Halogenirani ogljikovodiki: proizvodnja, kemijske lastnosti, uporaba

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 05:41

Ogljikovodiki so zelo velik razred organskih spojin. Vključujejo več glavnih skupin snovi, med katerimi se skoraj vsaka pogosto uporablja v industriji, vsakdanjem življenju in naravi. Posebej pomembni so halogenirani ogljikovodiki, o katerih bomo govorili v članku. Niso le velikega industrijskega pomena, ampak so tudi pomembna surovina za številne kemične sinteze, pridobivanje zdravil in drugih pomembnih spojin. Bodimo še posebej pozorni na strukturo njihovih molekul, lastnosti in druge lastnosti.

Halogenirani ogljikovodiki: splošne značilnosti

Z vidika kemijske znanosti ta razred spojin vključuje vse tiste ogljikovodike, v katerih je en ali več vodikovih atomov nadomeščen z enim ali drugim halogenom. To je zelo široka kategorija snovi, saj so velikega industrijskega pomena. Za precej kratek čas ljudjenaučili sintetizirati skoraj vse halogenske derivate ogljikovodikov, katerih uporaba je nujna v medicini, kemični industriji, živilski industriji in vsakdanjem življenju.

Glavna metoda za pridobivanje teh spojin je sintetična pot v laboratoriju in industriji, saj se v naravi skoraj nobena od njih ne pojavlja. Zaradi prisotnosti atoma halogena so zelo reaktivni. To v veliki meri določa obseg njihove uporabe v kemičnih sintezah kot intermediatov.

Ker obstaja veliko predstavnikov halogeniranih ogljikovodikov, jih je običajno razvrstiti po različnih kriterijih. Temelji tako na strukturi verige kot na množici vezi ter na razliki v atomih halogenov in njihovem položaju.

Halogenski derivati ogljikovodikov: klasifikacija

Prva možnost ločevanja temelji na splošno sprejetih načelih, ki veljajo za vse organske spojine. Razvrstitev temelji na razliki v vrsti ogljikove verige, njeni cikličnosti. Na podlagi tega razlikujejo:

• omejena količina halogeniranih ogljikovodikov;
• neomejeno;
• aromatično;
• alifatski;
• aciklično.

Naslednja delitev temelji na vrsti atoma halogena in njegovi kvantitativni vsebnosti v molekuli. Torej dodelite:

• mono izpeljanke;
• diderivati;
• tri-;
• tetra-;
• penta derivati in tako naprej.

Če govorimo o vrsti halogena, potem je ime podskupine sestavljeno iz dveh besed. Na primer monokloro derivat,trijod derivat, tetrabromohaloalken in tako naprej.

Obstaja tudi druga možnost klasifikacije, po kateri se ločujejo predvsem halogenski derivati nasičenih ogljikovodikov. To je število ogljikovega atoma, na katerega je vezan halogen. Torej dodelite:

• primarni izvedeni finančni instrumenti;
• sekundarno;
• terciarno in tako naprej.

Vsakega posameznega predstavnika je mogoče razvrstiti po vseh znakih in določiti polno mesto v sistemu organskih spojin. Torej, na primer spojina s sestavo CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3se lahko tako razvrsti. Je nenasičen alifatski trikloro derivat pentena.}

Struktura molekule

Prisotnost atomov halogenov ne more le vplivati na fizikalne in kemijske lastnosti ter splošne značilnosti strukture molekule. Splošna formula za ta razred spojin je R-Hal, kjer je R prosti ogljikovodikov radikal katere koli strukture, Hal pa je atom halogena, eden ali več. Vez med ogljikom in halogenom je močno polarizirana, zaradi česar je molekula kot celota nagnjena k dvema učinkoma:

• negativna induktivna;
• mezomerična pozitivna.

Prvi od njih je veliko bolj izrazit, zato ima atom Hal vedno lastnosti substituenta, ki odvzema elektrone.

Sicer pa se vse strukturne značilnosti molekule ne razlikujejo od tistih pri običajnih ogljikovodikih. Lastnosti so razložene s strukturo verige in njenorazvejanost, število ogljikovih atomov, moč aromatičnih lastnosti.

Nomenklatura halogenih derivatov ogljikovodikov si zasluži posebno pozornost. Kakšno je pravilno ime za te povezave? Če želite to narediti, morate upoštevati nekaj pravil.

1. Oštevilčenje verige se začne od roba, ki je najbližje atomu halogena. Če obstaja kakšna večkratna vez, se odštevanje začne od nje in ne od substituenta, ki umika elektrone.
2. Ime Hal je navedeno v predponi, navedena mora biti tudi številka ogljikovega atoma, od katerega izhaja.
3. Zadnji korak je poimenovanje glavne verige atomov (ali obroča).

Primer podobnega imena: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dikloropropen-1.

Prav tako je mogoče ime dati po racionalni nomenklaturi. V tem primeru se izgovori ime radikala, nato pa ime halogena s pripono -id. Primer: CH₃-CH₂-CH₂Br - propil bromid.

Tako kot drugi razredi organskih spojin imajo halogenirani ogljikovodiki posebno strukturo. To omogoča, da so številni predstavniki označeni z zgodovinskimi imeni. Na primer, halotan CF₃CBrClH. Prisotnost treh halogenov naenkrat v sestavi molekule daje tej snovi posebne lastnosti. Uporablja se v medicini, zato je najpogosteje uporabljeno zgodovinsko ime.

Metode sinteze

Zadostujejo metode za pridobivanje halogenih derivatov ogljikovodikovpestro. Obstaja pet glavnih metod za sintezo teh spojin v laboratoriju in industriji.

1. Halogeniranje običajnih normalnih ogljikovodikov. Splošna reakcijska shema: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Značilnosti postopka so naslednje: s klorom in bromom je potrebno ultravijolično obsevanje, z jodom je reakcija skoraj nemogoča ali zelo počasna. Interakcija s fluorom je preveč aktivna, zato tega halogena ni mogoče uporabiti v čisti obliki. Poleg tega je pri halogeniranju aromatskih derivatov potrebno uporabiti posebne procesne katalizatorje - Lewisove kisline. Na primer železov ali aluminijev klorid.
2. Pridobivanje halogenih derivatov ogljikovodikov poteka tudi s hidrohalogeniranjem. Za to pa mora biti izhodna spojina nujno nenasičen ogljikovodik. Primer: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Najpogosteje se tak elektrofilni dodatek uporablja za pridobivanje kloretilena ali vinilklorida, saj je ta spojina pomembna surovina za industrijske sinteze.
3. Učinek hidrohalogenov na alkohole. Splošni pogled na reakcijo: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Značilnost je obvezna prisotnost katalizatorja. Primeri pospeševalnikov procesov, ki jih je mogoče uporabiti, so fosfor, žveplo, cinkov ali železov klorid, žveplova kislina, raztopina cinkovega klorida v klorovodikovi kislini - Lucasov reagent.
4. Dekarboksilacija kislinskih soli z oksidantom. Drugo ime za metodo je reakcija Borodin-Hunsdicker. Bistvo je odstranitev molekule ogljikovega dioksidaiz srebrovih derivatov karboksilnih kislin, ko so izpostavljeni oksidantu - halogenu. Posledično nastanejo halogenski derivati ogljikovodikov. Reakcije na splošno izgledajo takole: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Sinteza haloform. Z drugimi besedami, to je proizvodnja trihalogenih derivatov metana. Najlažji način za njihovo proizvodnjo je obdelava acetona z alkalno raztopino halogenov. Posledično pride do tvorbe haloformnih molekul. Halogeni derivati aromatskih ogljikovodikov se sintetizirajo v industriji na enak način.

Posebno pozornost je treba nameniti sintezi neomejenih predstavnikov obravnavanega razreda. Glavna metoda je obdelava alkinov z živosrebrnimi in bakrovimi solmi v prisotnosti halogenov, kar vodi do nastanka produkta z dvojno vezjo v verigi.

Halogenski derivati aromatskih ogljikovodikov so pridobljeni s halogenacijskimi reakcijami arenov ali alkilarenov v stransko verigo. To so pomembni industrijski proizvodi, saj se uporabljajo kot insekticidi v kmetijstvu.

Fizične lastnosti

Fizikalne lastnosti halogenih derivatov ogljikovodikov so neposredno odvisne od strukture molekule. Na vrelišče in tališče, na agregacijsko stanje vpliva število ogljikovih atomov v verigi in možne veje na stran. Več kot jih je, višje so ocene. Na splošno je mogoče fizične parametre opisati v več točkah.

1. Agregatno stanje: prvo najnižjepredstavniki - plini, po С₁₂ - tekočine, zgoraj - trdne snovi.
2. Skoraj vsi predstavniki imajo oster neprijeten specifičen vonj.
3. Zelo slabo topen v vodi, a sama odlična topila. Zelo dobro se raztopijo v organskih spojinah.
4. Vrelišče in tališče naraščata s številom ogljikovih atomov v glavni verigi.
5. Vse spojine razen derivatov fluora so težje od vode.
6. Več kot je vej v glavni verigi, nižje je vrelišče snovi.

Težko je ugotoviti veliko skupnih podobnosti, saj se predstavniki močno razlikujejo po sestavi in strukturi. Zato je bolje podati vrednosti za vsako specifično spojino iz dane serije ogljikovodikov.

Kemijske lastnosti

Eden najpomembnejših parametrov, ki jih je treba upoštevati v kemični industriji in sinteznih reakcijah, so kemijske lastnosti halogeniranih ogljikovodikov. Niso enaki za vse predstavnike, saj obstaja več razlogov za razliko.

1. Struktura ogljikove verige. Najpreprostejše substitucijske reakcije (nukleofilnega tipa) se pojavijo pri sekundarnih in terciarnih haloalkilih.
2. Pomembna je tudi vrsta atoma halogena. Vez med ogljikom in Halom je močno polarizirana, kar olajša prekinitev s sproščanjem prostih radikalov. Najlažje pa se vez med jodom in ogljikom poruši, kar je razloženo z redno spremembo (zmanjšanjem) energije vezi v nizu: F-Cl-Br-I.
3. Prisotnost aromatičnegaradikalne ali večkratne vezi.
4. Struktura in razvejanost samega radikala.

Na splošno halogenirani alkili najbolje reagirajo z nukleofilno substitucijo. Konec koncev je delno pozitiven naboj koncentriran na atom ogljika po prekinitvi vezi s halogenom. To omogoča, da radikal kot celota postane akceptor elektronegativnih delcev. Na primer:

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

To pojasnjuje dejstvo, da je od halogenih derivatov ogljikovodikov mogoče preiti na skoraj vse razrede organskih spojin, le izbrati morate ustrezen reagent, ki bo zagotovil želeno funkcionalno skupino.

Na splošno lahko rečemo, da so kemične lastnosti halogenih derivatov ogljikovodikov sposobnost vstopanja v naslednje interakcije.

1. Z različnimi vrstami nukleofilnih delcev - substitucijske reakcije. Rezultat so lahko: alkoholi, etri in estri, nitro spojine, amini, nitrili, karboksilne kisline.
2. Reakcije izločanja ali dehidrohalogenacije. Zaradi izpostavljenosti alkoholni raztopini alkalij se molekula vodikovega halogenida odcepi. Tako nastane alken, stranski produkt z nizko molekulsko maso – sol in voda. Primer reakcije: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Ti procesi so eden od glavnih načinov za sintezo pomembnih alkenov. Proces vedno spremljajo visoke temperature.
3. Pridobivanje alkanov normalne strukture po metodi Wurtz sinteze. Bistvo reakcije je učinek na halogen substituiran ogljikovodik (dve molekuli) s kovinskim natrijem. Kot močno elektropozitiven ion natrij sprejema atome halogena iz spojine. Posledično so sproščeni ogljikovodični radikali med seboj povezani z vezjo, ki tvori alkan nove strukture. Primer: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Sinteza homologov aromatskih ogljikovodikov po Friedel-Craftsovi metodi. Bistvo postopka je delovanje haloalkila na benzen v prisotnosti aluminijevega klorida. Kot posledica substitucijske reakcije pride do tvorbe toluena in vodikovega klorida. V tem primeru je nujna prisotnost katalizatorja. Poleg samega benzena se na ta način lahko oksidirajo tudi njegovi homologi.
5. Pridobivanje tekočine Greignard. Ta reagent je s halogenom substituiran ogljikovodik z magnezijevim ionom v sestavi. Sprva kovinski magnezij v etru deluje na haloalkilni derivat. Kot rezultat nastane kompleksna spojina s splošno formulo RMgHal, imenovana Greignardov reagent.
6. Redukcijske reakcije na alkan (alken, arena). Izvaja se, ko je izpostavljen vodiku. Posledično nastane ogljikovodik in stranski produkt vodikov halogenid. Splošni primer: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

To so glavne interakcije, v katerihzlahka vstopijo halogenski derivati ogljikovodikov različnih struktur. Seveda obstajajo posebne reakcije, ki jih je treba upoštevati za vsakega posameznega predstavnika.

Izomerija molekul

Izomerija halogeniranih ogljikovodikov je povsem naraven pojav. Konec koncev je znano, da več kot je ogljikovih atomov v verigi, večje je število izomernih oblik. Poleg tega imajo nenasičeni predstavniki več vezi, kar povzroča tudi pojav izomerov.

Za ta razred spojin obstajata dve glavni različici tega pojava.

1. Izomerija ogljikovega skeleta radikala in glavne verige. To vključuje tudi položaj večkratne vezi, če obstaja v molekuli. Tako kot pri enostavnih ogljikovodikih, začenši s tretjim predstavnikom, lahko zapišemo formule spojin, ki imajo enake molekularne, vendar različne strukturne formule. Poleg tega je za halogensko substituirane ogljikovodike število izomernih oblik za red velikosti večje kot pri ustreznih alkanih (alkeni, alkini, areni itd.).
2. Položaj halogena v molekuli. Njegovo mesto v imenu je označeno s številko, in tudi če se spremeni samo za eno, bodo lastnosti takšnih izomerov že popolnoma drugačne.

Prostorska izomerija tukaj ne pride v poštev, ker atomi halogenov to onemogočajo. Tako kot vse druge organske spojine se tudi haloalkilni izomeri razlikujejo ne le po strukturi, temveč tudi po fizikalnih in kemijskih lastnostih.značilnosti.

Derivati nenasičenih ogljikovodikov

Takšnih povezav je seveda veliko. Zanimajo pa nas halogenski derivati nenasičenih ogljikovodikov. Lahko jih razdelimo tudi v tri glavne skupine.

1. Vinil - ko se atom Hal nahaja neposredno na ogljikovem atomu večkratne vezi. Primer molekule: CH₂=CCL_2.
2. Z izoliranim položajem. Atom halogena in večkratna vez se nahajata na nasprotnih delih molekule. Primer: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Alil derivati - atom halogena se nahaja na dvojni vezi preko enega ogljikovega atoma, torej je v alfa položaju. Primer: CH₂=CH-CH₂-CL.

Posebej pomemben je vinilklorid CH₂=CHCL. Sposoben je polimerizacijskih reakcij za tvorbo pomembnih izdelkov, kot so izolacijski materiali, vodoodporne tkanine in drugo.

Drug predstavnik nenasičenih halogenskih derivatov je kloropren. Njegova formula je CH₂=CCL-CH=CH₂. Ta spojina je surovina za sintezo dragocenih vrst gume, ki jo odlikujejo požarna odpornost, dolga življenjska doba in slaba prepustnost plinov.

Tetrafluoroetilen (ali teflon) je polimer, ki ima visokokakovostne tehnične parametre. Uporablja se za izdelavo dragocenega premaza tehničnih delov, pripomočkov, različnih naprav. Formula - CF₂=CF₂.

Aromatičnoogljikovodiki in njihovi derivati

Aromatične spojine so tiste spojine, ki vključujejo benzenov obroč. Med njimi je tudi cela skupina halogenskih derivatov. Po strukturi je mogoče razlikovati dve glavni vrsti.

1. Če je atom Hal vezan neposredno na jedro, to je aromatski obroč, potem se spojine imenujejo haloareni.
2. Atom halogena ni povezan z obročem, temveč s stransko verigo atomov, torej radikalom, ki gre v stransko vejo. Takšne spojine imenujemo arilalkil halogenidi.

Med obravnavanimi snovmi je več predstavnikov največjega praktičnega pomena.

1. heksaklorobenzen - C₆Cl₆. Od začetka 20. stoletja se uporablja kot močan fungicid, pa tudi kot insekticid. Ima dober dezinfekcijski učinek, zato so ga pred setvijo uporabljali za obdelavo semen. Ima neprijeten vonj, tekočina je precej jedka, prozorna in lahko povzroči solzenje.
2. Benzyl bromid С₆Н₅CH₂Br. Uporablja se kot pomemben reagent pri sintezi organokovinskih spojin.
3. klorobenzen C₆H₅CL. Brezbarvna tekoča snov s specifičnim vonjem. Uporablja se pri proizvodnji barvil, pesticidov. Je eno najboljših organskih topil.

Industrijska uporaba

Halogenski derivati ogljikovodikov se uporabljajo v industriji in kemični sintezizelo širok. O nenasičenih in aromatičnih predstavnikih smo že govorili. Zdaj pa na splošno označimo področja uporabe vseh spojin te serije.

1. V izdelavi.
2. Kot topila.
3. V proizvodnji tkanin, gume, gume, barvil, polimernih materialov.
4. Za sintezo številnih organskih spojin.
5. Fluorovi derivati (freoni) so hladilna sredstva v hladilnih enotah.
6. Uporablja se kot pesticidi, insekticidi, fungicidi, olja, sušilna olja, smole, maziva.
7. Pojdi na proizvodnjo izolacijskih materialov itd.