Węglowodory halogenowane: produkcja, właściwości chemiczne, zastosowanie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Węglowodory to bardzo duża klasa związków organicznych. Obejmują one kilka głównych grup substancji, z których prawie każda ma szerokie zastosowanie w przemyśle, życiu codziennym i przyrodzie. Szczególne znaczenie mają węglowodory chlorowcowane, które zostaną omówione w artykule. Mają one nie tylko duże znaczenie przemysłowe, ale są również ważnymi surowcami do wielu syntez chemicznych, otrzymywania leków i innych ważnych związków. Zwróćmy szczególną uwagę na budowę ich cząsteczek, właściwości i inne cechy.

Węglowodory halogenowane: ogólna charakterystyka

Z punktu widzenia nauk chemicznych ta klasa związków obejmuje wszystkie te węglowodory, w których jeden lub więcej atomów wodoru jest zastąpionych przez jeden lub inny halogen. Jest to bardzo szeroka kategoria substancji, ponieważ mają one duże znaczenie przemysłowe. Przez dość krótki czas ludzienauczył się syntetyzować prawie wszystkie halogenowe pochodne węglowodorów, których zastosowanie jest niezbędne w medycynie, przemyśle chemicznym, spożywczym i życiu codziennym.

Główną metodą otrzymywania tych związków jest droga syntezy w laboratorium i przemyśle, ponieważ prawie żaden z nich nie występuje w naturze. Ze względu na obecność atomu halogenu są bardzo reaktywne. To w dużej mierze determinuje zakres ich zastosowania w syntezach chemicznych jako półprodukty.

Ponieważ istnieje wielu przedstawicieli chlorowcowanych węglowodorów, zwyczajowo klasyfikuje się je według różnych kryteriów. Opiera się ona zarówno na budowie łańcucha, jak i wielości wiązań oraz różnicy w atomach halogenu i ich pozycji.

Halogenowe pochodne węglowodorów: klasyfikacja

Pierwsza opcja separacji opiera się na ogólnie przyjętych zasadach, które mają zastosowanie do wszystkich związków organicznych. Klasyfikacja opiera się na różnicy w rodzaju łańcucha węglowego, jego cykliczności. Na tej podstawie rozróżniają:

• ograniczone chlorowcowane węglowodory;
• nieograniczony;
• aromatyczne;
• alifatyczny;
• acykliczny.

Poniższy podział opiera się na rodzaju atomu halogenu i jego ilościowej zawartości w cząsteczce. Więc przydziel:

• pochodne mono;
• pochodne;
• trzy-;
• tetra-;
• pochodne penta i tak dalej.

Jeśli mówimy o rodzaju halogenu, to nazwa podgrupy składa się z dwóch słów. Na przykład pochodna monochloro,pochodna trijodu, tetrabromohaloalken i tak dalej.

Istnieje również inna opcja klasyfikacji, zgodnie z którą rozdzielane są głównie pochodne halogenowe węglowodorów nasyconych. Jest to liczba atomów węgla, do których przyłączony jest halogen. Więc przydziel:

• pierwotne instrumenty pochodne;
• średnie;
• wyższe i tak dalej.

Każdy konkretny przedstawiciel można uszeregować według wszystkich znaków i określić pełne miejsce w systemie związków organicznych. Czyli na przykład związek o składzie CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3można klasyfikować w ten sposób. Jest to nienasycona alifatyczna trichloro pochodna pentenu.}

Struktura cząsteczki

Obecność atomów halogenu może tylko wpływać zarówno na właściwości fizyczne i chemiczne, jak i na ogólne cechy struktury cząsteczki. Ogólny wzór dla tej klasy związków to R-Hal, gdzie R oznacza wolny rodnik węglowodorowy o dowolnej strukturze, a Hal oznacza jeden lub więcej atomów halogenu. Wiązanie między węglem a halogenem jest silnie spolaryzowane, w wyniku czego cząsteczka jako całość jest podatna na dwa efekty:

• ujemna indukcyjna;
• pozytywne mezomeryczne.

Pierwszy z nich jest znacznie bardziej wyraźny, więc atom Hal zawsze wykazuje właściwości podstawnika odciągającego elektrony.

Poza tym wszystkie cechy strukturalne cząsteczki nie różnią się od cech zwykłych węglowodorów. Właściwości są wyjaśnione strukturą łańcucha i jegorozgałęzienia, liczba atomów węgla, siła właściwości aromatycznych.

Na szczególną uwagę zasługuje nazewnictwo halogenowych pochodnych węglowodorów. Jaka jest prawidłowa nazwa tych połączeń? Aby to zrobić, musisz przestrzegać kilku zasad.

1. Numerowanie łańcucha zaczyna się od krawędzi najbliższej atomowi halogenu. Jeśli istnieje jakiekolwiek wiązanie wielokrotne, odliczanie zaczyna się od niego, a nie od podstawnika odciągającego elektron.
2. Nazwa Hal jest wskazana w przedrostku, należy również podać numer atomu węgla, od którego pochodzi.
3. Ostatnim krokiem jest nazwanie głównego łańcucha atomów (lub pierścienia).

Przykład podobnej nazwy: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichloropropen-1.

Ponadto nazwę można podać zgodnie z racjonalną nomenklaturą. W tym przypadku wymawiana jest nazwa rodnika, a następnie nazwa halogenu z przyrostkiem -id. Przykład: CH₃-CH₂-CH₂Br - bromek propylu.

Podobnie jak inne klasy związków organicznych, chlorowcowane węglowodory mają specjalną strukturę. Pozwala to na wyznaczenie wielu przedstawicieli według historycznych nazwisk. Na przykład halotan CF₃CBrClH. Obecność trzech halogenów jednocześnie w składzie cząsteczki zapewnia tej substancji szczególne właściwości. Stosowana jest w medycynie, dlatego najczęściej używana jest nazwa historyczna.

Metody syntezy

Wystarczą metody otrzymywania halogenowych pochodnych węglowodorówurozmaicony. Istnieje pięć głównych metod syntezy tych związków w laboratorium i przemyśle.

1. Halogenowanie konwencjonalnych węglowodorów normalnych. Ogólny schemat reakcji: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Cechy procesu są następujące: w przypadku chloru i bromu konieczne jest napromieniowanie ultrafioletem, w przypadku jodu reakcja jest prawie niemożliwa lub bardzo powolna. Oddziaływanie z fluorem jest zbyt aktywne, więc ten halogen nie może być stosowany w czystej postaci. Ponadto przy halogenowaniu pochodnych aromatycznych konieczne jest zastosowanie specjalnych katalizatorów procesowych – kwasów Lewisa. Na przykład chlorek żelaza lub glinu.
2. Otrzymywanie chlorowcopochodnych węglowodorów odbywa się również przez hydrohalogenowanie. Jednak w tym celu związek wyjściowy musi koniecznie być nienasyconym węglowodorem. Przykład: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Najczęściej taki dodatek elektrofilowy wykorzystywany jest do otrzymywania chloretylenu lub chlorku winylu, gdyż związek ten jest ważnym surowcem do syntez przemysłowych.
3. Wpływ wodorohalogenów na alkohole. Ogólny widok reakcji: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Cechą jest obowiązkowa obecność katalizatora. Przykładami przyspieszaczy procesów, które można zastosować, są chlorki fosforu, siarki, cynku lub żelaza, kwas siarkowy, roztwór chlorku cynku w kwasie solnym – odczynnik Lucasa.
4. Dekarboksylacja soli kwasowych środkiem utleniającym. Inną nazwą metody jest reakcja Borodina-Hunsdickera. Najważniejsze jest usunięcie cząsteczki dwutlenku węglaz pochodnych srebra kwasów karboksylowych pod wpływem czynnika utleniającego - halogenu. W wyniku tego powstają halogenowe pochodne węglowodorów. Reakcje ogólnie wyglądają następująco: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Synteza haloform. Innymi słowy jest to produkcja trihalogenowych pochodnych metanu. Najłatwiejszym sposobem ich wytworzenia jest potraktowanie acetonu alkalicznym roztworem halogenów. W rezultacie dochodzi do tworzenia cząsteczek haloformu. Pochodne halogenowe węglowodorów aromatycznych są syntetyzowane w przemyśle w ten sam sposób.

Na szczególną uwagę zasługuje synteza nieograniczonej liczby przedstawicieli rozważanej klasy. Główną metodą jest obróbka alkinów solami rtęci i miedzi w obecności halogenów, co prowadzi do powstania produktu z podwójnym wiązaniem w łańcuchu.

Halogenowe pochodne węglowodorów aromatycznych są otrzymywane w reakcjach halogenowania arenów lub alkiloarenów do łańcucha bocznego. Są to ważne produkty przemysłowe, ponieważ są używane jako środki owadobójcze w rolnictwie.

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne halogenowych pochodnych węglowodorów zależą bezpośrednio od struktury cząsteczki. Na temperaturę wrzenia i topnienia, stan skupienia wpływa liczba atomów węgla w łańcuchu i ewentualne rozgałęzienia na bok. Im więcej z nich, tym wyższe wyniki. Ogólnie rzecz biorąc, parametry fizyczne można scharakteryzować w kilku punktach.

1. Stan zagregowany: pierwszy najniższyprzedstawiciele - gazy, po С₁₂ - ciecze, powyżej - ciała stałe.
2. Prawie wszyscy przedstawiciele mają ostry, nieprzyjemny specyficzny zapach.
3. Bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie, ale same w sobie są doskonałymi rozpuszczalnikami. Bardzo dobrze rozpuszczają się w związkach organicznych.
4. Temperatury wrzenia i topnienia wzrastają wraz z liczbą atomów węgla w łańcuchu głównym.
5. Wszystkie związki z wyjątkiem pochodnych fluoru są cięższe od wody.
6. Im więcej rozgałęzień w głównym łańcuchu, tym niższa temperatura wrzenia substancji.

Trudno wskazać wiele wspólnych podobieństw, ponieważ przedstawiciele różnią się znacznie składem i strukturą. Dlatego lepiej podać wartości dla każdego konkretnego związku z danej serii węglowodorów.

Właściwości chemiczne

Jednym z najważniejszych parametrów, które muszą być brane pod uwagę w przemyśle chemicznym i reakcjach syntezy, są właściwości chemiczne chlorowcowanych węglowodorów. Nie są one takie same dla wszystkich przedstawicieli, ponieważ istnieje wiele przyczyn różnicy.

1. Struktura łańcucha węglowego. Najprostsze reakcje substytucji (typu nukleofilowego) zachodzą z drugorzędowymi i trzeciorzędowymi haloalkilami.
2. Ważny jest również rodzaj atomu halogenu. Wiązanie między węglem a Halem jest silnie spolaryzowane, co ułatwia zerwanie z uwolnieniem wolnych rodników. Najłatwiej jednak pęka wiązanie między jodem a węglem, co tłumaczy się regularną zmianą (spadkiem) energii wiązania w szeregu: F-Cl-Br-I.
3. Obecność aromatówwiązania rodnikowe lub wielokrotne.
4. Struktura i rozgałęzienia samego rodnika.

Na ogół chlorowcowane alkile najlepiej reagują z podstawieniem nukleofilowym. W końcu częściowo dodatni ładunek jest skoncentrowany na atomie węgla po zerwaniu wiązania z halogenem. Pozwala to rodnikowi jako całości stać się akceptorem cząstek elektroujemnych. Na przykład:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NIE₂^-;
• CN^- i inne.

To wyjaśnia fakt, że możliwe jest przejście z halogenowych pochodnych węglowodorów do prawie każdej klasy związków organicznych, wystarczy wybrać odpowiedni odczynnik, który zapewni pożądaną grupę funkcyjną.

Ogólnie rzecz biorąc, możemy powiedzieć, że właściwości chemiczne halogenowych pochodnych węglowodorów to zdolność do wchodzenia w następujące interakcje.

1. Z różnymi rodzajami cząsteczek nukleofilowych - reakcje substytucji. Rezultatem mogą być: alkohole, etery i estry, związki nitrowe, aminy, nitryle, kwasy karboksylowe.
2. Reakcje eliminacji lub dehydrohalogenacji. W wyniku ekspozycji na alkoholowy roztwór zasady następuje rozszczepienie cząsteczki halogenowodoru. W ten sposób powstaje alken, produkty uboczne o niskiej masie cząsteczkowej - sól i woda. Przykład reakcji: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Te procesy są jednym z głównych sposobów syntezy ważnych alkenów. Procesowi zawsze towarzyszą wysokie temperatury.
3. Otrzymywanie alkanów o normalnej strukturze metodą syntezy Wurtza. Istotą reakcji jest wpływ metalicznego sodu na podstawiony halogenem węglowodór (dwie cząsteczki). Jako jon silnie elektrododatni, sód przyjmuje atomy halogenu ze związku. W rezultacie uwolnione rodniki węglowodorowe są połączone wiązaniem, tworząc alkan o nowej strukturze. Przykład: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Synteza homologów węglowodorów aromatycznych metodą Friedla-Craftsa. Istotą procesu jest działanie haloalkilu na benzen w obecności chlorku glinu. W wyniku reakcji podstawienia powstaje toluen i chlorowodór. W takim przypadku konieczna jest obecność katalizatora. Oprócz samego benzenu, w ten sposób można również utleniać jego homologi.
5. Pobranie płynu Greignarda. Odczynnik ten jest węglowodorem podstawionym halogenem z jonem magnezu w składzie. Początkowo metaliczny magnez w eterze działa na pochodną haloalkilową. W rezultacie powstaje związek złożony o ogólnym wzorze RMgHal, zwany odczynnikiem Greignarda.
6. Reakcje redukcji na alkany (alken, arena). Przeprowadzane pod wpływem wodoru. W rezultacie powstaje węglowodór i produkt uboczny, halogenowodór. Ogólny przykład: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Są to główne interakcje, w którychłatwo wnikają halogenowe pochodne węglowodorów o różnej strukturze. Oczywiście istnieją konkretne reakcje, które należy rozważyć dla każdego przedstawiciela.

Izomeria cząsteczek

Izomeria fluorowcowanych węglowodorów jest zjawiskiem całkiem naturalnym. Wiadomo przecież, że im więcej atomów węgla w łańcuchu, tym większa liczba form izomerycznych. Ponadto nienasyceni przedstawiciele mają wiele wiązań, co również powoduje pojawianie się izomerów.

Istnieją dwie główne odmiany tego zjawiska dla tej klasy związków.

1. Izomeria szkieletu węglowego rodnika i łańcucha głównego. Obejmuje to również pozycję wiązania wielokrotnego, jeśli istnieje w cząsteczce. Podobnie jak w przypadku prostych węglowodorów, począwszy od trzeciego przedstawiciela, można napisać wzory związków, które mają identyczne wyrażenia wzorów cząsteczkowych, ale różne strukturalne. Ponadto w przypadku węglowodorów podstawionych halogenem liczba form izomerycznych jest o rząd wielkości wyższa niż w przypadku odpowiadających im alkanów (alkenów, alkinów, arenów itd.).
2. Pozycja halogenu w cząsteczce. Jego miejsce w nazwie wskazuje liczba, a nawet jeśli zmieni się tylko o jeden, to właściwości takich izomerów będą już zupełnie inne.

Izomeria przestrzenna nie wchodzi tu w rachubę, ponieważ atomy halogenu to uniemożliwiają. Podobnie jak wszystkie inne związki organiczne, izomery haloalkilowe różnią się nie tylko budową, ale także właściwościami fizycznymi i chemicznymi.charakterystyka.

Pochodne węglowodorów nienasyconych

Istnieje oczywiście wiele takich połączeń. Nas jednak interesują pochodne halogenowe węglowodorów nienasyconych. Można je również podzielić na trzy główne grupy.

1. Winyl - gdy atom Hal znajduje się bezpośrednio przy atomie węgla wiązania wielokrotnego. Przykład cząsteczki: CH₂=CCL_2.
2. Z izolowaną pozycją. Atom halogenu i wiązanie wielokrotne znajdują się w przeciwnych częściach cząsteczki. Przykład: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Pochodne allilu - atom halogenu jest połączony z wiązaniem podwójnym przez jeden atom węgla, czyli znajduje się w pozycji alfa. Przykład: CH₂=CH-CH₂-CL.

Szczególne znaczenie ma chlorek winylu CH₂=CHCL. Jest zdolny do reakcji polimeryzacji, tworząc ważne produkty, takie jak materiały izolacyjne, tkaniny wodoodporne i inne.

Innym przedstawicielem nienasyconych pochodnych halogenowych jest chloropren. Jego wzór to CH₂=CCL-CH=CH₂. Związek ten jest surowcem do syntezy cennych rodzajów gumy, które wyróżniają się odpornością na ogień, długą żywotnością i słabą przepuszczalnością gazów.

Tetrafluoroetylen (lub teflon) to polimer o wysokich parametrach technicznych. Służy do produkcji cennej powłoki części technicznych, przyborów, różnych urządzeń. Formuła - CF₂=CF₂.

Aromatycznewęglowodory i ich pochodne

Związki aromatyczne to te związki, które zawierają pierścień benzenowy. Wśród nich jest też cała grupa pochodnych halogenów. Dwa główne typy można rozróżnić po ich strukturze.

1. Jeżeli atom Hal jest związany bezpośrednio z jądrem, to znaczy z pierścieniem aromatycznym, wówczas związki te nazywane są haloarenami.
2. Atom halogenu nie jest połączony z pierścieniem, ale z bocznym łańcuchem atomów, czyli rodnikiem przechodzącym do bocznej gałęzi. Takie związki nazywane są halogenkami aryloalkilowymi.

Wśród rozważanych substancji jest kilku przedstawicieli o największym znaczeniu praktycznym.

1. Heksachlorobenzen - C₆Cl₆. Od początku XX wieku stosowany jest zarówno jako silny środek grzybobójczy, jak i insektycyd. Ma dobre działanie odkażające, dlatego był używany do zaprawiania nasion przed siewem. Ma nieprzyjemny zapach, płyn jest dość żrący, przezroczysty i może powodować łzawienie.
2. Bromek benzylu С₆Н₅CH₂Br. Używany jako ważny odczynnik w syntezie związków metaloorganicznych.
3. Chlorobenzen C₆H₅CL. Płynna bezbarwna substancja o specyficznym zapachu. Wykorzystywany jest w produkcji barwników, pestycydów. Jest jednym z najlepszych rozpuszczalników organicznych.

Zastosowanie przemysłowe

Halogenowe pochodne węglowodorów są wykorzystywane w przemyśle i syntezie chemicznejbardzo szeroki. Mówiliśmy już o przedstawicielach nienasyconych i aromatycznych. Oznaczmy teraz ogólnie obszary zastosowania wszystkich związków z tej serii.

1. W budowie.
2. Jako rozpuszczalniki.
3. W produkcji tkanin, gumy, gumy, barwników, materiałów polimerowych.
4. Do syntezy wielu związków organicznych.
5. Pochodne fluoru (freony) to czynniki chłodnicze w agregatach chłodniczych.
6. Stosowany jako pestycydy, insektycydy, fungicydy, oleje, oleje schnące, żywice, smary.
7. Przejdź do produkcji materiałów izolacyjnych itp.