Halogenirani ugljikovodici: proizvodnja, kemijska svojstva, primjena

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

Ugljikovodici su vrlo velika klasa organskih spojeva. Uključuju nekoliko glavnih skupina tvari, među kojima se gotovo svaka široko koristi u industriji, svakodnevnom životu i prirodi. Od posebne su važnosti halogenirani ugljikovodici, o kojima će biti riječi u članku. Oni nisu samo od velike industrijske važnosti, već su i važne sirovine za mnoge kemijske sinteze, dobivanje lijekova i drugih važnih spojeva. Obratite posebnu pozornost na strukturu njihovih molekula, svojstva i druge značajke.

Halogenirani ugljikovodici: opće karakteristike

Sa stajališta kemijske znanosti, ova klasa spojeva uključuje sve one ugljikovodike u kojima je jedan ili više atoma vodika zamijenjeno jednim ili drugim halogenom. Ovo je vrlo široka kategorija tvari, jer su od velike industrijske važnosti. Za dosta kratko vrijeme ljudinaučili sintetizirati gotovo sve halogene derivate ugljikovodika, čija je upotreba neophodna u medicini, kemijskoj industriji, prehrambenoj industriji i svakodnevnom životu.

Glavna metoda za dobivanje ovih spojeva je sintetički put u laboratoriju i industriji, budući da se gotovo nijedan od njih ne pojavljuje u prirodi. Zbog prisutnosti atoma halogena, vrlo su reaktivni. To uvelike određuje opseg njihove primjene u kemijskim sintezama kao međuprodukta.

Budući da postoji mnogo predstavnika halogeniranih ugljikovodika, uobičajeno ih je klasificirati prema različitim kriterijima. Temelji se i na strukturi lanca i na mnoštvu veza, te na razlici u atomima halogena i njihovom položaju.

Halogeni derivati ugljikovodika: klasifikacija

Prva opcija odvajanja temelji se na općeprihvaćenim principima koji se primjenjuju na sve organske spojeve. Klasifikacija se temelji na razlici u vrsti ugljičnog lanca, njegovoj cikličnosti. Na osnovu toga razlikuju:

• ograničeni halogenirani ugljikovodici;
• neograničeno;
• aromatično;
• alifatski;
• aciklički.

Sljedeća podjela temelji se na vrsti atoma halogena i njegovom kvantitativnom sadržaju u molekuli. Dakle, dodijelite:

• mono derivati;
• diderivati;
• tri-;
• tetra-;
• penta derivati i tako dalje.

Ako govorimo o vrsti halogena, onda se naziv podskupine sastoji od dvije riječi. Na primjer, monokloro derivat,derivat trijoda, tetrabromohaloalken i tako dalje.

Postoji i druga opcija klasifikacije, prema kojoj se odvajaju uglavnom halogeni derivati zasićenih ugljikovodika. Ovo je broj atoma ugljika na koji je vezan halogen. Dakle, dodijelite:

• primarni derivati;
• sekundarni;
• tercijarno i tako dalje.

Svaki pojedini predstavnik može se rangirati po svim znakovima i odrediti puno mjesto u sustavu organskih spojeva. Tako, na primjer, spoj sa sastavom CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3može ovako klasificirati. To je nezasićeni alifatski trikloro derivat pentena.}

Struktura molekule

Prisutnost atoma halogena ne može a da ne utječe na fizička i kemijska svojstva, te na opća obilježja strukture molekule. Opća formula za ovu klasu spojeva je R-Hal, gdje je R slobodni ugljikovodični radikal bilo koje strukture, a Hal je atom halogena, jedan ili više. Veza između ugljika i halogena je snažno polarizirana, zbog čega je molekula kao cjelina sklona dvama učincima:

• negativna induktivna;
• mezomerički pozitivni.

Prvi od njih puno je izraženiji, pa Hal atom uvijek pokazuje svojstva supstituenta koji povlači elektrone.

Inače, sve strukturne značajke molekule se ne razlikuju od onih običnih ugljikovodika. Svojstva se objašnjavaju strukturom lanca i njegovomgrananje, broj ugljikovih atoma, jačina aromatičnih osobina.

Nomenklatura halogenih derivata ugljikovodika zaslužuje posebnu pozornost. Koji je točan naziv za te veze? Da biste to učinili, morate slijediti nekoliko pravila.

1. Numeriranje lanca počinje od ruba najbližeg atomu halogena. Ako postoji višestruka veza, odbrojavanje počinje od nje, a ne od supstituenta koji povlači elektrone.
2. U prefiksu je naznačeno ime Hal, također treba navesti broj atoma ugljika od kojeg polazi.
3. Posljednji korak je imenovanje glavnog lanca atoma (ili prstena).

Primjer sličnog imena: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dikloropropen-1.

Također, naziv se može dati prema racionalnoj nomenklaturi. U tom slučaju se izgovara naziv radikala, a zatim naziv halogena sa sufiksom -id. Primjer: CH₃-CH₂-CH₂Br - propil bromid.

Kao i druge klase organskih spojeva, halogenirani ugljikovodici imaju posebnu strukturu. To omogućuje da mnogi predstavnici budu označeni povijesnim imenima. Na primjer, halotan CF₃CBrClH. Prisutnost tri halogena odjednom u sastavu molekule daje ovoj tvari posebna svojstva. Koristi se u medicini, stoga je to povijesni naziv koji se najčešće koristi.

Metode sinteze

Dostatne su metode za dobivanje halogenih derivata ugljikovodikaraznolik. Postoji pet glavnih metoda za sintezu ovih spojeva u laboratoriju i industriji.

1. Halogeniranje konvencionalnih normalnih ugljikovodika. Opća shema reakcije: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Značajke procesa su sljedeće: s klorom i bromom potrebno je ultraljubičasto zračenje, s jodom je reakcija gotovo nemoguća ili vrlo spora. Interakcija s fluorom je previše aktivna, pa se ovaj halogen ne može koristiti u svom čistom obliku. Osim toga, kod halogeniranja aromatskih derivata potrebno je koristiti posebne procesne katalizatore – Lewisove kiseline. Na primjer, željezni ili aluminijev klorid.
2. Dobivanje halogenih derivata ugljikovodika također se provodi hidrohalogenacijom. Međutim, za to, polazni spoj mora nužno biti nezasićeni ugljikovodik. Primjer: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Najčešće se takav elektrofilni dodatak koristi za dobivanje kloretilena ili vinil klorida, budući da je ovaj spoj važna sirovina za industrijske sinteze.
3. Učinak hidrohalogena na alkohole. Opći pogled na reakciju: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Značajka je obvezna prisutnost katalizatora. Primjeri akceleratora procesa koji se mogu koristiti su fosfor, sumpor, cink ili željezni kloridi, sumporna kiselina, otopina cinkovog klorida u klorovodičnoj kiselini - Lucasov reagens.
4. Dekarboksilacija kiselih soli oksidacijskim sredstvom. Drugi naziv za metodu je Borodin-Hunsdickerova reakcija. Zaključak je uklanjanje molekule ugljičnog dioksidaiz srebrnih derivata karboksilnih kiselina kada su izloženi oksidacijskom sredstvu - halogenu. Kao rezultat, nastaju halogeni derivati ugljikovodika. Reakcije općenito izgledaju ovako: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Sinteza haloforma. Drugim riječima, radi se o proizvodnji trihalogenih derivata metana. Najlakši način za njihovu proizvodnju je tretiranje acetona alkalnom otopinom halogena. Kao rezultat, dolazi do stvaranja haloformnih molekula. Halogeni derivati aromatskih ugljikovodika sintetiziraju se u industriji na isti način.

Posebnu pozornost treba posvetiti sintezi neograničenih predstavnika razmatrane klase. Glavna metoda je obrada alkina solima žive i bakra u prisutnosti halogena, što dovodi do stvaranja proizvoda s dvostrukom vezom u lancu.

Halogeni derivati aromatskih ugljikovodika dobivaju se reakcijama halogeniranja arena ili alkilarena u bočni lanac. Ovo su važni industrijski proizvodi jer se koriste kao insekticidi u poljoprivredi.

Fizička svojstva

Fizička svojstva halogenih derivata ugljikovodika izravno ovise o strukturi molekule. Na vrelište i talište, agregatno stanje utječe broj ugljikovih atoma u lancu i moguće grane na stranu. Što ih je više, to su rezultati veći. Općenito, moguće je karakterizirati fizičke parametre u nekoliko točaka.

1. Agregatno stanje: prvo najnižepredstavnici - plinovi, nakon S₁₂ - tekućine, iznad - krute tvari.
2. Gotovo svi predstavnici imaju oštar neugodan specifičan miris.
3. Vrlo slabo topiv u vodi, ali sama izvrsna otapala. Vrlo dobro se otapaju u organskim spojevima.
4. Točke ključanja i taljenja rastu s brojem ugljikovih atoma u glavnom lancu.
5. Svi spojevi osim derivata fluora su teži od vode.
6. Što je više grana u glavnom lancu, niža je točka vrelišta tvari.

Teško je identificirati mnoge zajedničke sličnosti, jer se predstavnici uvelike razlikuju po sastavu i strukturi. Stoga je bolje dati vrijednosti za svaki specifični spoj iz dane serije ugljikovodika.

Kemijska svojstva

Jedan od najvažnijih parametara koji se moraju uzeti u obzir u kemijskoj industriji i reakcijama sinteze su kemijska svojstva halogeniranih ugljikovodika. Nisu isti za sve predstavnike, jer postoji niz razloga za razliku.

1. Struktura ugljičnog lanca. Najjednostavnije supstitucijske reakcije (nukleofilnog tipa) javljaju se sa sekundarnim i tercijalnim haloalkilima.
2. Vrsta atoma halogena je također važna. Veza između ugljika i Hala snažno je polarizirana, što olakšava raskidanje s oslobađanjem slobodnih radikala. Međutim, veza između joda i ugljika najlakše puca, što se objašnjava redovitom promjenom (smanjenjem) energije veze u nizu: F-Cl-Br-I.
3. Prisutnost aromatičnogradikalne ili višestruke veze.
4. Struktura i grananje samog radikala.

Općenito, halogenirani alkili najbolje reagiraju s nukleofilnom supstitucijom. Uostalom, djelomično pozitivan naboj koncentriran je na atom ugljika nakon prekida veze s halogenom. To omogućuje radikalu kao cjelini da postane akceptor elektronegativnih čestica. Na primjer:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NE₂^-;
• CN^- i drugi.

Ovo objašnjava činjenicu da je od halogenih derivata ugljikovodika moguće prijeći na gotovo bilo koju klasu organskih spojeva, samo trebate odabrati odgovarajući reagens koji će osigurati željenu funkcionalnu skupinu.

Općenito, možemo reći da su kemijska svojstva halogenih derivata ugljikovodika sposobnost ulaska u sljedeće interakcije.

1. S raznim vrstama nukleofilnih čestica - supstitucijske reakcije. Rezultat mogu biti: alkoholi, eteri i esteri, nitro spojevi, amini, nitrili, karboksilne kiseline.
2. Reakcije eliminacije ili dehidrohalogenacije. Kao rezultat izlaganja alkoholnoj otopini lužine, molekula halogenvodika se cijepa. Tako nastaje alken, nusproizvodi male molekularne težine - sol i voda. Primjer reakcije: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Ovi procesi su jedan od glavnih načina za sintezu važnih alkena. Proces je uvijek popraćen visokim temperaturama.
3. Dobivanje alkana normalne strukture metodom Wurtz sinteze. Bit reakcije je učinak na halogen-supstituirani ugljikovodik (dvije molekule) s metalnim natrijem. Kao jako elektropozitivan ion, natrij prihvaća atome halogena iz spoja. Kao rezultat toga, oslobođeni ugljikovodični radikali su međusobno povezani vezom, tvoreći alkan nove strukture. Primjer: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Sinteza homologa aromatskih ugljikovodika Friedel-Crafts metodom. Bit procesa je djelovanje haloalkila na benzen u prisutnosti aluminij klorida. Kao rezultat reakcije supstitucije dolazi do stvaranja toluena i klorovodika. U tom slučaju je neophodna prisutnost katalizatora. Osim samog benzena, na ovaj se način mogu oksidirati i njegovi homolozi.
5. Dobivanje Greignardove tekućine. Ovaj reagens je halogen-supstituirani ugljikovodik s magnezijevim ionom u sastavu. U početku, metalni magnezij u eteru djeluje na haloalkil derivat. Kao rezultat, nastaje kompleksni spoj s općom formulom RMgHal, nazvan Greignardov reagens.
6. Reakcije redukcije na alkan (alken, arena). Izvodi se kada je izložen vodiku. Kao rezultat, nastaju ugljikovodik i nusprodukt, halogen vodik. Opći primjer: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Ovo su glavne interakcije u kojimalako mogu ući halogeni derivati ugljikovodika različite strukture. Naravno, postoje specifične reakcije koje treba uzeti u obzir za svakog pojedinog predstavnika.

Izomerizam molekula

Izomerizam halogeniranih ugljikovodika je sasvim prirodan fenomen. Uostalom, poznato je da što je više ugljikovih atoma u lancu, to je veći broj izomernih oblika. Osim toga, nezasićeni predstavnici imaju višestruke veze, što također uzrokuje pojavu izomera.

Postoje dvije glavne varijante ovog fenomena za ovu klasu spojeva.

1. Izomerizam ugljičnog kostura radikala i glavnog lanca. To također uključuje položaj višestruke veze, ako postoji u molekuli. Kao i kod jednostavnih ugljikovodika, počevši od trećeg predstavnika, mogu se pisati formule spojeva koji imaju identične molekularne, ali različite strukturne formule. Štoviše, za ugljikovodike supstituirane halogenom, broj izomernih oblika je red veličine veći nego za njihove odgovarajuće alkane (alkene, alkine, arene i tako dalje).
2. Položaj halogena u molekuli. Njegovo mjesto u nazivu označeno je brojem, a čak i ako se promijeni za samo jedan, tada će svojstva takvih izomera već biti potpuno drugačija.

Prostorni izomerizam ovdje ne dolazi u obzir, jer ga atomi halogena onemogućuju. Kao i svi drugi organski spojevi, haloalkilni izomeri razlikuju se ne samo po strukturi, već i po fizičkim i kemijskim svojstvima.karakteristike.

Derivati nezasićenih ugljikovodika

Postoji, naravno, mnogo takvih veza. Međutim, zanimaju nas halogeni derivati nezasićenih ugljikovodika. Također se mogu podijeliti u tri glavne skupine.

1. Vinil - kada se Hal atom nalazi izravno na ugljikovom atomu višestruke veze. Primjer molekule: CH₂=CCL_2.
2. S izoliranim položajem. Atom halogena i višestruka veza nalaze se u suprotnim dijelovima molekule. Primjer: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Alil derivati - atom halogena se nalazi na dvostrukoj vezi kroz jedan atom ugljika, odnosno nalazi se u alfa položaju. Primjer: CH₂=CH-CH₂-CL.

Od posebne važnosti je vinil klorid CH₂=CHCL. Sposoban je za reakcije polimerizacije za stvaranje važnih proizvoda kao što su izolacijski materijali, vodootporne tkanine i još mnogo toga.

Drugi predstavnik nezasićenih halogenih derivata je kloropren. Njegova formula je CH₂=CCL-CH=CH2. Ovaj spoj je sirovina za sintezu vrijednih vrsta gume, koje se odlikuju vatrootpornošću, dugim vijekom trajanja i slabom propusnošću plinova.

Tetrafluoroetilen (ili teflon) je polimer koji ima visokokvalitetne tehničke parametre. Koristi se za izradu vrijednog premaza tehničkih dijelova, pribora, raznih uređaja. Formula - CF₂=CF₂.

Aromatičnougljikovodici i njihovi derivati

Aromatični spojevi su oni spojevi koji uključuju benzenski prsten. Među njima je i cijela skupina halogenih derivata. Dvije glavne vrste mogu se razlikovati po njihovoj strukturi.

1. Ako je atom Hal vezan izravno na jezgru, odnosno na aromatični prsten, tada se spojevi nazivaju haloareni.
2. Atom halogena nije spojen na prsten, već na bočni lanac atoma, odnosno radikal koji ide na bočnu granu. Takvi spojevi nazivaju se arilalkil halogenidi.

Među tvarima koje se razmatraju, postoji nekoliko predstavnika najveće praktične važnosti.

1. Heksaklorobenzen - C₆Cl₆. Od početka 20. stoljeća koristi se kao jak fungicid, ali i kao insekticid. Ima dobro dezinfekcijsko djelovanje, pa se koristio za dotjerivanje sjemena prije sjetve. Ima neugodan miris, tekućina je prilično zajeda, prozirna i može izazvati suzenje.
2. Benzil bromid S₆N₅CH₂Br. Koristi se kao važan reagens u sintezi organometalnih spojeva.
3. klorobenzen C₆H₅CL. Tekuća bezbojna tvar specifičnog mirisa. Koristi se u proizvodnji boja, pesticida. To je jedno od najboljih organskih otapala.

Industrijska upotreba

Halogeni derivati ugljikovodika koriste se u industriji i kemijskoj sintezivrlo široka. Već smo govorili o nezasićenim i aromatičnim predstavnicima. Označimo sada općenito područja upotrebe svih spojeva ove serije.

1. U izgradnji.
2. Kao otapala.
3. U proizvodnji tkanina, gume, gume, bojila, polimernih materijala.
4. Za sintezu mnogih organskih spojeva.
5. Derivati fluora (freoni) su rashladna sredstva u rashladnim jedinicama.
6. Koristi se kao pesticidi, insekticidi, fungicidi, ulja, ulja za sušenje, smole, maziva.
7. Idite na proizvodnju izolacijskih materijala, itd.