Hidrocarburi halogenate: producție, proprietăți chimice, aplicare

Hidrocarburile sunt o clasă foarte mare de compuși legați de compușii organici. Acestea includ mai multe grupuri de substanțe de bază, dintre care aproape toată lumea găsește o aplicație largă în industrie, viață și natură. O importanță deosebită sunt hidrocarburile halogenate, care vor fi discutate în articol. Acestea nu sunt doar de mare importanță industrială, ci și o materie primă importantă pentru o varietate de sinteze chimice, producerea de medicamente și alți compuși importanți. Vom acorda o atenție deosebită structurii moleculelor, proprietăților și altor caracteristici.

Hidrocarburi halogenate: caracteristică generală

Din punct de vedere al științei chimice, această clasă de compuși include toți acei hidrocarburi în care unul sau mai mulți atomi de hidrogen sunt înlocuiți cu unul sau altul cu halogen. Aceasta este o categorie foarte largă de substanțe, deoarece acestea sunt de mare importanță industrială. Într-o perioadă relativ scurtă de timp, oamenii au învățat să sintetizeze aproape toate hidrocarburile halogenate, a căror utilizare este necesară în medicină, industria chimică, industria alimentară și viața de zi cu zi.

Principala metodă de obținere a acestor compuși este o cale sintetică în laborator și în industrie, deoarece practic nici una dintre ele nu apare în natură. Datorită prezenței unui atom de halogen, au o reactivitate ridicată. Acest lucru determină în mare măsură domeniul aplicării lor în sinteza chimică ca produse intermediare.

Întrucât reprezentanții hidrocarburilor halogenate au o mulțime, este obișnuit să le clasificăm în funcție de caracteristici diferite. Baza este structura lanțului și multiplicitatea legăturii, precum și diferența dintre atomii de halogen și localizarea poziției lor.

Hidrocarburi halogenate: clasificare

Prima opțiune se bazează pe principii general acceptate care se aplică tuturor compuși organici. Clasificarea se bazează pe diferența dintre tipul lanțului de carbon și ciclicitatea acestuia. Potrivit acestei caracteristici, există:

• limitarea hidrocarburilor halogenate;
• nesaturat;
• aromatic;
• alifatic;
• aciclic.

Următoarea diviziune se bazează pe forma atomului de halogen și conținutul său cantitativ în moleculă. Deci, alocați:

• derivați mono;
• diproizvodnye;
• tri-;
• tetra;
• penta derivați și așa mai departe.

Dacă vorbim despre forma de halogen, atunci numele subgrupului este format din două cuvinte. De exemplu, un derivat monocloro, un derivat triiodo, o tetrabromo-haloalchenă și așa mai departe.

Există, de asemenea, o altă opțiune de clasificare, conform căreia derivații halogenați ai hidrocarburilor finale sunt separați. Acesta este numărul atomilor de carbon la care este atașat halogenul. Deci, alocați:

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

Fiecare reprezentant specific poate fi clasat pe toate semnele și determină locul total în sistemul de compuși organici. Astfel, de exemplu, un compus cu o compoziție de CH₃ - CH₂-CH = CH-CCL₃ pot fi clasificate după cum urmează. Acesta este un derivat tricloro alifatic nesaturat de pentenă.

Structura moleculei

Prezența atomilor de halogen nu poate afecta atît proprietățile fizice, cît și cele chimice, și conturul general al structurii moleculei. Formula generală pentru această clasă de compuși este R-Hal, în care R este un radical hidrocarbonat liber al oricărei structuri și Hal este un atom de halogen, unul sau mai mulți. Legătura dintre carbon și halogen este puternic polarizată, astfel încât molecula ca întreg este predispusă la două efecte:

• negativ inductiv;
• mezomeric pozitiv.

În acest caz, primul dintre acestea este exprimat mult mai puternic, prin urmare atomul Hal prezintă întotdeauna proprietățile unui substituent care îndepărtează electronul.

Altfel, toate caracteristicile structurii moleculei nu diferă de cele ale hidrocarburilor obișnuite. Proprietățile sunt explicate prin structura lanțului și ramificația acestuia, numărul de atomi de carbon, puterea caracteristicilor aromatice.

Nomenclatorul hidrocarburilor halogenate merită o atenție deosebită. Cât de corect ar trebui să numiți aceste conexiuni? Pentru a face acest lucru, trebuie să urmați mai multe reguli.

1. Numerotarea lanțurilor începe la marginea la care atomul de halogen este mai aproape. Dacă există o legătură multiplă, contorul începe exact cu el, și nu cu substituentul care îndepărtează electronul.
2. Numele Hal este indicat în prefix și ar trebui să fie indicat și numărul atomului de carbon de la care se îndepărtează.
3. Ultima etapă dă numele lanțului principal de atomi (sau inel).

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

Numele poate fi dat și pe nomenclatura rațională. În acest caz, numele radicalului este pronunțat, iar apoi halogenul cu sufixul -id. Exemplu: СН₃-CH₂-CH₂Br este bromura de propil.

Ca și în alte clase de compuși organici, hidrocarburile halogenate au o structură specială. Aceasta permite multor reprezentanți să desemneze nume formate din punct de vedere istoric. De exemplu, CF fluorocarbon₃CBrClH. Prezența a trei halogeni în compoziția moleculei furnizează această substanță cu proprietăți speciale. Este folosit în medicină, deci este adesea folosit numele format din punct de vedere istoric.

Metode de sinteză

Metodele de producere a hidrocarburilor halogenate sunt destul de diverse. Există cinci metode principale de sintetizare a acestor compuși în laborator și în industrie.

1. Halogenarea hidrocarburilor normale cu structură normală. Schema de reacție generală: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Caracteristicile procedeului sunt următoarele: cu clor și brom, este necesară iradierea ultravioletă, iar cu iod reacția este practic imposibilă sau foarte lentă. Cu fluor, interacțiunea este prea activă, deci nu puteți folosi acest halogen în forma sa pură. În plus, atunci când se realizează halogenarea derivaților aromatici, trebuie folosiți catalizatori speciali ai acidului Lewis. De exemplu, clorura de fier sau aluminiu.
2. Producerea de hidrocarburi halogenate se efectuează de asemenea prin hidro-halogenare. Cu toate acestea, pentru aceasta, compusul de pornire trebuie să fie neapărat o hidrocarbură nesaturată. Exemplu: R = R-R + HHal → R-R-RHal. Cel mai adesea, această adăugare electrofilă este utilizată pentru a produce cloro-etilenă sau clorură de vinil, deoarece acest compus este o materie primă importantă pentru sinteze industriale.
3. Efectul hidrohalogenului asupra alcoolilor. Forma generală a reacției: R-OH + HHal-R-Hal + H₂O. O caracteristică specială este prezența obligatorie a unui catalizator. Exemple de acceleratori de proces care pot fi utilizați sunt: ​​fosfor, sulf, zinc sau cloruri de fier, acid sulfuric, soluție clorură de zinc în acid clorhidric - reactivul Lucas.
4. Decarboxilarea sărurilor acide cu un agent de oxidare. Un alt nume al metodei este reacția Borodin-Hunsdikker. Esența constă în despicarea moleculei de dioxid de carbon de la derivații de argint carboxilici când este expus la un agent de oxidare - halogen. Ca rezultat, se formează hidrocarburi halogenate. Reacțiile în formă generală arată astfel: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Sinteza haloformelor. Cu alte cuvinte, aceasta este producția de derivați de metan trihalogenați. Cea mai simplă modalitate de a le produce este de a aplica acetal la o soluție alcalină cu halogen. Ca rezultat, se formează molecule formatoare de halogen. Hidrocarburile aromatice halogenate sunt sintetizate în același mod în industrie.

O atenție deosebită ar trebui acordată sintezei reprezentanților nesaturați ai clasei în cauză. Metoda de bază - este impactul asupra sărurilor alchinelor de mercur și cupru în prezența halogeni, care are ca rezultat un produs cu o dublă legătură în lanțul.

Derivații de halogen ai hidrocarburilor aromatice se obțin prin reacții de halogenare a arenelor sau alchilarenelor în lanțul lateral. Acestea sunt produse industriale importante, deoarece sunt folosite ca insecticide în agricultură.

Proprietăți fizice

Proprietăți fizice hidrocarburile halogenate depind în mod direct de structura moleculei. La punctul de fierbere și la punctul de topire, starea agregată este afectată de numărul de atomi de carbon din lanț și de posibile ramuri în lateral. Cu cât sunt mai mulți, cu atât cifrele sunt mai mari. În general, parametrii fizici pot fi caracterizați în mai multe puncte.

1. Starea agregată: primii reprezentanți inferiori sunt gazele, după C₁₂ - lichide, solide de mai sus.
2. Au un miros ascuțit, neplăcut, specific, aproape toți reprezentanții.
3. Foarte puțin solubile în apă, dar ele însele - solvenți excelenți. În compușii organici se dizolvă foarte bine.
4. Punctele de fierbere și 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. Cele mai multe ramuri din lanțul principal, cu atât mai mic este punctul de fierbere al substanței.

Este dificil să se identifice o mulțime de asemănări similare, deoarece reprezentanții variază foarte mult în ceea ce privește compoziția și structura. Prin urmare, este mai bine să se obțină valori pentru fiecare compus particular dintr-o serie dată de hidrocarburi.

Proprietăți chimice

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

1. Structura lanțului de carbon. Cele mai simple reacții de substituție (tip nucleofil) apar în haloalchilii secundari și terțiari.
2. Forma atomului de halogen este, de asemenea, importantă. Legătura dintre carbon și Hal este puternic polarizată, ceea ce asigură o ruptură ușoară cu eliberarea radicalilor liberi. Cu toate acestea, cea mai ușoară legătură este exact între iod și carbon, care se explică printr-o schimbare naturală (scădere) a energiei de legare din seria: F-Cl-Br-I.
3. Prezența unui radical aromatic sau legături multiple.
4. Structura și ramificația radicalului în sine.

În general, halogenoalchili sunt cel mai bine utilizați pentru a reacționa în mod specific la substituția nucleofilă. La urma urmei, o sarcină parțial pozitivă este concentrată pe atomul de carbon după ruperea legăturii cu halogenul. Aceasta permite radicalului ca un întreg să devină un acceptor al particulelor electron-negative. De exemplu:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NU₂^-;
• CN^- și altele.

Aceasta explică faptul că hidrocarburile halogenate pot fi convertite în aproape orice clasă de compuși organici, este necesar doar selectarea unui reactiv adecvat care să asigure grupul funcțional dorit.

În general, se poate spune că proprietățile chimice ale hidrocarburilor halogenate sunt abilitatea de a intra în următoarele interacțiuni.

1. Cu particule nucleofile de tot felul - reacții de substituție. Ca rezultat, puteți obține: alcool, simplu și esteri compuși nitro, amine, nitrili, acizi carboxilici.
2. Eliminări sau reacții de dehidrohalogenare. Ca rezultat al acțiunii unei soluții de alcool alcalin, molecula de halogenură de hidrogen este scindată. Acesta este modul în care se formează alchenă, produse secundare moleculare scăzute - sare și apă. Exemplu de reacție: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂Br + NaOH _(Alcool) → CH₃-CH₂-CH = CH₂ + NaBr + H₂O_. Aceste procedee sunt una dintre principalele metode de sinteză a alchenelor importante. Procesul este întotdeauna însoțit de temperaturi ridicate.
3. Prepararea alcaniilor unei structuri normale prin metoda de sinteză Würz. Esența reacției constă în expunerea la hidrocarbură halogenată (două molecule) cu sodiu metalic. Ca un ion puternic electropozitiv, sodiul acceptă atomi de halogen din compus. Drept rezultat, radicalii de hidrocarburi eliberați sunt închisi împreună printr-o legătură, formând un alcan al unei noi structuri. Exemplu: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂Cl + 2Na → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 2NaCI.
   
4. Sinteza omologilor de hidrocarburi aromatice prin metoda Friedel-Crafts. Esența procedeului este în acțiunea benzenului cu haloalchil în prezența clorurii de aluminiu. Ca urmare a reacției de substituție, apare formarea de toluen și acid clorhidric. În acest caz, este necesară prezența unui catalizator. În plus față de benzenul în sine, este de asemenea posibil să se oxideze omologii în acest mod.
5. Prepararea lichidului Greniard. Acest reactiv este o hidrocarbură halogenată cu un ion de magneziu în compoziție. Inițial, magneziul metalic din eter este expus derivatului haloalchil. Ca rezultat, se formează un compus complex cu formula generală RMgHal, denumită reactivul Grenyar.
6. Reacția reducerii la alcan (alchenă, arenă). Se efectuează sub influența hidrogenului. Ca rezultat, se formează o hidrocarbură și un produs secundar, halogenură de hidrogen. Exemplu în formă generală: R-Hal + H₂ → R-H + HHal.

Acestea sunt principalele interacțiuni în care pot intra ușor derivați halogenați ai hidrocarburilor din diferite structuri. Desigur, există reacții specifice care ar trebui luate în considerare pentru fiecare reprezentant special.

Izomerismul moleculelor

Izomerismul hidrocarburilor halogenate este destul de natural. Se știe că cu cât mai mulți atomi de carbon din lanț, cu atât mai mare este numărul de forme izomerice. În plus, reprezentanții nesaturați au legături multiple, ceea ce determină, de asemenea, apariția izomerilor.

Putem distinge două soiuri principale ale acestui fenomen pentru această clasă de compuși.

1. Isomerismul scheletului de carbon al unui radical și al unei coloane vertebrale. Aceasta include, de asemenea, poziția legăturii multiple, dacă există în moleculă. Ca și în cazul hidrocarburilor simple, pornind de la cel de-al treilea reprezentant, este posibil să se noteze formulele compușilor având expresii de formula structurală identice, dar diferite. În plus, pentru hidrocarburile halogenate, numărul de forme izomerice este cu un ordin de mărime mai mare decât pentru alcani corespunzători (alcene, alchine, arene etc.).
2. Poziția halogenului în moleculă. Locul său în titlu este indicat de o cifră, și chiar dacă se schimbă numai cu unul, proprietățile acestor izomeri vor fi complet diferite.

Nu este vorba despre izomerismul spațial, deoarece atomii de halogen fac acest lucru imposibil. Ca toți ceilalți compuși organici, izomerii halogenoalchil diferă nu numai prin structură, ci și prin caracteristicile lor fizice și chimice.

Derivații de hidrocarburi nesaturate

Desigur, există multe astfel de conexiuni. Cu toate acestea, suntem interesați de derivații halogenați ai hidrocarburilor nesaturate. Ele pot fi, de asemenea, împărțite în trei grupe principale.

1. Vinil - atunci când atomul Hal este localizat direct la atomul de carbon al unei legături multiple. Exemplu de moleculă: CH₂= CCL_2.
2. Cu o poziție izolată. Un atom de halogen și o legătură multiplă sunt localizate în părțile opuse ale moleculei. Exemplu: СН₂= CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Derivații alilici - un atom de halogen este localizat la o dublă legătură printr-un atom de carbon, adică este în poziția alfa. Exemplu: СН₂= CH-CH₂-CL.

O importanță deosebită este un compus cum ar fi clorura de vinil CH₂= CHCL. Este capabil de reacții de polimerizare cu formarea de produse importante, cum ar fi materiale izolatoare, țesături impermeabile și așa mai departe.

Un alt reprezentant al derivaților nesaturați de halogen este cloroprenul. Formula sa este CH2 = CCL-CH = CH2. Acest compus este materia primă pentru sinteza unor tipuri valoroase de cauciuc, care diferă în ceea ce privește rezistența la foc, durata lungă de funcționare, permeabilitatea slabă pentru gaze.

Tetrafluoretilena (sau Teflon) este un polimer care are parametri tehnici calitativi. Folosit pentru fabricarea unei acoperitoare valoroase a pieselor tehnice, a felurilor de mâncare, a diferitelor aparate. Formula - CF₂= CF₂.

Hidrocarburi aromatice și derivații acestora

Aromatice sunt acei compuși care includ un inel benzenic. Dintre acestea, există și un întreg grup de derivați halogenați. Putem distinge două tipuri principale de ele în structură.

1. Dacă atomul Hal este atașat direct la nucleu, adică inelul aromatic, atunci compușii sunt denumiți în mod obișnuit haloare.
2. Atomul de halogen nu este legat de inel, ci de lanțul lateral al atomilor, adică de radicalul care se extinde în ramura laterală. Astfel de compuși sunt numiți halogenuri de arilalchil.

Dintre substanțele avute în vedere, pot fi numiți mai mulți reprezentanți cu cea mai mare importanță practică.

1. Hexaclorbenzen - Cu₆CI₆. 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 decaparea semințelor înainte de recoltare. Are un miros neplăcut, lichidul este destul de caustic, transparent, poate provoca leșiere.
2. Bromura de benzil C benzil₆H₅CH₂Br. Folosit ca un reactiv important în sinteza compușilor organometalici.
3. Clorbenzen C₆H₅CL. Substanță lichidă incoloră cu miros specific. Utilizat în fabricarea coloranților, pesticidelor. Este unul dintre cei mai buni solvenți organici.

Utilizare în industrie

Hidrocarburile halogenate sunt utilizate pe scară largă în industrie și sinteza chimică. Am vorbit deja despre reprezentanții nesaturați și aromatici. Acum vom desemna în general domeniile de utilizare ale tuturor compușilor acestei serii.

1. În construcții.
2. Ca solvenți.
3. În producția de textile, cauciuc, cauciuc, coloranți, materiale polimerice.
4. Pentru sinteza multor compuși organici.
5. Derivații de fluor (freonii) sunt agenți frigorifici în instalațiile de refrigerare.
6. Sunt utilizate ca pesticide, insecticide, fungicide, uleiuri, uleiuri de uscare, rășini, lubrifianți.
7. Du-te la fabricarea de materiale izolante, etc