम्ल एक प्रोटॉन दाता है और क्षार एक प्रोटॉन स्वीकर्ता है।
नाइट्रेशन मिश्रण में,सांद्र $H_2SO_4$ एक प्रबल अम्ल के रूप में कार्य करता है और $HNO_3$ को एक प्रोटॉन दान करता है।
अभिक्रिया इस प्रकार है: $HNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2NO_3^+ + HSO_4^-$.
यहाँ,$HNO_3$ ने $H_2SO_4$ से प्रोटॉन स्वीकार किया है,इसलिए $HNO_3$ एक क्षार के रूप में कार्य करता है।
इसके बाद,$H_2NO_3^+$ विघटित होकर इलेक्ट्रोफाइल $NO_2^+$ बनाता है: $H_2NO_3^+ \rightarrow NO_2^+ + H_2O$.

(D) एरोमैटिक यौगिकों को हकल के नियम ($4n+2$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन) का पालन करना चाहिए,समतलीय और चक्रीय होना चाहिए।
$Pyrrole$,$Thiophene$ और $Furan$ सभी $6$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन $(n=1)$ वाले पांच-सदस्यीय हेट्रोसायक्लिक एरोमैटिक यौगिक हैं।
$Pyran$ $(C_5H_6O)$ की वलय में एक $sp^3$ संकरित कार्बन परमाणु होता है,जो एरोमैटिकता के लिए आवश्यक निरंतर संयुग्मन (conjugation) को तोड़ता है।
इसलिए,$Pyran$ नॉन-एरोमैटिक है।

(B) एक यौगिक एंटी-एरोमैटिक होता है यदि वह चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित हो और उसमें $4n$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन $(n = 1, 2, ...)$ हों।
$A$. पायरोल धनायन: इसमें $4$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन हैं,लेकिन नाइट्रोजन पर $sp^3$ संकरण के कारण यह समतलीय नहीं है।
$B$. साइक्लोब्यूटाडाईन: यह चक्रीय,समतलीय,पूर्णतः संयुग्मित है और इसमें $4$ $\pi$-इलेक्ट्रॉन ($4n$ जहाँ $n=1$) हैं। अतः,यह एंटी-एरोमैटिक है।
$C$. साइक्लोपेंटाडाईन: इसमें $sp^3$ संकरण वाले कार्बन परमाणु के कारण यह पूर्णतः संयुग्मित नहीं है। अतः,यह नॉन-एरोमैटिक है।
$D$. साइक्लोऑक्टाटेट्राईन: एंटी-एरोमैटिकता से बचने के लिए यह नॉन-प्लेनर (टब के आकार का) होता है। अतः,यह नॉन-एरोमैटिक है।
इसलिए,सही उत्तर $B$ है।

(D) $HCl$ और $AlCl_3$ की उपस्थिति में बेन्जीन $(C_6H_6)$ की एथीन $(CH_2=CH_2)$ के साथ अभिक्रिया एक फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन अभिक्रिया है।
सबसे पहले,$CH_2=CH_2$,$AlCl_3$ की उपस्थिति में $HCl$ के साथ अभिक्रिया करके एथिल कार्बोकेशन $(CH_3CH_2^+)$ बनाता है जो एक इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य करता है।
यह इलेक्ट्रोफाइल फिर बेन्जीन वलय पर आक्रमण करके एथिलबेन्जीन $(C_6H_5CH_2CH_3)$ बनाता है।
अतः,सही उत्पाद एथिलबेन्जीन है।

(C) फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन एक इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है। यह उन बेंजीन वलयों में आसानी से होती है जो इलेक्ट्रॉन-दाता समूहों (EDGs) द्वारा सक्रिय होते हैं।
$(i)$ $p$-नाइट्रोटोल्यूइन: $-NO_2$ समूह एक प्रबल इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह $(EWG)$ है,जो वलय को निष्क्रिय करता है।
$(ii)$ एथिलबेंजीन: $-CH_2CH_3$ समूह एक इलेक्ट्रॉन-दाता समूह (एल्काइल समूह) है,जो वलय को सक्रिय करता है।
$(iii)$ बेंजोइक एसिड: $-COOH$ समूह एक प्रबल इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह $(EWG)$ है,जो वलय को निष्क्रिय करता है।
$(iv)$ फिनोल: $-OH$ समूह एक प्रबल इलेक्ट्रॉन-दाता समूह $(EDG)$ है,जो वलय को सक्रिय करता है।
अतः,यौगिक $(ii)$ और $(iv)$ फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन अभिक्रिया देंगे।

(C) यह अभिक्रिया $AlCl_3$ लुईस अम्ल उत्प्रेरक की उपस्थिति में $Br_2$ के साथ एक पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन के इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन को दर्शाती है।
$1$. $AlCl_3$ लुईस अम्ल के रूप में कार्य करके $Br_2$ से इलेक्ट्रोफाइल $Br^+$ उत्पन्न करता है।
$2$. इलेक्ट्रोफाइल $Br^+$ एरोमैटिक वलय के सबसे अधिक इलेक्ट्रॉन-समृद्ध स्थान पर आक्रमण करता है।
$3$. दी गई संरचना में,एरोमैटिक वलय इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के लिए सक्रिय होते हैं। आमतौर पर,एल्काइल समूह के पैरा स्थान पर प्रतिस्थापन को प्राथमिकता दी जाती है।
$4$. विकल्पों की तुलना करने पर,विकल्प $C$ सबसे उपयुक्त उत्पाद को दर्शाता है।

(B) इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन की अभिक्रियाशीलता बेंजीन वलय के इलेक्ट्रॉन घनत्व पर निर्भर करती है।
जो समूह इंडक्टिव $(+I)$ या हाइपरकंजुगेशन प्रभावों के माध्यम से इलेक्ट्रॉन दान करते हैं,वे वलय को सक्रिय करते हैं,जबकि इलेक्ट्रॉन-आकर्षित करने वाले समूह इसे निष्क्रिय करते हैं।
$II$ (टोल्यूनि) में $-CH_3$ समूह होता है,जो $+I$ और हाइपरकंजुगेशन के माध्यम से वलय को सक्रिय करता है।
$III$ (एथिलबेंजीन) में $-CH_2CH_3$ समूह होता है,जो भी $+I$ और हाइपरकंजुगेशन के माध्यम से वलय को सक्रिय करता है,लेकिन टोल्यूनि का $-CH_3$ समूह थोड़ा अधिक सक्रिय होता है।
$IV$ (बेंजीन) में कोई प्रतिस्थापी नहीं है।
$I$ (फेनिल बेंजोएट) में $-COOC_6H_5$ समूह है,जो एक इलेक्ट्रॉन-आकर्षित करने वाला समूह ($-I$ और $-M$ प्रभाव) है,जो वलय को काफी निष्क्रिय कर देता है।
अतः,अभिक्रियाशीलता का क्रम $II > III > IV > I$ है।

(B) Friedel-Crafts एल्काइलेशन की कई सीमाएँ हैं:
$1$. एनिलीन लुईस एसिड $(AlCl_3)$ के साथ एक कॉम्प्लेक्स बनाता है,जो रिंग को निष्क्रिय कर देता है,जिससे Friedel-Crafts एल्काइलेशन संभव नहीं हो पाता है।
$2$. पॉलीएल्काइलेशन एक बड़ी कमी है क्योंकि पेश किया गया एल्काइल समूह इलेक्ट्रॉन-दाता होता है,जो रिंग को आगे के प्रतिस्थापन के लिए सक्रिय करता है।
$3$. $AlCl_3$ जैसे मजबूत लुईस एसिड की उपस्थिति में प्राथमिक एल्काइल हैलाइड्स का उपयोग करते समय कार्बोनियम आयन पुनर्विन्यास होता है।
$4$. नाइट्रोबेंजीन एक मजबूत निष्क्रिय समूह है और इसका उपयोग Friedel-Crafts अभिक्रियाओं में विलायक के रूप में किया जाता है क्योंकि यह लुईस एसिड उत्प्रेरक के साथ अभिक्रिया नहीं करता है।
इसलिए,यह कथन कि 'पॉलीएल्काइलेशन संभव नहीं है' गलत है।

(D) प्रत्येक अभिक्रिया का विश्लेषण करते हैं:
$(A)$ $3Me-C \equiv CH \xrightarrow[Fe \ tube]{Red \ hot} 1,3,5-trimethylbenzene$ (एरोमैटिक).
$(B)$ $n-Hexane \xrightarrow[Cr_2O_3/\Delta]{Al_2O_3} \text{Benzene}$ (एरोमैटिक).
$(C)$ Cyclopentadiene $\xrightarrow{CHCl_3/KOH} \text{Chlorobenzene}$ (एरोमैटिक).
$(D)$ Hexachlorocyclohexane $\xrightarrow{Alc. KOH} 1,2,4-trichlorobenzene$ (एरोमैटिक). ये सभी अभिक्रियाएं एरोमैटिक उत्पाद देती हैं।

(D) प्रत्येक विकल्प का विश्लेषण करते हैं:
$A$. $-CCl_3$ तीन क्लोरीन परमाणुओं के प्रबल $-I$ प्रभाव के कारण एक प्रबल निष्क्रियकारी समूह है।
$B$. $-CH_3-COO^-$ (एसीटेट आयन) एक सक्रियकारी समूह है क्योंकि ऋण आवेश वाला ऑक्सीजन परमाणु $+M$ प्रभाव के माध्यम से वलय में इलेक्ट्रॉन घनत्व दान कर सकता है।
$C$. $-CH_3$ (मिथाइल समूह) एक सक्रियकारी समूह है क्योंकि यह $+I$ प्रभाव और अतिसंयुग्मन (hyperconjugation) के माध्यम से बेंजीन वलय को इलेक्ट्रॉन घनत्व देता है।
$D$. $-OH_2^+$ एक प्रबल निष्क्रियकारी समूह है। यद्यपि इसमें एक ऑक्सीजन परमाणु है,लेकिन इस पर धनात्मक आवेश होता है,जो इसे $-I$ और $-M$ दोनों प्रभावों के माध्यम से एक प्रबल इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह बनाता है। इस प्रकार,यह वलय को निष्क्रिय करता है।
अतः,विकल्प $D$ सही कथन है।

(B) यह अभिक्रिया $1$-methyl-$4$-isopropylbenzene ($p$-cymene) का फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन है।
$p$-cymene में दो एल्काइल समूह हैं: एक मिथाइल समूह $(-CH_3)$ और एक आइसोप्रोपिल समूह $(-CH(CH_3)_2)$।
दोनों समूह ऑर्थो/पैरा निर्देशक हैं।
मिथाइल समूह में $3 \alpha$-हाइड्रोजन होते हैं,जबकि आइसोप्रोपिल समूह में केवल $1 \alpha$-हाइड्रोजन होता है।
हाइपरकंजुगेशन के कारण मिथाइल समूह,आइसोप्रोपिल समूह की तुलना में अधिक सक्रिय होता है।
इसलिए,आने वाला एसाइल समूह $(-COCH_3)$ अधिक सक्रिय मिथाइल समूह द्वारा निर्देशित होगा।
मिथाइल समूह के ऑर्थो स्थिति,आइसोप्रोपिल समूह के भी ऑर्थो है,लेकिन बड़े आइसोप्रोपिल समूह के कारण त्रिविम बाधा (steric hindrance) के कारण मिथाइल की ऑर्थो स्थिति (और आइसोप्रोपिल की मेटा स्थिति) अधिक अनुकूल है।
अतः,मुख्य उत्पाद $2$-acetyl-$1$-methyl-$4$-isopropylbenzene है,जो विकल्प $B$ के अनुरूप है।

(C) एक यौगिक एरोमैटिक होता है यदि वह हकल के नियम ($4n+2$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन) का पालन करता है,समतलीय (planar) है,और चक्रीय है।
$A$: साइक्लोपेंटाडाइनोन में वलय में $4$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन होते हैं (एंटी-एरोमैटिक)।
$B$: साइक्लोहेप्टाट्रायीन में एक $sp^3$ संकरित कार्बन परमाणु होता है,इसलिए यह समतलीय नहीं है और एरोमैटिक नहीं है।
$C$: $2-$अमीनोपिरिडिन$-4-$ओन,$2$-अमीनो$-4-$हाइड्रॉक्सीपिरिडिन का एक टॉटोमर है। वलय समतलीय है,पूर्णतः संयुग्मित (conjugated) है और इसमें $6$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन ($4$ द्वि-आबंध से + $2$ वलय में नाइट्रोजन पर स्थित लोन पेयर से) हैं,जो हकल के नियम $(n=1)$ को संतुष्ट करते हैं। अतः,यह एरोमैटिक है।
$D$: दिखाई गई संरचना $sp^3$ संकरित नाइट्रोजन की उपस्थिति और निरंतर संयुग्मन की कमी के कारण एरोमैटिक नहीं है।

(C) जब एसीटोन $(CH_3COCH_3)$ को सांद्र $H_2SO_4$ के साथ आसवित किया जाता है,तो एसीटोन के तीन अणु संघनन अभिक्रिया द्वारा मेसिटिलीन ($1, 3, 5-$ट्राईमिथाइल बेंजीन) बनाते हैं।
$3 CH_3COCH_3 \xrightarrow{\text{Conc. } H_2SO_4, \Delta} C_6H_3(CH_3)_3 + 3 H_2O$.

(A) सोडियम बेंजोएट $(C_6H_5COONa)$ को जब सोडालाइम $(NaOH + CaO)$ के साथ गर्म किया जाता है,तो इसका विकार्बोक्सिलीकरण (decarboxylation) होता है।
अभिक्रिया इस प्रकार है:
$C_6H_5COONa + NaOH \xrightarrow{CaO, \Delta} C_6H_6 + Na_2CO_3$.
अतः,प्राप्त उत्पाद बेंजीन है।

(B) $1$. आइए दिए गए यौगिकों की संरचनाओं का विश्लेषण करें:
$2$. $Mesitylene$ का अर्थ $1,3,5-trimethylbenzene$ है। इसकी संरचना में बेंजीन रिंग के साथ $1, 3,$ और $5$ स्थितियों पर तीन मिथाइल समूह जुड़े होते हैं।
$3$. $Mesitylene$ $(C_9H_{12})$ में:
- $3$ प्राथमिक कार्बन परमाणु हैं (रिंग से जुड़े $3$ मिथाइल समूह)।
- $3$ द्वितीयक कार्बन परमाणु हैं (बेंजीन रिंग में मौजूद $3$ $CH$ समूह)।
- $3$ तृतीयक कार्बन परमाणु हैं (रिंग में मौजूद $3$ $C$ परमाणु जो मिथाइल समूहों से जुड़े हैं)।
$4$. चूंकि प्राथमिक,द्वितीयक और तृतीयक कार्बन परमाणुओं की संख्या समान ($3$ प्रत्येक) है,इसलिए $Mesitylene$ सही उत्तर है।

(C) दी गई स्पीशीज साइक्लोपेंटाडाइनाइल एनायन $(C_5H_5^-)$ है।
इसमें दो द्वि-आबंध हैं,जो $2 \times 2 = 4$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन प्रदान करते हैं।
कार्बन परमाणु पर मौजूद ऋण आवेश संयुग्मित तंत्र का हिस्सा है,जो अतिरिक्त $2$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है।
कुल $\pi$ इलेक्ट्रॉन = $4 + 2 = 6$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन।
यह स्पीशीज हकल के नियम ($4n + 2$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन,जहाँ $n=1$) का पालन करती है और यह एरोमैटिक है।

(C) नेफ़थलीन दो जुड़ी हुई बेंजीन वलयों से बना होता है।
प्रत्येक बेंजीन वलय में $3$ द्वि-आबंध होते हैं,जो $6$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन प्रदान करते हैं।
हालाँकि,केंद्रीय आबंध दोनों वलयों के बीच साझा होता है।
नेफ़थलीन की संरचना में कुल $5$ द्वि-आबंध होते हैं।
चूंकि प्रत्येक द्वि-आबंध $2$ $\pi$ इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है,इसलिए $\pi$ इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या $5 \times 2 = 10$ है।

(C) बेंजीन $(C_6H_6)$ एक रंगहीन तरल है जिसमें एक विशिष्ट सुगंधित गंध होती है और यह अत्यधिक ज्वलनशील होता है।
हालाँकि बेंजीन में द्वि-आबंध होते हैं,लेकिन अपनी अनुनाद स्थिरता (एरोमैटिकता) के कारण यह सामान्य एल्केन्स की तरह आसानी से योगात्मक अभिक्रियाएँ नहीं देता है।
इसलिए,यह असंतृप्ति के विशिष्ट गुण (जैसे ब्रोमीन जल या बेयर अभिकर्मक का तेजी से रंगहीन होना) नहीं दिखाता है।
अतः,इसकी रासायनिक अभिक्रियाशीलता के संदर्भ में 'असंतृप्ति' को बेंजीन का विशिष्ट गुण नहीं माना जाता है।

(D) बेंजीन $(C_6H_6)$ $\pi$-इलेक्ट्रॉनों के विस्थानीकरण के कारण एक अत्यधिक स्थिर सुगंधित (aromatic) यौगिक है,जिसे अनुनाद (resonance) के रूप में जाना जाता है।
अनुनाद ऊर्जा बेंजीन वलय को अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करती है।
योगज अभिक्रियाओं में एरोमैटिक सेक्सटेट का टूटना और अनुनाद स्थिरता का नष्ट होना शामिल होगा,जो ऊर्जा की दृष्टि से प्रतिकूल है।
दूसरी ओर,प्रतिस्थापन अभिक्रियाएं बेंजीन वलय को अपनी एरोमैटिक प्रकृति और अनुनाद स्थिरता को बनाए रखने की अनुमति देती हैं,जिससे यह बेंजीन के लिए पसंदीदा मार्ग बन जाता है।

$(A)$ $\text{इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया बेंजीन वलय पर उपस्थित इलेक्ट्रॉन-दाता समूहों द्वारा सुगम होती है।}$
$\text{दिए गए यौगिकों में, फेनिल वलय } (\phi) \text{ से जुड़े एल्काइल समूह } +I \text{ प्रभाव और अतिसंयुग्मन (hyperconjugation) प्रदर्शित करते हैं।}$
$\text{जैसे-जैसे } \alpha\text{-हाइड्रोजन की संख्या बढ़ती है, अतिसंयुग्मन के माध्यम से इलेक्ट्रॉन देने की क्षमता बढ़ती है, जिससे वलय पर इलेक्ट्रॉन घनत्व बढ़ता है और इलेक्ट्रोफाइल के प्रति अभिक्रियाशीलता बढ़ती है।}$
$\alpha\text{-हाइड्रोजन की संख्या:}$
$I. \phi-CH_3$: $3 \ \alpha-H$
$II. \phi-CH_2-CH_3$: $2 \ \alpha-H$
$III. \phi-CH(CH_3)_2$: $1 \ \alpha-H$
$IV. \phi-C(CH_3)_3$: $0 \ \alpha-H$
$\text{अतः, अभिक्रियाशीलता का क्रम } I > II > III > IV \text{ है।}$

(D) बेंजीन का क्लोरोबेंजीन में परिवर्तन एक इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया है।
बेंजीन,निर्जल एल्युमिनियम क्लोराइड $(AlCl_3)$ या फेरिक क्लोराइड $(FeCl_3)$ जैसे लुईस एसिड उत्प्रेरक की उपस्थिति में ठंडी स्थितियों में क्लोरीन $(Cl_2)$ के साथ अभिक्रिया करके क्लोरोबेंजीन बनाता है।
इस अभिक्रिया को इलेक्ट्रोफिलिक क्लोरीनीकरण के रूप में जाना जाता है।
विकल्प $D$ इस परिवर्तन के लिए सही अभिकर्मक और स्थितियाँ प्रदान करता है।

(B) इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन (जैसे मोनोब्रोमिनेशन) के प्रति बेंजीन व्युत्पन्न की अभिक्रियाशीलता रिंग के इलेक्ट्रॉन घनत्व पर निर्भर करती है।
$1$. $C_6H_5CH_3$ (टोल्यूनि): $-CH_3$ समूह हाइपरकंजुगेशन और प्रेरक प्रभाव के माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन-दाता समूह $(EDG)$ है,जो रिंग को सक्रिय करता है।
$2$. $C_6H_6$ (बेंजीन): यह संदर्भ यौगिक है जिसमें कोई प्रतिस्थापी नहीं है।
$3$. $C_6H_5COOH$ (बेंजोइक एसिड): $-COOH$ समूह अनुनाद और प्रेरक प्रभाव के माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह $(EWG)$ है,जो रिंग को निष्क्रिय करता है।
$4$. $C_6H_5NO_2$ (नाइट्रोबेंजीन): $-NO_2$ समूह अनुनाद और प्रेरक प्रभाव के माध्यम से एक मजबूत इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह $(EWG)$ है,जो रिंग को अत्यधिक निष्क्रिय करता है।
अतः,घटती अभिक्रियाशीलता का सही क्रम $I > III > II > IV$ है।

(B) बेंजीन की सांद्र $HNO_3$ और सांद्र $H_2SO_4$ के मिश्रण के साथ अभिक्रिया को नाइट्रीकरण कहा जाता है।
$50-60^\circ C$ पर,बेंजीन का मोनोनाइट्रीकरण होकर नाइट्रोबेंजीन बनता है।
हालाँकि,$90^\circ C$ या उससे अधिक तापमान पर,अभिक्रिया आगे बढ़कर $m-$डाइनाइट्रोबेंजीन बनाती है क्योंकि नाइट्रो समूह $(-NO_2)$ एक मेटा-निर्देशी समूह है।

(C) बेंजीन का सीधा फ्रिडेल-क्राफ्ट्स अल्काइलेशन अक्सर पॉलीअल्काइलेशन की ओर ले जाता है क्योंकि पेश किया गया अल्काइल समूह इलेक्ट्रॉन-दाता होता है,जो बेंजीन रिंग को आगे के इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन के लिए सक्रिय करता है।
इससे बचने और मोनोअल्काइलेटेड उत्पाद प्राप्त करने के लिए,फ्रिडेल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन को प्राथमिकता दी जाती है।
एसाइलेशन में,एक एसाइल समूह $(RCO-)$ पेश किया जाता है,जो इलेक्ट्रॉन-आकर्षक होता है और रिंग को निष्क्रिय कर देता है,जिससे आगे का प्रतिस्थापन रुक जाता है।
परिणामी कीटोन को फिर क्लेमेंसन रिडक्शन या वोल्फ-किशनर रिडक्शन का उपयोग करके संबंधित अल्काइल समूह में बदला जा सकता है।

(B) निर्जलीय $AlCl_3$ की उपस्थिति में बेंजीन की $n-$प्रोपिल क्लोराइड के साथ अभिक्रिया एक फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन अभिक्रिया है।
इस अभिक्रिया के दौरान,प्रारंभ में बना $n-$प्रोपिल कार्बोनियम आयन $(CH_3CH_2CH_2^+)$ अधिक स्थिर द्वितीयक आइसोप्रोपिल कार्बोनियम आयन $(CH_3CH^+CH_3)$ बनाने के लिए $1,2-$हाइड्राइड शिफ्ट से गुजरता है।
यह द्वितीयक कार्बोनियम आयन फिर बेंजीन वलय पर आक्रमण करके मुख्य उत्पाद के रूप में आइसोप्रोपिलबेंजीन (क्यूमीन) बनाता है।
अतः,सही विकल्प $B$ है।

(B) $1$. बेंजीन के सल्फोनेशन में,प्रभावी इलेक्ट्रोफाइल सल्फर ट्राइऑक्साइड $(SO_3)$ है।
$2$. फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसिटिलेशन में,प्रभावी इलेक्ट्रोफाइल एसिलियम आयन $(CH_3-C \equiv O^{+})$ है।
$3$. फॉर्मिलेशन (गाटरमैन-कोच अभिक्रिया) में,प्रभावी इलेक्ट्रोफाइल फॉर्मिल धनायन $(HC \equiv O^{+})$ है,जो $AlCl_3$ जैसे लुईस अम्ल की उपस्थिति में $CO$ और $HCl$ से उत्पन्न होता है।

(B) आणविक सूत्र $C_7H_7Cl$ एक बेंजीन वलय को दर्शाता है जिसमें एक मिथाइल समूह और एक क्लोरीन परमाणु प्रतिस्थापित होते हैं।
ये क्लोरोटोल्यूइन के समावयवी (isomers) हैं।
बेंजीन वलय पर मिथाइल समूह के सापेक्ष क्लोरीन परमाणु के लिए तीन संभावित स्थान हैं:
$1$. ऑर्थो-क्लोरोटोल्यूइन $(o-Cl-C_6H_4-CH_3)$
$2$. मेटा-क्लोरोटोल्यूइन $(m-Cl-C_6H_4-CH_3)$
$3$. पैरा-क्लोरोटोल्यूइन $(p-Cl-C_6H_4-CH_3)$
इसके अतिरिक्त,एक समावयवी ऐसा है जिसमें क्लोरीन साइड चेन पर होता है: बेंजाइल क्लोराइड $(C_6H_5-CH_2Cl)$।
अतः,बेंजीन व्युत्पन्नों की कुल संख्या $3 + 1 = 4$ है।

(D) $C_7H_8O$ आण्विक सूत्र के लिए असंतृप्ति की मात्रा $4$ है $(7 - 8/2 + 1 = 4)$,जो बेंजीन वलय को इंगित करती है।
संभावित समावयवी इस प्रकार हैं:
$1$. $o$-क्रेसोल (ऑर्थो-मिथाइलफिनोल)
$2$. $m$-क्रेसोल (मेटा-मिथाइलफिनोल)
$3$. $p$-क्रेसोल (पैरा-मिथाइलफिनोल)
$4$. बेंजाइल अल्कोहल $(C_6H_5CH_2OH)$
$5$. एनीसोल (मिथोक्सीबेंजीन,$C_6H_5OCH_3$)
अतः,कुल $5$ संभावित बेंजीन व्युत्पन्न हैं।

(B) दी गई अभिक्रिया निर्जलीय $AlCl_3$ उत्प्रेरक की उपस्थिति में मिथाइल क्लोराइड $(CH_3Cl)$ के साथ टोल्यूनि का फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन है।
चूंकि बेंजीन रिंग पर मिथाइल समूह $(-CH_3)$ एक ऑर्थो/पैरा-निर्देशकारी समूह है,इसलिए इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन ऑर्थो और पैरा स्थितियों पर होता है।
ऑर्थो स्थिति पर त्रिविम बाधा (steric hindrance) के कारण,पैरा-आइसोमर ($p-$जाइलीन) मुख्य उत्पाद के रूप में प्राप्त होता है।

(B) अभिक्रिया $C_6H_6 + A \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CONH_2$ एक फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन अभिक्रिया को दर्शाती है।
इस अभिक्रिया में,बेंजीन $(C_6H_6)$ लुईस अम्ल उत्प्रेरक $(AlCl_3)$ की उपस्थिति में एक एसाइलेटिंग एजेंट के साथ अभिक्रिया करके एमाइड व्युत्पन्न बनाती है।
अभिकर्मक $A$ कार्बामॉयल क्लोराइड $(ClCONH_2)$ होना चाहिए,जो $-CONH_2$ समूह के स्रोत के रूप में कार्य करता है।
अभिक्रिया इस प्रकार होती है: $C_6H_6 + ClCONH_2 \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CONH_2 + HCl$.

(C) निर्जलीय $AlCl_3$ की उपस्थिति में बेंजीन की एसिटिक एनहाइड्राइड के साथ अभिक्रिया एक फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसिलेशन अभिक्रिया है।
इस अभिक्रिया में,एसिटिक एनहाइड्राइड से एसिटाइल समूह $(-COCH_3)$ बेंजीन रिंग पर एक हाइड्रोजन परमाणु को प्रतिस्थापित करके एसिटोफेनोन $(C_6H_5COCH_3)$ बनाता है।
अभिक्रिया इस प्रकार है: $C_6H_6 + (CH_3CO)_2O \xrightarrow{Anhydrous \ AlCl_3} C_6H_5COCH_3 + CH_3COOH$.

(B) $1$. निर्जल $AlCl_3$ की उपस्थिति में बेंजीन $(C_6H_6)$ की एसिटाइल क्लोराइड $(CH_3COCl)$ के साथ अभिक्रिया एक फ्रीडल-क्राफ्ट्स एसाइलेशन अभिक्रिया है। यह उत्पाद $A$ के रूप में एसीटोफेनोन $(C_6H_5COCH_3)$ उत्पन्न करता है।
$2$. $Zn-Hg/HCl$ के साथ एसीटोफेनोन $(C_6H_5COCH_3)$ की अभिक्रिया क्लेमेंसन अपचयन है,जो कार्बोनिल समूह $(>C=O)$ को मेथिलीन समूह $(-CH_2-)$ में अपचयित कर देती है।
$3$. एसीटोफेनोन का अपचयन अंतिम उत्पाद $B$ के रूप में एथिल बेंजीन $(C_6H_5CH_2CH_3)$ देता है।

(B) सांद्र $HNO_3$ और सांद्र $H_2SO_4$ के मिश्रण का उपयोग करके नाइट्रीकरण में,उत्पन्न इलेक्ट्रोफाइल नाइट्रोनियम आयन,$NO_2^+$ है।
धूम्रायमान $H_2SO_4$ (ओलियम) का उपयोग करके सल्फोनीकरण में,इलेक्ट्रोफाइल सल्फर ट्राइऑक्साइड,$SO_3$ है।
अतः,नाइट्रीकरण और सल्फोनीकरण के लिए जिम्मेदार प्रजातियां क्रमशः $NO_2^+$ और $SO_3$ हैं।

(C) इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं में एक इलेक्ट्रोफाइल द्वारा एरोमैटिक वलय पर हाइड्रोजन परमाणु का प्रतिस्थापन होता है।
विकल्प $A$ नाइट्रीकरण है,जो एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन है।
विकल्प $B$ फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन है,जो एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन है।
विकल्प $C$ $UV$ प्रकाश की उपस्थिति में बेंजीन के साथ क्लोरीन की योगात्मक अभिक्रिया है,जिससे बेंजीन हेक्साक्लोराइड $(C_6H_6Cl_6)$ बनता है,जो एक इलेक्ट्रोफिलिक योगात्मक अभिक्रिया है,प्रतिस्थापन नहीं।
विकल्प $D$ गैटरमैन-कोच अभिक्रिया है,जो एक इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन है।

(A) यह अभिक्रिया लुईस एसिड उत्प्रेरक $AlCl_3$ की उपस्थिति में बेंजीन का $n$-ब्यूटाइल क्लोराइड के साथ फ्रीडल-क्राफ्ट्स एल्काइलेशन है।
$1$. अभिक्रिया कार्बोकेशन मध्यवर्ती के निर्माण के माध्यम से आगे बढ़ती है।
$2$. प्रारंभ में,$n$-ब्यूटाइल क्लोराइड $AlCl_3$ के साथ अभिक्रिया करके प्राथमिक कार्बोकेशन,$CH_3CH_2CH_2CH_2^+$ बनाता है।
$3$. प्राथमिक कार्बोकेशन अस्थिर होते हैं और अधिक स्थिर कार्बोकेशन बनाने के लिए पुनर्विन्यास (rearrangement) करते हैं। प्राथमिक कार्बोकेशन $1,2$-हाइड्राइड शिफ्ट के माध्यम से द्वितीयक (secondary) कार्बोकेशन,$CH_3CH_2CH^+CH_3$ में परिवर्तित हो जाता है।
$4$. यह द्वितीयक कार्बोकेशन फिर बेंजीन के साथ इलेक्ट्रोफिलिक एरोमैटिक प्रतिस्थापन अभिक्रिया करके मुख्य उत्पाद के रूप में $sec$-ब्यूटाइल-बेंजीन बनाता है।

(B) $SO_3$ की एरोमैटिक वलय के साथ अभिक्रिया एक इलेक्ट्रॉनरागी एरोमैटिक प्रतिस्थापन (सल्फोनेशन) है।
$SO_3$ एक इलेक्ट्रॉनरागी (electrophile) के रूप में कार्य करता है।
इलेक्ट्रॉनरागी एरोमैटिक प्रतिस्थापन की दर बेंजीन वलय के इलेक्ट्रॉन घनत्व पर निर्भर करती है।
जो समूह वलय को इलेक्ट्रॉन दान करते हैं (सक्रियकारी समूह),वे इलेक्ट्रॉन घनत्व बढ़ाते हैं और वलय को इलेक्ट्रॉनरागी के प्रति अधिक सक्रिय बनाते हैं।
टोल्यूनि में $CH_3$ (मिथाइल समूह) प्रेरणिक प्रभाव और अतिसंयुग्मन के कारण एक इलेक्ट्रॉन-दाता समूह है,जो वलय को सक्रिय करता है।
बेंजीन में कोई प्रतिस्थापी नहीं है।
नाइट्रोबेंजीन $(-NO_2)$ और क्लोरोबेंजीन $(-Cl)$ में इलेक्ट्रॉन-आकर्षक समूह होते हैं जो वलय को निष्क्रिय करते हैं।
इसलिए,दिए गए विकल्पों में से टोल्यूनि सबसे अधिक सक्रिय है।

(C) एल्काइल बेंजीन (जैसे टोल्यूनि) का बेंजोइक एसिड में ऑक्सीकरण कार्बनिक रसायन विज्ञान में एक मानक अभिक्रिया है।
जब टोल्यूनि $(C_6H_5CH_3)$ को क्षारीय पोटेशियम परमैंगनेट $(KMnO_4)$ जैसे प्रबल ऑक्सीकरण एजेंट के साथ उपचारित किया जाता है,तो बेंजीन रिंग से जुड़ा मिथाइल समूह कार्बोक्सिल समूह $(-COOH)$ में ऑक्सीकृत हो जाता है।
यह अभिक्रिया पोटेशियम बेंजोएट बनाती है,जो अम्लीकरण के बाद बेंजोइक एसिड $(C_6H_5COOH)$ प्रदान करती है।

(A) $o,p$-निर्देशकारी समूह की प्रबलता उसके अनुनाद प्रभाव ($+R$ या $+M$ प्रभाव) के माध्यम से बेंजीन वलय को इलेक्ट्रॉन दान करने की क्षमता द्वारा निर्धारित की जाती है।
दिए गए विकल्पों में,$-OH$ समूह में ऑक्सीजन परमाणु पर मौजूद एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म के कारण एक प्रबल $+R$ प्रभाव होता है,जो वलय को प्रभावी ढंग से इलेक्ट्रॉन दान करता है।
$-Cl$ और $-Br$ जैसे हैलोजन $-I$ प्रभाव प्रदर्शित करते हैं जो उनके $+R$ प्रभाव से अधिक होता है,जिससे वे वलय को निष्क्रिय (deactivating) बना देते हैं,हालांकि वे $o,p$-निर्देशकारी बने रहते हैं।
फेनिल समूह $(-C_6H_5)$ $-OH$ की तुलना में एक कमजोर इलेक्ट्रॉन-दाता समूह है।
इसलिए,$-OH$ विकल्पों में सबसे प्रबल $o,p$-निर्देशकारी समूह है।