Halogénované uhľovodíky: výroba, chemické vlastnosti, použitie

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 05:40

Uhľovodíky sú veľmi veľká trieda organických zlúčenín. Zahŕňajú niekoľko hlavných skupín látok, z ktorých takmer každá je široko používaná v priemysle, každodennom živote a prírode. Zvlášť dôležité sú halogénované uhľovodíky, o ktorých sa bude diskutovať v článku. Majú nielen veľký priemyselný význam, ale sú tiež dôležitými surovinami pre mnohé chemické syntézy, získavanie liekov a iných dôležitých zlúčenín. Venujme zvláštnu pozornosť štruktúre ich molekúl, vlastnostiam a ďalším vlastnostiam.

Halogénované uhľovodíky: všeobecné charakteristiky

Z hľadiska chemickej vedy táto trieda zlúčenín zahŕňa všetky tie uhľovodíky, v ktorých je jeden alebo viacero atómov vodíka nahradených jedným alebo druhým halogénom. Ide o veľmi širokú kategóriu látok, keďže majú veľký priemyselný význam. Na pomerne krátky čas ľudianaučili sa syntetizovať takmer všetky halogénové deriváty uhľovodíkov, ktorých využitie je nevyhnutné v medicíne, chemickom priemysle, potravinárstve a každodennom živote.

Hlavnou metódou na získanie týchto zlúčenín je syntetická cesta v laboratóriu a priemysle, keďže takmer žiadna z nich sa v prírode nevyskytuje. Vďaka prítomnosti atómu halogénu sú vysoko reaktívne. To do značnej miery určuje rozsah ich použitia pri chemických syntézach ako medziproduktov.

Keďže existuje veľa zástupcov halogénovaných uhľovodíkov, je zvykom ich klasifikovať podľa rôznych kritérií. Je založená na štruktúre reťazca a na množstve väzieb a na rozdiele v atómoch halogénu a ich polohe.

Halogénové deriváty uhľovodíkov: klasifikácia

Prvá možnosť separácie je založená na všeobecne uznávaných princípoch, ktoré platia pre všetky organické zlúčeniny. Klasifikácia je založená na rozdiele v type uhlíkového reťazca, jeho cyklickosti. Na tomto základe rozlišujú:

• obmedzené halogénované uhľovodíky;
• unlimited;
• aromatic;
• aliphatic;
• acyklický.

Nasledujúce rozdelenie je založené na type atómu halogénu a jeho kvantitatívnom obsahu v molekule. Takže prideľte:

• monoderiváty;
• deriváty;
• tri-;
• tetra-;
• deriváty penta a tak ďalej.

Ak hovoríme o type halogénu, potom názov podskupiny pozostáva z dvoch slov. Napríklad monochlórový derivát,derivát trijódu, tetrabrómhalogénalkén a tak ďalej.

Existuje aj ďalšia možnosť klasifikácie, podľa ktorej sa oddeľujú najmä halogénderiváty nasýtených uhľovodíkov. Toto je číslo atómu uhlíka, ku ktorému je halogén pripojený. Takže prideľte:

• primárne deriváty;
• sekundárne;
• terciárny a tak ďalej.

Každý konkrétny zástupca môže byť zoradený podľa všetkých znakov a určiť tak plné miesto v systéme organických zlúčenín. Takže napríklad zlúčenina so zložením CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3môže klasifikovať takto. Je to nenasýtený alifatický trichlórderivát penténu.}

Štruktúra molekuly

Prítomnosť atómov halogénu nemôže ovplyvniť fyzikálne a chemické vlastnosti a všeobecné vlastnosti štruktúry molekuly. Všeobecný vzorec pre túto triedu zlúčenín je R-Hal, kde R je voľný uhľovodíkový radikál akejkoľvek štruktúry a Hal je atóm halogénu, jeden alebo viacero. Väzba medzi uhlíkom a halogénom je silne polarizovaná, v dôsledku čoho je molekula ako celok náchylná na dva efekty:

• negatívna induktívna;
• mezomerický pozitívny.

Prvý z nich je oveľa výraznejší, takže atóm Hal vždy vykazuje vlastnosti substituentu priťahujúceho elektróny.

Inak sa všetky štruktúrne vlastnosti molekuly nelíšia od vlastností bežných uhľovodíkov. Vlastnosti sú vysvetlené štruktúrou reťazca a jehovetvenie, počet atómov uhlíka, sila aromatických prvkov.

Názvoslovie halogénových derivátov uhľovodíkov si zasluhuje osobitnú pozornosť. Aký je správny názov týchto spojení? Ak to chcete urobiť, musíte dodržiavať niekoľko pravidiel.

1. Číslovanie reťazca začína od okraja najbližšie k atómu halogénu. Ak existuje viacnásobná väzba, odpočítavanie začína od nej, a nie od substituentu priťahujúceho elektróny.
2. Meno Hal je uvedené v predpone, malo by sa uviesť aj číslo atómu uhlíka, z ktorého sa odchyľuje.
3. Posledným krokom je pomenovanie hlavného reťazca atómov (alebo kruhu).

Príklad podobného názvu: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichlórpropén-1.

Názov možno uviesť aj podľa racionálnej nomenklatúry. V tomto prípade sa vysloví názov radikálu a potom názov halogénu s príponou -id. Príklad: CH₃-CH₂-CH₂Br - propylbromid.

Rovnako ako ostatné triedy organických zlúčenín majú halogénované uhľovodíky špeciálnu štruktúru. To umožňuje, aby mnohí predstavitelia boli označení historickými menami. Napríklad halotán CF₃CBrClH. Prítomnosť troch halogénov naraz v zložení molekuly poskytuje tejto látke špeciálne vlastnosti. Používa sa v medicíne, preto je najčastejšie používaným historickým názvom.

Metódy syntézy

Metódy na získanie halogénderivátov uhľovodíkov sú dostatočnépestrá. Existuje päť hlavných metód na syntézu týchto zlúčenín v laboratóriu a priemysle.

1. Halogenizácia konvenčných normálnych uhľovodíkov. Všeobecná reakčná schéma: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Charakteristiky procesu sú nasledovné: pri chlóre a bróme je nevyhnutné ultrafialové ožarovanie, pri jóde je reakcia takmer nemožná alebo veľmi pomalá. Interakcia s fluórom je príliš aktívna, takže tento halogén nemožno použiť v čistej forme. Okrem toho pri halogenácii aromatických derivátov je potrebné použiť špeciálne procesné katalyzátory - Lewisove kyseliny. Napríklad železo alebo chlorid hlinitý.
2. Halogénderiváty uhľovodíkov sa získavajú aj hydrohalogenáciou. Na to však musí byť východiskovou zlúčeninou nevyhnutne nenasýtený uhľovodík. Príklad: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Najčastejšie sa takáto elektrofilná adícia používa na získanie chlóretylénu alebo vinylchloridu, keďže táto zlúčenina je dôležitou surovinou pre priemyselné syntézy.
3. Účinok hydrohalogénov na alkoholy. Všeobecný pohľad na reakciu: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Charakteristickým znakom je povinná prítomnosť katalyzátora. Príklady procesných urýchľovačov, ktoré možno použiť, sú fosfor, síra, chloridy zinku alebo železa, kyselina sírová, roztok chloridu zinočnatého v kyseline chlorovodíkovej - Lucasovo činidlo.
4. Dekarboxylácia kyslých solí oxidačným činidlom. Iným názvom metódy je Borodin-Hunsdickerova reakcia. Podstatou je odstránenie molekuly oxidu uhličitéhozo striebra derivátov karboxylových kyselín pri pôsobení oxidačného činidla - halogénu. V dôsledku toho vznikajú halogénové deriváty uhľovodíkov. Reakcie vo všeobecnosti vyzerajú takto: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Syntéza haloforiem. Inými slovami, ide o výrobu trihalogénových derivátov metánu. Najjednoduchším spôsobom ich výroby je ošetrenie acetónu alkalickým roztokom halogénov. V dôsledku toho dochádza k tvorbe molekúl haloformy. Halogénové deriváty aromatických uhľovodíkov sa v priemysle syntetizujú rovnakým spôsobom.

Osobitná pozornosť by sa mala venovať syntéze neobmedzených predstaviteľov uvažovanej triedy. Hlavnou metódou je úprava alkínov soľami ortuti a medi v prítomnosti halogénov, čo vedie k vytvoreniu produktu s dvojitou väzbou v reťazci.

Halogénderiváty aromatických uhľovodíkov sa získavajú halogenačnými reakciami arénov alebo alkylarénov na bočný reťazec. Ide o dôležité priemyselné produkty, pretože sa používajú ako insekticídy v poľnohospodárstve.

Fyzikálne vlastnosti

Fyzikálne vlastnosti halogénových derivátov uhľovodíkov priamo závisia od štruktúry molekuly. Teploty varu a topenia, stav agregácie sú ovplyvnené počtom atómov uhlíka v reťazci a prípadnými bočnými vetvami. Čím viac ich je, tým vyššie skóre. Vo všeobecnosti je možné fyzikálne parametre charakterizovať v niekoľkých bodoch.

1. Súhrnný stav: prvý najnižšízástupcovia - plyny, po С₁₂ - kvapaliny, vyššie - pevné látky.
2. Takmer všetci zástupcovia majú ostrý nepríjemný špecifický zápach.
3. Veľmi zle rozpustný vo vode, ale samotné vynikajúce rozpúšťadlá. Veľmi dobre sa rozpúšťajú v organických zlúčeninách.
4. Teploty varu a topenia sa zvyšujú s počtom atómov uhlíka v hlavnom reťazci.
5. Všetky zlúčeniny okrem derivátov fluóru sú ťažšie ako voda.
6. Čím viac vetiev v hlavnom reťazci, tým nižší je bod varu látky.

Je ťažké identifikovať veľa spoločných podobností, pretože zástupcovia sa značne líšia v zložení a štruktúre. Preto je lepšie uviesť hodnoty pre každú konkrétnu zlúčeninu z danej série uhľovodíkov.

Chemické vlastnosti

Jedným z najdôležitejších parametrov, ktoré treba brať do úvahy v chemickom priemysle a pri syntéznych reakciách, sú chemické vlastnosti halogénovaných uhľovodíkov. Nie sú rovnaké pre všetkých zástupcov, pretože existuje niekoľko dôvodov rozdielu.

1. Štruktúra uhlíkového reťazca. Najjednoduchšie substitučné reakcie (nukleofilného typu) sa vyskytujú pri sekundárnych a terciárnych halogénalkyloch.
2. Typ atómu halogénu je tiež dôležitý. Väzba medzi uhlíkom a Hal je silne polarizovaná, čo uľahčuje jej rozbitie s uvoľnením voľných radikálov. Väzba medzi jódom a uhlíkom sa však najľahšie láme, čo sa vysvetľuje pravidelnou zmenou (poklesom) väzbovej energie v rade: F-Cl-Br-I.
3. Prítomnosť aromatických látokradikálne alebo viacnásobné väzby.
4. Štruktúra a rozvetvenie samotného radikálu.

Vo všeobecnosti halogénované alkyly najlepšie reagujú s nukleofilnou substitúciou. Čiastočne kladný náboj sa totiž koncentruje na atóme uhlíka po prerušení väzby s halogénom. To umožňuje radikálu ako celku stať sa akceptorom elektronegatívnych častíc. Napríklad:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- a ďalšie.

To vysvetľuje skutočnosť, že je možné prejsť od halogénových derivátov uhľovodíkov k takmer akejkoľvek triede organických zlúčenín, stačí si vybrať vhodné činidlo, ktoré poskytne požadovanú funkčnú skupinu.

Vo všeobecnosti môžeme povedať, že chemickými vlastnosťami halogénových derivátov uhľovodíkov je schopnosť vstupovať do nasledujúcich interakcií.

1. S rôznymi druhmi nukleofilných častíc - substitučné reakcie. Výsledkom môžu byť: alkoholy, étery a estery, nitrozlúčeniny, amíny, nitrily, karboxylové kyseliny.
2. Reakcie eliminácie alebo dehydrohalogenácie. V dôsledku vystavenia alkoholovému roztoku zásady sa molekula halogenovodíka štiepi. Takto vzniká alkén, vedľajšie produkty s nízkou molekulovou hmotnosťou – soľ a voda. Príklad reakcie: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Tieto procesy sú jedným z hlavných spôsobov syntézy dôležitých alkénov. Proces vždy sprevádzajú vysoké teploty.
3. Získanie alkánov normálnej štruktúry metódou Wurtzovej syntézy. Podstatou reakcie je pôsobenie na halogénom substituovaný uhľovodík (dve molekuly) s kovovým sodíkom. Sodík ako silne elektropozitívny ión prijíma atómy halogénu zo zlúčeniny. V dôsledku toho sú uvoľnené uhľovodíkové radikály prepojené väzbou, čím vzniká alkán novej štruktúry. Príklad: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Syntéza homológov aromatických uhľovodíkov Friedel-Craftsovou metódou. Podstatou procesu je pôsobenie halogénalkylu na benzén v prítomnosti chloridu hlinitého. V dôsledku substitučnej reakcie dochádza k tvorbe toluénu a chlorovodíka. V tomto prípade je nevyhnutná prítomnosť katalyzátora. Okrem samotného benzénu možno týmto spôsobom oxidovať aj jeho homológy.
5. Získanie Greignardovej tekutiny. Toto činidlo je halogénom substituovaný uhľovodík s iónom horčíka v kompozícii. Na začiatku pôsobí kovový horčík v éteri na halogénalkylový derivát. Výsledkom je vytvorenie komplexnej zlúčeniny so všeobecným vzorcom RMgHal, nazývanej Greignardovo činidlo.
6. Redukčné reakcie na alkán (alkén, aréna). Vykonáva sa pri vystavení vodíku. V dôsledku toho sa tvorí uhľovodík a vedľajší produkt, halogenovodík. Všeobecný príklad: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Toto sú hlavné interakcie, v ktorýchhalogénové deriváty uhľovodíkov rôznych štruktúr sú schopné ľahko vstúpiť. Samozrejme, existujú špecifické reakcie, ktoré by sa mali zvážiť pre každého jednotlivého zástupcu.

Izoméria molekúl

Izoméria halogénovaných uhľovodíkov je celkom prirodzený jav. Koniec koncov, je známe, že čím viac atómov uhlíka v reťazci, tým vyšší počet izomérnych foriem. Okrem toho majú nenasýtení zástupcovia viacnásobné väzby, čo tiež spôsobuje výskyt izomérov.

Pre túto triedu zlúčenín existujú dva hlavné druhy tohto javu.

1. Izoméria uhlíkovej kostry radikálu a hlavného reťazca. To zahŕňa aj polohu násobnej väzby, ak v molekule existuje. Rovnako ako v prípade jednoduchých uhľovodíkov, počínajúc tretím zástupcom, je možné napísať vzorce zlúčenín, ktoré majú rovnaké molekulové, ale odlišné výrazy štruktúrneho vzorca. Navyše, pre halogénom substituované uhľovodíky je počet izomérnych foriem rádovo vyšší ako pre ich zodpovedajúce alkány (alkény, alkíny, arény atď.).
2. Pozícia halogénu v molekule. Jeho miesto v názve je označené číslom, a aj keď sa zmení len o jedno, vlastnosti takýchto izomérov už budú úplne iné.

Priestorová izoméria tu neprichádza do úvahy, pretože atómy halogénov ju znemožňujú. Ako všetky ostatné organické zlúčeniny, halogénalkylové izoméry sa líšia nielen štruktúrou, ale aj fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.charakteristiky.

Deriváty nenasýtených uhľovodíkov

Takýchto spojení je, samozrejme, veľa. Nás však zaujímajú halogénderiváty nenasýtených uhľovodíkov. Možno ich tiež rozdeliť do troch hlavných skupín.

1. Vinyl - keď je atóm Hal umiestnený priamo na atóme uhlíka násobnej väzby. Príklad molekuly: CH₂=CCL_2.
2. S izolovanou polohou. Atóm halogénu a násobná väzba sú umiestnené v opačných častiach molekuly. Príklad: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Alylové deriváty - atóm halogénu sa nachádza na dvojitej väzbe cez jeden atóm uhlíka, to znamená, že je v polohe alfa. Príklad: CH₂=CH-CH₂-CL.

Zvlášť dôležitý je vinylchlorid CH₂=CHCL. Je schopný polymerizačných reakcií za vzniku dôležitých produktov, ako sú izolačné materiály, nepremokavé tkaniny a ďalšie.

Ďalším zástupcom nenasýtených halogénových derivátov je chloroprén. Jeho vzorec je CH2=CCL-CH=CH2. Táto zmes je surovinou pre syntézu cenných druhov kaučuku, ktoré sa vyznačujú požiarnou odolnosťou, dlhou životnosťou a zlou priepustnosťou plynov.

Tetrafluóretylén (alebo teflón) je polymér, ktorý má kvalitné technické parametre. Používa sa na výrobu cenných náterov technických dielov, náradia, rôznych zariadení. Vzorec – CF₂=CF₂.

Aromatickýuhľovodíky a ich deriváty

Aromatické zlúčeniny sú tie zlúčeniny, ktoré obsahujú benzénový kruh. Medzi nimi je aj celá skupina halogénderivátov. Podľa štruktúry možno rozlíšiť dva hlavné typy.

1. Ak je atóm Hal naviazaný priamo na jadro, teda aromatický kruh, potom sa zlúčeniny nazývajú halogénarény.
2. Atóm halogénu nie je spojený s kruhom, ale s bočným reťazcom atómov, to znamená s radikálom idúcim do bočnej vetvy. Takéto zlúčeniny sa nazývajú arylalkylhalogenidy.

Medzi uvažovanými látkami je niekoľko zástupcov s najväčším praktickým významom.

1. Hexachlórbenzén - C₆Cl₆. Od začiatku 20. storočia sa používa ako silný fungicíd, aj ako insekticíd. Má dobrý dezinfekčný účinok, preto sa používal na morenie semien pred sejbou. Má nepríjemný zápach, kvapalina je dosť žieravá, priehľadná a môže spôsobiť slzenie.
2. Benzylbromid С₆Н₅CH₂Br. Používa sa ako dôležité činidlo pri syntéze organokovových zlúčenín.
3. Chlórbenzén C₆H₅CL. Kvapalná bezfarebná látka so špecifickým zápachom. Používa sa pri výrobe farbív, pesticídov. Je to jedno z najlepších organických rozpúšťadiel.

Priemyselné využitie

Halogénové deriváty uhľovodíkov sa používajú v priemysle a chemickej syntézeveľmi široký. O nenasýtených a aromatických zástupcoch sme už hovorili. Teraz označme vo všeobecnosti oblasti použitia všetkých zlúčenín tejto série.

1. V stavebníctve.
2. Ako rozpúšťadlá.
3. Pri výrobe látok, gumy, kaučukov, farbív, polymérnych materiálov.
4. Na syntézu mnohých organických zlúčenín.
5. Deriváty fluóru (freóny) sú chladivá v chladiacich jednotkách.
6. Používané ako pesticídy, insekticídy, fungicídy, oleje, sušiace oleje, živice, mazivá.
7. Prejsť na výrobu izolačných materiálov atď.