Halogenirani ugljovodonici: proizvodnja, hemijska svojstva, primjena

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Ugljovodonici su veoma velika klasa organskih jedinjenja. Uključuju nekoliko glavnih grupa supstanci, među kojima se gotovo svaka široko koristi u industriji, svakodnevnom životu i prirodi. Od posebne važnosti su halogenirani ugljovodonici, o kojima će biti riječi u članku. Oni nisu samo od velikog industrijskog značaja, već su i važne sirovine za mnoge hemijske sinteze, dobijanje lekova i drugih važnih jedinjenja. Obratite posebnu pažnju na strukturu njihovih molekula, svojstva i druge karakteristike.

Halogenirani ugljovodonici: opšte karakteristike

S tačke gledišta hemijske nauke, ova klasa jedinjenja uključuje sve one ugljovodonike u kojima je jedan ili više atoma vodika zamenjeno jednim ili drugim halogenom. Ovo je veoma široka kategorija supstanci, jer su od velikog industrijskog značaja. Za prilično kratko vrijeme ljudinaučio da sintetiše skoro sve halogene derivate ugljovodonika, čija je upotreba neophodna u medicini, hemijskoj industriji, prehrambenoj industriji i svakodnevnom životu.

Glavni metod za dobijanje ovih jedinjenja je sintetički put u laboratoriji i industriji, jer se gotovo nijedan od njih ne pojavljuje u prirodi. Zbog prisustva atoma halogena, vrlo su reaktivni. Ovo u velikoj mjeri određuje obim njihove primjene u hemijskim sintezama kao međuproduktima.

S obzirom na to da postoji mnogo predstavnika halogeniranih ugljovodonika, uobičajeno je klasificirati ih prema različitim kriterijima. Zasnovan je i na strukturi lanca i na mnoštvu veza, kao i na razlici u atomima halogena i njihovom položaju.

Halogeni derivati ugljovodonika: klasifikacija

Prva opcija odvajanja zasnovana je na opšteprihvaćenim principima koji se primenjuju na sva organska jedinjenja. Klasifikacija se zasniva na razlici u vrsti ugljičnog lanca, njegovoj cikličnosti. Na osnovu toga razlikuju:

• ograničeni halogenirani ugljovodonici;
• neograničeno;
• aromatično;
• aliphatic;
• aciklički.

Sljedeća podjela je zasnovana na vrsti atoma halogena i njegovom kvantitativnom sadržaju u molekulu. Dakle, dodijelite:

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

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

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

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

Svaki određeni predstavnik može se rangirati po svim znakovima i odrediti puno mjesto u sistemu organskih jedinjenja. Tako, na primjer, spoj sa kompozicijom CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3može ovako klasificirati. To je nezasićeni alifatski trihloro derivat pentena.}

Struktura molekula

Prisustvo atoma halogena ne može a da ne utiče na fizička i hemijska svojstva, kao i na opšte karakteristike strukture molekula. Opšta formula za ovu klasu jedinjenja 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 molekul kao cjelina sklon dvama efektima:

• negativna induktivna;
• mezomerički pozitivni.

Prvi od njih je mnogo izraženiji, tako da Hal atom uvijek pokazuje svojstva supstituenta koji povlači elektrone.

Inače, sve strukturne karakteristike molekula se ne razlikuju od onih običnih ugljovodonika. Svojstva se objašnjavaju strukturom lanca i njegovomgrananje, broj atoma ugljika, jačina aromatičnih karakteristika.

Nomenklatura halogenih derivata ugljovodonika zaslužuje posebnu pažnju. Koji je tačan naziv za ove veze? Da biste to učinili, morate slijediti nekoliko pravila.

1. Numerisanje lanca počinje od ivice najbliže atomu halogena. Ako postoji bilo koja višestruka veza, onda odbrojavanje počinje od nje, a ne od supstituenta koji povlači elektrone.
2. U prefiksu je naznačeno ime Hal, takođe 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-dihloropropen-1.

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

Kao i druge klase organskih jedinjenja, halogenizovani ugljovodonici imaju posebnu strukturu. Ovo omogućava da mnogi predstavnici budu označeni istorijskim imenima. Na primjer, halotan CF₃CBrClH. Prisutnost tri halogena odjednom u sastavu molekule daje ovoj tvari posebna svojstva. Koristi se u medicini, stoga je istorijski naziv koji se najčešće koristi.

Metode sinteze

Metode za dobijanje halogenih derivata ugljovodonika su dovoljneraznoliko. Postoji pet glavnih metoda za sintezu ovih jedinjenja u laboratoriji i industriji.

1. Halogenizacija konvencionalnih normalnih ugljovodonika. Opća shema reakcije: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Karakteristike procesa su sljedeće: kod hlora i broma potrebno je ultraljubičasto zračenje, kod joda reakcija je gotovo nemoguća ili vrlo spora. Interakcija sa fluorom je previše aktivna, tako da se ovaj halogen ne može koristiti u svom čistom obliku. Osim toga, pri halogeniranju aromatskih derivata potrebno je koristiti posebne procesne katalizatore - Lewisove kiseline. Na primjer, željezo ili aluminij hlorid.
2. Dobijanje halogenih derivata ugljovodonika vrši se i hidrohalogenacijom. Međutim, za ovo, polazno jedinjenje mora nužno biti nezasićeni ugljovodonik. Primjer: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Najčešće se takav elektrofilni dodatak koristi za dobijanje hloretilena ili vinil hlorida, jer je ovo jedinjenje važna sirovina za industrijske sinteze.
3. Uticaj hidrohalogena na alkohole. Opšti pogled na reakciju: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Karakteristika je obavezno prisustvo katalizatora. Primjeri akceleratora procesa koji se mogu koristiti su fosfor, sumpor, hlorid cinka ili željeza, sumporna kiselina, otopina cink hlorida u hlorovodoničkoj kiselini - Lucas reagens.
4. Dekarboksilacija kiselih soli oksidirajućim sredstvom. Drugi naziv za metodu je Borodin-Hunsdickerova reakcija. Suština je uklanjanje molekula ugljičnog dioksidaiz srebrnih derivata karboksilnih kiselina kada su izloženi oksidacionom sredstvu - halogenu. Kao rezultat, nastaju halogeni derivati ugljovodonika. Reakcije općenito izgledaju ovako: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Sinteza haloformi. 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 aromatičnih ugljovodonika sintetiziraju se u industriji na isti način.

Posebnu pažnju treba obratiti na sintezu neograničenih predstavnika razmatrane klase. Glavna metoda je tretman alkina solima žive i bakra u prisustvu halogena, što dovodi do stvaranja proizvoda sa dvostrukom vezom u lancu.

Halogeni derivati aromatičnih ugljovodonika dobijaju se reakcijama halogenacije arena ili alkilarena u bočni lanac. Ovo su važni industrijski proizvodi jer se koriste kao insekticidi u poljoprivredi.

Fizička svojstva

Fizička svojstva halogenih derivata ugljovodonika direktno zavise od strukture molekula. Na tačke ključanja i topljenja, stanje agregacije utiče broj atoma ugljenika u lancu i moguće grane na stranu. Što ih je više, to su rezultati veći. Općenito, moguće je karakterizirati fizičke parametre u nekoliko tačaka.

1. Agregatno stanje: prvo najnižepredstavnici - gasovi, posle S₁₂ - tečnosti, iznad - čvrste materije.
2. Gotovo svi predstavnici imaju oštar neprijatan specifičan miris.
3. Veoma slabo rastvorljiv u vodi, ali su sami po sebi odlični rastvarači. Vrlo dobro se rastvaraju u organskim jedinjenjima.
4. Tačke ključanja i topljenja rastu sa brojem atoma ugljika u glavnom lancu.
5. Sva jedinjenja osim derivata fluora su teža od vode.
6. Što je više grana u glavnom lancu, niža je tačka ključanja supstance.

Teško je identificirati mnoge zajedničke sličnosti, jer se predstavnici uvelike razlikuju po sastavu i strukturi. Stoga je bolje dati vrijednosti za svako specifično jedinjenje iz date serije ugljikovodika.

Hemijska svojstva

Jedan od najvažnijih parametara koji se moraju uzeti u obzir u hemijskoj industriji i reakcijama sinteze su hemijska svojstva halogenizovanih ugljovodonika. Nisu isti za sve predstavnike, jer postoji niz razloga za razliku.

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

Uopšteno govoreći, halogenirani alkili najbolje reaguju sa nukleofilnom supstitucijom. Na kraju krajeva, djelomično pozitivan naboj je koncentrisan na atomu ugljika nakon prekida veze s halogenom. Ovo omogućava 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 ugljovodonika moguće preći na skoro svaku klasu organskih jedinjenja, samo treba da izaberete odgovarajući reagens koji će obezbediti željenu funkcionalnu grupu.

Uopšteno govoreći, možemo reći da su hemijska svojstva halogenih derivata ugljovodonika sposobnost ulaska u sledeće interakcije.

1. Sa raznim vrstama nukleofilnih čestica - supstitucijske reakcije. Rezultat može biti: alkoholi, etri i estri, nitro jedinjenja, amini, nitrili, karboksilne kiseline.
2. Reakcije eliminacije ili dehidrohalogenacije. Kao rezultat izlaganja alkoholnoj otopini alkalija, molekula halogen vodika se cijepa. Tako nastaje alken, nusproizvodi male molekularne težine - so 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 praćen visokim temperaturama.
3. Dobijanje alkana normalne strukture metodom Wurtz sinteze. Suština reakcije je djelovanje na halogen-supstituirani ugljovodonik (dva molekula) sa metalnim natrijumom. Kao jako elektropozitivan ion, natrijum prihvata atome halogena iz jedinjenja. Kao rezultat toga, oslobođeni ugljikovodični radikali su međusobno povezani vezom, formirajući alkan nove strukture. Primjer: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Sinteza homologa aromatičnih ugljovodonika Friedel-Crafts metodom. Suština procesa je djelovanje haloalkila na benzen u prisustvu aluminij hlorida. Kao rezultat reakcije supstitucije dolazi do stvaranja toluena i klorovodika. U ovom slučaju neophodno je prisustvo katalizatora. Osim samog benzena, na ovaj način se mogu oksidirati i njegovi homolozi.
5. Dobivanje Greignard tečnosti. Ovaj reagens je ugljovodonik supstituisan halogenom sa jonom magnezijuma u sastavu. U početku, metalni magnezijum u eteru deluje na haloalkil derivat. Kao rezultat, formira se kompleksno jedinjenje sa općom formulom RMgHal, nazvano Greignardov reagens.
6. Reakcije redukcije na alkan (alken, arena). Izvodi se kada je izložen vodoniku. Kao rezultat, formiraju se ugljovodonik i nusproizvod, halogen vodonik. Opšti primjer: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Ovo su glavne interakcije u kojimahalogeni derivati ugljovodonika različite strukture mogu lako da uđu. Naravno, postoje specifične reakcije koje treba uzeti u obzir za svakog pojedinačnog predstavnika.

Izomerizam molekula

Izomerizam halogeniranih ugljovodonika je sasvim prirodan fenomen. Uostalom, poznato je da što je više atoma ugljika 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. Izomerija ugljeničnog skeleta radikala i glavnog lanca. Ovo također uključuje položaj višestruke veze, ako postoji u molekulu. Kao i kod jednostavnih ugljovodonika, počevši od trećeg predstavnika, mogu se pisati formule spojeva koji imaju identične molekularne, ali različite strukturne formule. Štaviše, za ugljovodonike supstituisane halogenom, broj izomernih oblika je red veličine veći nego za njihove odgovarajuće alkane (alkene, alkine, arene, itd.).
2. Položaj halogena u molekulu. Njegovo mjesto u nazivu je označeno brojem, a čak i ako se promijeni samo za jedan, tada će svojstva takvih izomera već biti potpuno drugačija.

Prostorni izomerizam ovdje ne dolazi u obzir, jer ga atomi halogena onemogućuju. Kao i sva druga organska jedinjenja, haloalkil izomeri se razlikuju ne samo po strukturi, već i po fizičkim i hemijskim svojstvima.karakteristike.

Derivati nezasićenih ugljovodonika

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

1. Vinil - kada se Hal atom nalazi direktno na atomu ugljika višestruke veze. Primjer molekula: CH₂=CCL_2.
2. Sa izolovanom pozicijom. 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 poziciji. Primjer: CH₂=CH-CH₂-CL.

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

Još jedan predstavnik nezasićenih halogenih derivata je hloropren. Njegova formula je CH₂=CCL-CH=CH₂. Ovo jedinjenje je sirovina za sintezu vrijednih vrsta gume, koje se odlikuju otpornošću na vatru, 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.

Aromatičnougljovodonici i njihovi derivati

Aromatična jedinjenja su ona jedinjenja koja uključuju benzenski prsten. Među njima je i čitava grupa halogenih derivata. Dvije glavne vrste mogu se razlikovati po njihovoj strukturi.

1. Ako je Hal atom vezan direktno za jezgro, odnosno aromatični prsten, tada se jedinjenja nazivaju haloareni.
2. Atom halogena nije vezan za prsten, već za bočni lanac atoma, odnosno radikal koji ide na bočnu granu. Takva jedinjenja se nazivaju arilalkil halogenidi.

Među supstancama koje se razmatraju, postoji nekoliko predstavnika od najvećeg praktičnog značaja.

1. Heksaklorobenzen - C₆Cl₆. Od početka 20. veka koristi se kao jak fungicid, ali i kao insekticid. Ima dobro dezinfekciono dejstvo, pa je korišćen za preradu semena pre setve. Ima neprijatan miris, tečnost je prilično zajeda, prozirna i može izazvati suzenje.
2. Benzyl bromid S₆N₅CH₂Br. Koristi se kao važan reagens u sintezi organometalnih jedinjenja.
3. Chlorobenzene C₆H₅CL. Tečna bezbojna tvar specifičnog mirisa. Koristi se u proizvodnji boja, pesticida. To je jedan od najboljih organskih rastvarača.

Industrijska upotreba

Halogeni derivati ugljovodonika koriste se u industriji i hemijskoj sinteziveoma široka. O nezasićenim i aromatičnim predstavnicima već smo govorili. Označimo sada općenito područja upotrebe svih spojeva ove serije.

1. U izgradnji.
2. Kao rastvarači.
3. U proizvodnji tkanina, gume, gume, boja, polimernih materijala.
4. Za sintezu mnogih organskih jedinjenja.
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 izolacionih materijala, itd.