Halogenerade kolväten: produktion, kemiska egenskaper, tillämpning

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

Kolväten är en mycket stor klass av organiska föreningar. De inkluderar flera huvudgrupper av ämnen, bland vilka nästan alla används i stor utsträckning inom industrin, vardagen och naturen. Av särskild betydelse är halogenerade kolväten, som kommer att diskuteras i artikeln. De är inte bara av hög industriell betydelse, utan är också viktiga råvaror för många kemiska synteser, framställning av läkemedel och andra viktiga föreningar. Låt oss ägna särskild uppmärksamhet åt strukturen hos deras molekyler, egenskaper och andra egenskaper.

Halogenerade kolväten: allmänna egenskaper

Från kemivetenskapens synvinkel inkluderar denna klass av föreningar alla de kolväten i vilka en eller flera väteatomer är ersatta med en eller annan halogen. Detta är en mycket bred kategori av ämnen, eftersom de är av stor industriell betydelse. För ganska kort tid människorlärt sig hur man syntetiserar nästan alla halogenderivat av kolväten, vars användning är nödvändig inom medicin, kemisk industri, livsmedelsindustri och vardagsliv.

Den huvudsakliga metoden för att erhålla dessa föreningar är syntesvägen i laboratoriet och industrin, eftersom nästan ingen av dem förekommer i naturen. På grund av närvaron av en halogenatom är de mycket reaktiva. Detta avgör till stor del omfattningen av deras tillämpning i kemiska synteser som mellanprodukter.

Eftersom det finns många representanter för halogenerade kolväten är det vanligt att klassificera dem enligt olika kriterier. Den är baserad på både kedjans struktur och mångfalden av bindningar, och skillnaden i halogenatomerna och deras position.

Halogenderivat av kolväten: klassificering

Det första separations alternativet är baserat på allmänt accepterade principer som gäller för alla organiska föreningar. Klassificeringen baseras på skillnaden i typen av kolkedja, dess cyklicitet. På grundval av detta särskiljer de:

• begränsat halogenerade kolväten;
• unlimited;
• aromatisk;
• aliphatic;
• acyklisk.

Följande indelning baseras på typen av halogenatom och dess kvantitativa innehåll i molekylen. Så tilldela:

• monoderivat;
• diderivatives;
• tre-;
• tetra-;
• pentaderivat och så vidare.

Om vi pratar om typen av halogen, så består namnet på undergruppen av två ord. Till exempel monoklorderivatet,trijodderivat, tetrabromhaloalken och så vidare.

Det finns också ett annat klassificerings alternativ, enligt vilket huvudsakligen halogenderivat av mättade kolväten separeras. Detta är numret på kolatomen till vilken halogenen är fäst. Så tilldela:

• primära derivat;
• sekundär;
• tertiär och så vidare.

Varje specifik representant kan rangordnas efter alla tecken och bestämma den fullständiga platsen i systemet av organiska föreningar. Så till exempel en förening med sammansättningen CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3kan klassificeras så här. Det är ett omättat alifatiskt triklorderivat av penten.}

Molekylens struktur

Närvaron av halogenatomer kan inte annat än påverka både de fysikaliska och kemiska egenskaperna och de allmänna egenskaperna hos molekylens struktur. Den allmänna formeln för denna klass av föreningar är R-Hal, där R är en fri kolväteradikal av vilken struktur som helst, och Hal är en halogenatom, en eller flera. Bindningen mellan kol och halogen är starkt polariserad, vilket gör att molekylen som helhet är utsatt för två effekter:

• negativ induktiv;
• mesomeriskt positivt.

Den första av dem är mycket mer uttalad, så Hal-atomen uppvisar alltid egenskaperna hos en elektronbortdragande substituent.

Annars är alla strukturella egenskaper hos molekylen inte annorlunda än vanliga kolvätens. Egenskaperna förklaras av kedjans struktur och dessförgrening, antalet kolatomer, styrkan hos aromatiska egenskaper.

Nomenklaturen för halogenderivat av kolväten förtjänar särskild uppmärksamhet. Vad är det korrekta namnet för dessa anslutningar? För att göra detta måste du följa några regler.

1. Numreringen av kedjan börjar från kanten närmast halogenatomen. Om det finns någon multipelbindning börjar nedräkningen från den, och inte från den elektronbortdragande substituenten.
2. Namnet Hal anges i prefixet, numret på kolatomen som det avgår från ska också anges.
3. Det sista steget är att namnge huvudkedjan av atomer (eller ring).

Ett exempel på ett liknande namn: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-diklorpropen-1.

Namnet kan också ges enligt rationell nomenklatur. I det här fallet uttalas radikalens namn, och sedan namnet på halogenen med suffixet -id. Exempel: CH₃-CH₂-CH₂Br - propylbromid.

Liksom andra klasser av organiska föreningar har halogenerade kolväten en speciell struktur. Detta gör att många representanter kan utses med historiska namn. Till exempel halotan CF₃CBrClH. Närvaron av tre halogener på en gång i molekylens sammansättning ger detta ämne speciella egenskaper. Det används inom medicin, därför är det det historiska namnet som används oftast.

Syntesmetoder

Metoder för att erhålla halogenderivat av kolväten är tillräckligavarierande. Det finns fem huvudsakliga metoder för syntes av dessa föreningar i laboratoriet och industrin.

1. Halogenering av konventionella normala kolväten. Allmänt reaktionsschema: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Funktionerna i processen är som följer: med klor och brom är ultraviolett bestrålning nödvändig, med jod är reaktionen nästan omöjlig eller mycket långsam. Interaktionen med fluor är för aktiv, så denna halogen kan inte användas i sin rena form. Dessutom, vid halogenering av aromatiska derivat, är det nödvändigt att använda speciella processkatalysatorer - Lewis-syror. Till exempel järn eller aluminiumklorid.
2. Att erhålla halogenderivat av kolväten sker också genom hydrohalogenering. För detta måste emellertid utgångsföreningen nödvändigtvis vara ett omättat kolväte. Exempel: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Oftast används en sådan elektrofil tillsats för att erhålla kloretylen eller vinylklorid, eftersom denna förening är ett viktigt råmaterial för industriella synteser.
3. Effekten av hydrohalogener på alkoholer. Allmän bild av reaktionen: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. En egenskap är den obligatoriska närvaron av en katalysator. Exempel på processacceleratorer som kan användas är fosfor, svavel, zink eller järnklorider, svavelsyra, en lösning av zinkklorid i s altsyra - Lucas reagens.
4. Dekarboxylering av sura s alter med ett oxidationsmedel. Ett annat namn för metoden är Borodin-Hunsdicker-reaktionen. Summan av kardemumman är avlägsnandet av en koldioxidmolekylfrån silverderivat av karboxylsyror när de utsätts för ett oxidationsmedel - halogen. Som ett resultat bildas halogenderivat av kolväten. Reaktioner ser generellt ut så här: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Syntes av haloformer. Detta är med andra ord produktionen av trihalogenderivat av metan. Det enklaste sättet att framställa dem är att behandla aceton med en alkalisk lösning av halogener. Som ett resultat uppstår bildningen av haloformmolekyler. Halogenderivat av aromatiska kolväten syntetiseras i industrin på samma sätt.

Särskild uppmärksamhet bör ägnas åt syntesen av ett obegränsat antal representanter för den övervägda klassen. Huvudmetoden är behandling av alkyner med kvicksilver och koppars alter i närvaro av halogener, vilket leder till bildandet av en produkt med en dubbelbindning i kedjan.

Halogenderivat av aromatiska kolväten erhålls genom halogeneringsreaktioner av arener eller alkylarener till en sidokedja. Dessa är viktiga industriprodukter eftersom de används som insekticider i jordbruket.

Fysiska egenskaper

De fysikaliska egenskaperna hos halogenderivat av kolväten beror direkt på molekylens struktur. Kok- och smältpunkterna, aggregationstillståndet påverkas av antalet kolatomer i kedjan och eventuella förgreningar åt sidan. Ju fler av dem, desto högre poäng. I allmänhet är det möjligt att karakterisera de fysiska parametrarna på flera punkter.

1. Aggregerat tillstånd: det första lägstarepresentanter - gaser, efter С₁₂ - vätskor, ovan - fasta ämnen.
2. Nästan alla representanter har en skarp obehaglig specifik lukt.
3. Mycket dåligt lösligt i vatten, men utmärkta lösningsmedel i sig. De löser sig mycket bra i organiska föreningar.
4. Kok- och smältpunkter ökar med antalet kolatomer i huvudkedjan.
5. Alla föreningar utom fluorderivat är tyngre än vatten.
6. Ju fler grenar i huvudkedjan, desto lägre kokpunkt har ämnet.

Det är svårt att identifiera många likheter, eftersom representanterna skiljer sig mycket åt i sammansättning och struktur. Därför är det bättre att ge värden för varje specifik förening från en given serie kolväten.

Kemiska egenskaper

En av de viktigaste parametrarna som måste beaktas i den kemiska industrin och syntesreaktioner är de kemiska egenskaperna hos halogenerade kolväten. De är inte lika för alla representanter, eftersom det finns flera anledningar till skillnaden.

1. Strukturen av kolkedjan. De enklaste substitutionsreaktionerna (av nukleofil typ) sker med sekundära och tertiära haloalkyler.
2. Typen av halogenatom är också viktig. Bindningen mellan kol och Hal är starkt polariserad, vilket gör det lätt att bryta med frisättningen av fria radikaler. Bindningen mellan jod och kol bryts dock lättast, vilket förklaras av en regelbunden förändring (minskning) av bindningsenergin i serien: F-Cl-Br-I.
3. Närvaron av aromatiskaradikala eller multipelbindningar.
4. Struktur och förgrening av radikalen själv.

I allmänhet reagerar halogenerade alkyler bäst med nukleofil substitution. När allt kommer omkring är en delvis positiv laddning koncentrerad på kolatomen efter att ha brutit bindningen med halogenen. Detta tillåter radikalen som helhet att bli en acceptor av elektronegativa partiklar. Till exempel:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- och andra.

Detta förklarar det faktum att det är möjligt att gå från halogenderivat av kolväten till nästan vilken klass av organiska föreningar som helst, du behöver bara välja lämpligt reagens som ger den önskade funktionella gruppen.

I allmänhet kan vi säga att de kemiska egenskaperna hos halogenderivat av kolväten är förmågan att ingå i följande interaktioner.

1. Med olika typer av nukleofila partiklar - substitutionsreaktioner. Resultatet kan bli: alkoholer, etrar och estrar, nitroföreningar, aminer, nitriler, karboxylsyror.
2. Reaktioner av eliminering eller dehydrohalogenering. Som ett resultat av exponering för en alkohollösning av alkali spjälkas en vätehalogenidmolekyl. Det är så en alken bildas, lågmolekylära biprodukter - s alt och vatten. Reaktionsexempel: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Dessa processer är ett av de viktigaste sätten att syntetisera viktiga alkener. Processen åtföljs alltid av höga temperaturer.
3. Erhålla alkaner med normal struktur med Wurtz-syntesmetoden. Kärnan i reaktionen är effekten på ett halogensubstituerat kolväte (två molekyler) med metalliskt natrium. Som en starkt elektropositiv jon accepterar natrium halogenatomer från föreningen. Som ett resultat är de frigjorda kolväteradikalerna sammankopplade med en bindning, vilket bildar en alkan med en ny struktur. Exempel: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Syntes av homologer av aromatiska kolväten med Friedel-Crafts-metoden. Kärnan i processen är verkan av haloalkyl på bensen i närvaro av aluminiumklorid. Som ett resultat av substitutionsreaktionen sker bildningen av toluen och väteklorid. I detta fall är närvaron av en katalysator nödvändig. Förutom bensen i sig kan dess homologer också oxideras på detta sätt.
5. Hämta Greignard-vätskan. Detta reagens är ett halogensubstituerat kolväte med en magnesiumjon i kompositionen. Inledningsvis verkar metalliskt magnesium i eter på haloalkylderivatet. Som ett resultat bildas en komplex förening med den allmänna formeln RMgHal, kallad Greignard-reagenset.
6. Reduktionsreaktioner på alkan (alken, arena). Utförs vid exponering för väte. Som ett resultat bildas ett kolväte och en biprodukt, vätehalogenid. Allmänt exempel: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Dessa är de viktigaste interaktionerna därhalogenderivat av kolväten av olika strukturer kan lätt komma in. Naturligtvis finns det specifika reaktioner som bör beaktas för varje enskild representant.

Isomerism of molecules

Isomerism av halogenerade kolväten är ett ganska naturligt fenomen. När allt kommer omkring är det känt att ju fler kolatomer i kedjan, desto fler isomera former. Dessutom har omättade representanter flera bindningar, vilket också gör att isomerer uppstår.

Det finns två huvudvarianter av detta fenomen för denna klass av föreningar.

1. Isomerism av kolskelettet hos radikalen och huvudkedjan. Detta inkluderar även positionen för multipelbindningen, om den finns i molekylen. Som med enkla kolväten, med utgångspunkt från den tredje representanten, kan formler för föreningar som har identiska molekylära men olika strukturformeluttryck skrivas. För halogensubstituerade kolväten är dessutom antalet isomera former en storleksordning högre än för deras motsvarande alkaner (alkener, alkyner, arener och så vidare).
2. Halogenens position i molekylen. Dess plats i namnet indikeras med ett nummer, och även om det bara ändras med en, så kommer egenskaperna hos sådana isomerer redan att vara helt annorlunda.

Spatial isomerism är uteslutet här, eftersom halogenatomer gör det omöjligt. Liksom alla andra organiska föreningar skiljer sig haloalkylisomerer inte bara i struktur utan också i fysikaliska och kemiska egenskaper.egenskaper.

Derivat av omättade kolväten

Det finns naturligtvis många sådana kopplingar. Vi är dock intresserade av halogenderivat av omättade kolväten. De kan också delas in i tre huvudgrupper.

1. Vinyl - när Hal-atomen är placerad direkt vid kolatomen i multipelbindningen. Molekylexempel: CH₂=CCL_2.
2. Med isolerat läge. Halogenatomen och multipelbindningen är belägna i motsatta delar av molekylen. Exempel: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allylderivat - halogenatomen är lokaliserad till dubbelbindningen genom en kolatom, det vill säga den är i alfaposition. Exempel: CH₂=CH-CH₂-CL.

Av särskild betydelse är vinylklorid CH₂=CHCL. Den är kapabel till polymerisationsreaktioner för att bilda viktiga produkter som isoleringsmaterial, vattentäta tyger och mer.

En annan representant för omättade halogenderivat är kloropren. Dess formel är CH₂=CCL-CH=CH₂. Denna förening är råmaterialet för syntes av värdefulla typer av gummi, som kännetecknas av brandmotstånd, lång livslängd och dålig gaspermeabilitet.

Tetrafluoretylen (eller Teflon) är en polymer som har högkvalitativa tekniska parametrar. Den används för tillverkning av en värdefull beläggning av tekniska delar, redskap, olika apparater. Formel - CF₂=CF₂.

Aromatiskkolväten och deras derivat

Aromatiska föreningar är de föreningar som inkluderar en bensenring. Bland dem finns också en hel grupp halogenderivat. Två huvudtyper kan särskiljas genom sin struktur.

1. Om Hal-atomen är bunden direkt till kärnan, det vill säga den aromatiska ringen, så kallas föreningarna haloarener.
2. Halogenatomen är inte kopplad till ringen, utan till sidokedjan av atomer, det vill säga radikalen som går till sidogrenen. Sådana föreningar kallas arylalkylhalider.

Bland de ämnen som övervägs finns flera representanter av största praktiska betydelse.

1. Hexaklorbensen - C₆Cl₆. Sedan början av 1900-talet har den använts som en stark svampdödande medel, såväl som som en insekticid. Den har en bra desinficerande effekt, så den användes för att bearbeta frön före sådd. Den har en obehaglig lukt, vätskan är ganska frätande, genomskinlig och kan orsaka tårbildning.
2. Benzylbromide С₆Н₅CH₂Br. Används som ett viktigt reagens vid syntes av organometalliska föreningar.
3. Klorbensen C₆H₅CL. Flytande färglöst ämne med en specifik lukt. Det används vid tillverkning av färgämnen, bekämpningsmedel. Det är ett av de bästa organiska lösningsmedlen.

Industriell användning

Halogenderivat av kolväten används i industri och kemisk syntesväldigt bred. Vi har redan talat om omättade och aromatiska representanter. Låt oss nu generellt beteckna användningsområdena för alla föreningar i denna serie.

1. I konstruktion.
2. Som lösningsmedel.
3. Vid tillverkning av tyger, gummi, gummi, färgämnen, polymermaterial.
4. För syntes av många organiska föreningar.
5. Fluorderivat (freoner) är köldmedier i kylenheter.
6. Används som bekämpningsmedel, insekticider, fungicider, oljor, torkande oljor, hartser, smörjmedel.
7. Gå till tillverkning av isoleringsmaterial etc.