Hidrocarburi halogenate: producție, proprietăți chimice, aplicare

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Hidrocarburile sunt o clasă foarte mare de compuși organici. Acestea includ mai multe grupuri principale de substanțe, printre care aproape toate sunt utilizate pe scară largă în industrie, viața de zi cu zi și natură. De o importanță deosebită sunt hidrocarburile halogenate, care vor fi discutate în articol. Ele nu sunt doar de mare importanță industrială, ci sunt și materii prime importante pentru multe sinteze chimice, obținerea de medicamente și alți compuși importanți. Să acordăm o atenție deosebită structurii moleculelor, proprietăților și altor caracteristici ale acestora.

Hidrocarburi halogenate: caracteristici generale

Din punctul de vedere al științei chimice, această clasă de compuși include toate acele hidrocarburi în care unul sau mai mulți atomi de hidrogen sunt înlocuiți cu unul sau altul halogen. Aceasta este o categorie foarte largă de substanțe, deoarece sunt de mare importanță industrială. Pentru oameni destul de scurta învățat cum să sintetizeze aproape toți derivații de halogen ai hidrocarburilor, a căror utilizare este necesară în medicină, industria chimică, industria alimentară și viața de zi cu zi.

Metoda principală de obținere a acestor compuși este calea sintetică în laborator și industrie, deoarece aproape niciunul dintre ei nu se găsește în natură. Datorită prezenței unui atom de halogen, acestea sunt foarte reactive. Acest lucru determină în mare măsură domeniul de aplicare al acestora în sintezele chimice ca intermediari.

Deoarece există mulți reprezentanți ai hidrocarburilor halogenate, se obișnuiește să le clasificăm după diferite criterii. Se bazează atât pe structura lanțului, cât și pe multiplicitatea legăturilor, precum și pe diferența dintre atomii de halogen și poziția lor.

Derivați halogenați ai hidrocarburilor: clasificare

Prima opțiune de separare se bazează pe principii general acceptate care se aplică tuturor compușilor organici. Clasificarea se bazează pe diferența dintre tipul de lanț de carbon, ciclicitatea acestuia. Pe această bază, ei disting:

• hidrocarburi halogenate limitate;
• nelimitat;
• aromatic;
• alifatic;
• aciclic.

Următoarea diviziune se bazează pe tipul de atom de halogen și pe conținutul său cantitativ din moleculă. Deci, alocați:

• derivate mono;
• derivate;
• trei-;
• tetra-;
• derivate penta și așa mai departe.

Dacă vorbim despre tipul de halogen, atunci numele subgrupului este format din două cuvinte. De exemplu, derivatul monocloro,derivat de triiod, tetrabromohaloalchenă și așa mai departe.

Există și o altă opțiune de clasificare, conform căreia se separă în principal derivații de halogen ai hidrocarburilor saturate. Acesta este numărul atomului de carbon de care este atașat halogenul. Deci, alocați:

• derivate primare;
• secundar;
• terțiar și așa mai departe.

Fiecare reprezentant specific poate fi clasat după toate semnele și poate determina locul complet în sistemul compușilor organici. Deci, de exemplu, un compus cu compoziția CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3se poate clasifica astfel. Este un derivat triclor alifatic nesaturat al pentenei.}

Structura moleculei

Prezența atomilor de halogen nu poate decât să afecteze atât proprietățile fizice și chimice, cât și caracteristicile generale ale structurii moleculei. Formula generală pentru această clasă de compuși este R-Hal, unde R este un radical de hidrocarbură liber de orice structură și Hal este un atom de halogen, unul sau mai mulți. Legătura dintre carbon și halogen este puternic polarizată, drept urmare molecula în ansamblu este predispusă la două efecte:

• inductiv negativ;
• mesomeric pozitiv.

Primul dintre ele este mult mai pronunțat, astfel încât atomul Hal prezintă întotdeauna proprietățile unui substituent atrăgător de electroni.

În caz contrar, toate caracteristicile structurale ale moleculei nu sunt diferite de cele ale hidrocarburilor obișnuite. Proprietățile sunt explicate prin structura lanțului și a acestuiaramificare, numărul de atomi de carbon, puterea caracteristicilor aromatice.

Nomenclatura derivaților de halogen ai hidrocarburilor merită o atenție deosebită. Care este numele corect pentru aceste conexiuni? Pentru a face acest lucru, trebuie să urmați câteva reguli.

1. Numerotarea lanțului începe de la marginea cea mai apropiată de atomul de halogen. Dacă există vreo legătură multiplă, atunci numărătoarea inversă începe de la ea și nu de la substituentul care atrage electroni.
2. Numele Hal este indicat în prefix, trebuie indicat și numărul atomului de carbon din care pleacă.
3. Ultimul pas este de a numi lanțul principal de atomi (sau inel).

Un exemplu de nume similar: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dicloropropen-1.

De asemenea, numele poate fi dat după nomenclatura rațională. În acest caz, se pronunță numele radicalului și apoi numele halogenului cu sufixul -id. Exemplu: CH₃-CH₂-CH₂Br - bromură de propil.

Ca și alte clase de compuși organici, hidrocarburile halogenate au o structură specială. Acest lucru permite multor reprezentanți să fie desemnați prin nume istorice. De exemplu, halotan CF₃CBrClH. Prezența a trei halogeni simultan în compoziția moleculei conferă acestei substanțe proprietăți speciale. Este folosit în medicină, prin urmare, este numele istoric cel mai des folosit.

Metode de sinteză

Sunt suficiente metode de obținere a derivaților halogenați ai hidrocarburilorvariat. Există cinci metode principale pentru sinteza acestor compuși în laborator și industrie.

1. Halogenarea hidrocarburilor normale convenționale. Schema generală de reacție: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Caracteristicile procesului sunt următoarele: cu clor și brom este necesară iradierea cu ultraviolete, cu iod reacția este aproape imposibilă sau foarte lentă. Interacțiunea cu fluorul este prea activă, astfel încât acest halogen nu poate fi utilizat în forma sa pură. În plus, la halogenarea derivaților aromatici, este necesar să se utilizeze catalizatori speciali de proces - acizi Lewis. De exemplu, fier sau clorură de aluminiu.
2. Obținerea derivaților de halogen ai hidrocarburilor se realizează și prin hidrohalogenare. Cu toate acestea, pentru aceasta, compusul de pornire trebuie să fie în mod necesar o hidrocarbură nesaturată. Exemplu: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Cel mai adesea, un astfel de adaos electrofil este folosit pentru a obține clorură de clorură de vinil sau de cloretilenă, deoarece acest compus este o materie primă importantă pentru sintezele industriale.
3. Efectul hidrohalogenilor asupra alcoolilor. Vedere generală a reacției: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. O caracteristică este prezența obligatorie a unui catalizator. Exemple de acceleratori de proces care pot fi utilizați sunt clorurile de fosfor, sulf, zinc sau fier, acid sulfuric, o soluție de clorură de zinc în acid clorhidric - reactiv Lucas.
4. Decarboxilarea sărurilor acide cu un agent oxidant. Un alt nume pentru metoda este reacția Borodin-Hunsdicker. Concluzia este eliminarea unei molecule de dioxid de carbondin derivații de argint ai acizilor carboxilici atunci când sunt expuși la un agent oxidant - halogen. Ca rezultat, se formează derivați de halogen ai hidrocarburilor. Reacțiile în general arată astfel: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Sinteza haloformelor. Cu alte cuvinte, aceasta este producerea de derivați trihalogeni ai metanului. Cel mai simplu mod de a le produce este tratarea acetonei cu o soluție alcalină de halogeni. Ca urmare, are loc formarea de molecule de haloform. Derivații de halogen ai hidrocarburilor aromatice sunt sintetizați în industrie în același mod.

O atenție deosebită trebuie acordată sintezei reprezentanților nelimitați ai clasei luate în considerare. Metoda principală este tratarea alchinelor cu săruri de mercur și cupru în prezența halogenilor, ceea ce duce la formarea unui produs cu o legătură dublă în lanț.

Derivații de halogen ai hidrocarburilor aromatice sunt obținuți prin reacții de halogenare a arenelor sau alchilarenelor într-un lanț lateral. Acestea sunt produse industriale importante, deoarece sunt folosite ca insecticide în agricultură.

Proprietăți fizice

Proprietățile fizice ale derivaților de halogen ai hidrocarburilor depind direct de structura moleculei. Punctele de fierbere și de topire, starea de agregare sunt afectate de numărul de atomi de carbon din lanț și posibilele ramuri laterale. Cu cât sunt mai multe, cu atât scorurile sunt mai mari. În general, este posibil să se caracterizeze parametrii fizici în mai multe puncte.

1. Starea agregată: prima cea mai scăzutăreprezentanți - gaze, după С₁₂ - lichide, mai sus - solide.
2. Aproape toți reprezentanții au un miros specific ascuțit neplăcut.
3. Foarte slab solubil în apă, dar solvenți excelenți. Se dizolvă foarte bine în compuși organici.
4. Punctele de fierbere și de topire cresc odată cu numărul de atomi de carbon din lanțul principal.
5. Toți compușii, cu excepția derivaților de fluor, sunt mai grei decât apa.
6. Cu cât sunt mai multe ramuri în lanțul principal, cu atât punctul de fierbere al substanței este mai mic.

Este greu de identificat multe asemănări în comun, deoarece reprezentanții diferă foarte mult ca compoziție și structură. Prin urmare, este mai bine să dați valori pentru fiecare compus specific dintr-o serie dată de hidrocarburi.

Proprietăți chimice

Unul dintre cei mai importanți parametri care trebuie luați în considerare în industria chimică și reacțiile de sinteză este proprietățile chimice ale hidrocarburilor halogenate. Nu sunt aceleași pentru toți reprezentanții, deoarece există o serie de motive pentru diferență.

1. Structura lanțului de carbon. Cele mai simple reacții de substituție (de tip nucleofil) au loc cu haloalchili secundari și terțiari.
2. Tipul de atom de halogen este de asemenea important. Legătura dintre carbon și Hal este puternic polarizată, ceea ce face ușoară ruperea cu eliberarea de radicali liberi. Cu toate acestea, legătura dintre iod și carbon se rupe cel mai ușor, ceea ce se explică printr-o schimbare (scădere) regulată a energiei de legătură în seria: F-Cl-Br-I.
3. Prezența aromaticuluilegături radicale sau multiple.
4. Structura și ramificarea radicalului în sine.

În general, alchilii halogenați reacționează cel mai bine cu substituția nucleofilă. La urma urmei, o sarcină parțial pozitivă este concentrată pe atomul de carbon după ruperea legăturii cu halogenul. Acest lucru permite radicalului ca întreg să devină un acceptor de particule electronegative. De exemplu:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- și altele.

Aceasta explică faptul că este posibil să treceți de la derivații halogenați ai hidrocarburilor la aproape orice clasă de compuși organici, trebuie doar să alegeți reactivul potrivit care va oferi grupul funcțional dorit.

În general, putem spune că proprietățile chimice ale derivaților de halogen ai hidrocarburilor sunt capacitatea de a intra în următoarele interacțiuni.

1. Cu diferite tipuri de particule nucleofile - reacții de substituție. Rezultatul poate fi: alcooli, eteri și esteri, compuși nitro, amine, nitrili, acizi carboxilici.
2. Reacții de eliminare sau dehidrohalogenare. Ca urmare a expunerii la o soluție alcoolică de alcali, o moleculă de halogenură de hidrogen este scindată. Așa se formează o alchenă, produse secundare cu greutate moleculară mică - sare și apă. Exemplu de reacție: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alcool) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Aceste procese sunt una dintre principalele moduri de a sintetiza alchene importante. Procesul este întotdeauna însoțit de temperaturi ridicate.
3. Obținerea alcanilor de structură normală prin metoda de sinteză Wurtz. Esența reacției este efectul asupra unei hidrocarburi substituite cu halogen (două molecule) cu sodiu metalic. Ca ion puternic electropozitiv, sodiul acceptă atomi de halogen din compus. Ca urmare, radicalii de hidrocarburi eliberați sunt interconectați printr-o legătură, formând un alcan cu o nouă structură. Exemplu: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Sinteza omologilor hidrocarburilor aromatice prin metoda Friedel-Crafts. Esența procesului este acțiunea haloalchilului asupra benzenului în prezența clorurii de aluminiu. Ca rezultat al reacției de substituție, are loc formarea de toluen și acid clorhidric. În acest caz, este necesară prezența unui catalizator. Pe lângă benzenul în sine, omologii săi pot fi și oxidați în acest fel.
5. Obținerea lichidului Greignard. Acest reactiv este o hidrocarbură substituită cu halogen cu un ion de magneziu în compoziție. Inițial, magneziul metalic în eter acționează asupra derivatului haloalchil. Ca rezultat, se formează un compus complex cu formula generală RMgHal, numit reactiv Greignard.
6. Reacții de reducere la alcan (alchenă, arena). Se efectuează atunci când este expus la hidrogen. Ca rezultat, se formează o hidrocarbură și un produs secundar, halogenură de hidrogen. Exemplu general: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Acestea sunt principalele interacțiuni în carederivații de halogen ai hidrocarburilor de diferite structuri pot pătrunde cu ușurință. Desigur, există reacții specifice care ar trebui luate în considerare pentru fiecare reprezentant individual.

Izomeria moleculelor

Izomeria hidrocarburilor halogenate este un fenomen destul de natural. La urma urmei, se știe că cu cât sunt mai mulți atomi de carbon în lanț, cu atât este mai mare numărul de forme izomerice. În plus, reprezentanții nesaturați au legături multiple, ceea ce provoacă și apariția izomerilor.

Există două varietăți principale ale acestui fenomen pentru această clasă de compuși.

1. Izomeria scheletului de carbon al radicalului și al lanțului principal. Aceasta include și poziția legăturii multiple, dacă aceasta există în moleculă. Ca și în cazul hidrocarburilor simple, pornind de la al treilea reprezentant, se pot scrie formule ale compușilor care au expresii moleculare identice, dar cu formule structurale diferite. Mai mult, pentru hidrocarburile substituite cu halogen, numărul de forme izomerice este cu un ordin de mărime mai mare decât pentru alcanii corespunzători lor (alchene, alchine, arene și așa mai departe).
2. Poziția halogenului în moleculă. Locul său în nume este indicat printr-un număr și, chiar dacă se schimbă doar cu unul, atunci proprietățile unor astfel de izomeri vor fi deja complet diferite.

Izomeria spațială este exclusă aici, deoarece atomii de halogen o fac imposibilă. Ca toți ceilalți compuși organici, izomerii haloalchil diferă nu numai prin structură, ci și prin proprietăți fizice și chimice.caracteristici.

Derivați de hidrocarburi nesaturate

Există, desigur, multe astfel de conexiuni. Cu toate acestea, suntem interesați de derivații de halogen ai hidrocarburilor nesaturate. De asemenea, pot fi împărțiți în trei grupuri principale.

1. Vinil - când atomul Hal este situat direct la atomul de carbon al legăturii multiple. Exemplu de moleculă: CH₂=CCL_2.
2. Cu poziție izolată. Atomul de halogen și legătura multiplă sunt situate în părți opuse ale moleculei. Exemplu: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Derivați de alil - atomul de halogen este situat la legătura dublă printr-un atom de carbon, adică se află în poziția alfa. Exemplu: CH₂=CH-CH₂-CL.

De o importanță deosebită este clorura de vinil CH₂=CHCL. Este capabil de reacții de polimerizare pentru a forma produse importante, cum ar fi materiale izolatoare, țesături impermeabile și multe altele.

Un alt reprezentant al derivaților de halogen nesaturați este cloroprenul. Formula sa este CH₂=CCL-CH=CH₂. Acest compus este materia primă pentru sinteza unor tipuri valoroase de cauciuc, care se disting prin rezistență la foc, durată lungă de viață și permeabilitate slabă la gaz.

Tetrafluoretilena (sau teflon) este un polimer care are parametri tehnici de în altă calitate. Este folosit pentru fabricarea unui strat valoros de piese tehnice, ustensile, diverse aparate. Formula - CF₂=CF₂.

Aromatichidrocarburi și derivații acestora

Compușii aromatici sunt acei compuși care includ un inel benzenic. Printre aceștia există și un întreg grup de derivați de halogen. Două tipuri principale pot fi distinse după structura lor.

1. Dacă atomul Hal este legat direct de nucleu, adică de inelul aromatic, atunci compușii se numesc haloarene.
2. Atomul de halogen nu este conectat la inel, ci la lanțul lateral de atomi, adică radicalul care merge spre ramura laterală. Astfel de compuși se numesc halogenuri de arilalchil.

Printre substanțele luate în considerare, se numără câțiva reprezentanți de cea mai mare importanță practică.

1. Hexaclorbenzen - C₆Cl₆. De la începutul secolului al XX-lea, a fost folosit ca fungicid puternic, precum și ca insecticid. Are un efect dezinfectant bun, deci a fost folosit pentru pansarea semintelor inainte de semanat. Are un miros neplăcut, lichidul este destul de caustic, transparent și poate provoca lacrimare.
2. Bromura de benzil С₆Н₅CH₂Br. Folosit ca reactiv important în sinteza compușilor organometalici.
3. Clorbenzen C₆H₅CL. Substanță lichidă incoloră cu un miros specific. Este folosit la producerea de coloranți, pesticide. Este unul dintre cei mai buni solvenți organici.

Uz industrial

Derivații de halogen ai hidrocarburilor sunt utilizați în industrie și sinteza chimicăfoarte lat. Am vorbit deja despre reprezentanții nesaturați și aromatici. Acum să notăm în general domeniile de utilizare ale tuturor compușilor din această serie.

1. În construcție.
2. Ca solvenți.
3. În producția de țesături, cauciuc, cauciuc, coloranți, materiale polimerice.
4. Pentru sinteza multor compuși organici.
5. Derivații de fluor (freoni) sunt agenți frigorifici din unitățile frigorifice.
6. Folosit ca pesticide, insecticide, fungicide, uleiuri, uleiuri sicative, rășini, lubrifianți.
7. Mergeți la fabricarea materialelor izolante etc.