Halogenované uhlovodíky: výroba, chemické vlastnosti, použití

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 05:20

Uhlovodíky jsou velmi rozsáhlou třídou organických sloučenin. Zahrnují několik hlavních skupin látek, z nichž téměř každá je široce používána v průmyslu, každodenním životě a přírodě. Zvláštní význam mají halogenované uhlovodíky, o kterých bude v článku řeč. Mají nejen velký průmyslový význam, ale jsou také důležitými surovinami pro mnoho chemických syntéz, získávání léků a dalších důležitých sloučenin. Věnujme zvláštní pozornost struktuře jejich molekul, vlastnostem a dalším vlastnostem.

Halogenované uhlovodíky: obecná charakteristika

Z hlediska chemické vědy tato třída sloučenin zahrnuje všechny ty uhlovodíky, ve kterých je jeden nebo více atomů vodíku nahrazeno jedním nebo druhým halogenem. Jedná se o velmi širokou kategorii látek, protože mají velký průmyslový význam. Na poměrně krátkou dobu lidénaučili se syntetizovat téměř všechny halogenderiváty uhlovodíků, jejichž použití je nezbytné v lékařství, chemickém průmyslu, potravinářském průmyslu a každodenním životě.

Hlavní metodou pro získání těchto sloučenin je syntetická cesta v laboratoři a průmyslu, protože téměř žádná z nich se v přírodě nevyskytuje. Díky přítomnosti atomu halogenu jsou vysoce reaktivní. To do značné míry určuje rozsah jejich použití v chemických syntézách jako meziproduktů.

Protože existuje mnoho zástupců halogenovaných uhlovodíků, je obvyklé klasifikovat je podle různých kritérií. Je založeno jak na struktuře řetězce, tak na množství vazeb a na rozdílu v atomech halogenu a jejich poloze.

Halogenderiváty uhlovodíků: klasifikace

První možnost separace je založena na obecně uznávaných zásadách, které platí pro všechny organické sloučeniny. Klasifikace je založena na rozdílu v typu uhlíkového řetězce, jeho cykličnosti. Na tomto základě rozlišují:

• omezené halogenované uhlovodíky;
• unlimited;
• aromatic;
• alifatický;
• acyklický.

Následující rozdělení je založeno na typu atomu halogenu a jeho kvantitativním obsahu v molekule. Takže přidělte:

• monoderiváty;
• deriváty;
• three-;
• tetra-;
• deriváty penta a tak dále.

Pokud mluvíme o typu halogenu, pak se název podskupiny skládá ze dvou slov. Například monochlorderivát,trijodový derivát, tetrabromhalogenalken a tak dále.

Existuje také další možnost klasifikace, podle které se oddělují především halogenderiváty nasycených uhlovodíků. Toto je číslo atomu uhlíku, ke kterému je halogen připojen. Takže přidělte:

• primární deriváty;
• sekundární;
• terciární a tak dále.

Každý konkrétní zástupce může být seřazen podle všech znaků a určit tak plné místo v systému organických sloučenin. Tedy například sloučenina se složením CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3lze klasifikovat takto. Je to nenasycený alifatický trichlorderivát pentenu.}

Struktura molekuly

Přítomnost atomů halogenu nemůže ovlivnit jak fyzikální, tak chemické vlastnosti a obecné rysy struktury molekuly. Obecný vzorec pro tuto třídu sloučenin je R-Hal, kde R je volný uhlovodíkový radikál jakékoli struktury a Hal je atom halogenu, jeden nebo více. Vazba mezi uhlíkem a halogenem je silně polarizovaná, v důsledku čehož je molekula jako celek náchylná ke dvěma efektům:

• negativní induktivní;
• mezomerně pozitivní.

První z nich je mnohem výraznější, takže atom Hal vždy vykazuje vlastnosti substituentu přitahujícího elektrony.

Jinak se všechny strukturní rysy molekuly neliší od vlastností běžných uhlovodíků. Vlastnosti jsou vysvětleny strukturou řetězce a jehovětvení, počet atomů uhlíku, síla aromatických prvků.

Názvosloví halogenových derivátů uhlovodíků si zaslouží zvláštní pozornost. Jaký je správný název pro tato spojení? Chcete-li to provést, musíte dodržovat několik pravidel.

1. Číslování řetězce začíná od okraje nejblíže atomu halogenu. Pokud existuje nějaká vícenásobná vazba, pak odpočítávání začíná od ní, a ne od substituentu přitahujícího elektrony.
2. Jméno Hal je uvedeno v předponě, mělo by být uvedeno i číslo atomu uhlíku, od kterého se odchýlí.
3. Posledním krokem je pojmenování hlavního řetězce atomů (nebo kruhu).

Příklad podobného názvu: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichlorpropen-1.

Název může být také uveden podle racionálního názvosloví. V tomto případě se vyslovuje název radikálu a poté název halogenu s příponou -id. Příklad: CH₃-CH₂-CH₂Br - propylbromid.

Stejně jako jiné třídy organických sloučenin mají halogenované uhlovodíky zvláštní strukturu. To umožňuje, aby bylo mnoho zástupců označeno historickými jmény. Například halothan CF₃CBrClH. Přítomnost tří halogenů najednou ve složení molekuly poskytuje této látce speciální vlastnosti. Používá se v medicíně, proto se nejčastěji používá tento historický název.

Metody syntézy

Metody pro získání halogenderivátů uhlovodíků jsou dostatečnépestrý. Existuje pět hlavních metod pro syntézu těchto sloučenin v laboratoři a průmyslu.

1. Halogenace konvenčních normálních uhlovodíků. Obecné reakční schéma: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Charakteristiky procesu jsou následující: u chloru a bromu je nutné ultrafialové ozařování, u jódu je reakce téměř nemožná nebo velmi pomalá. Interakce s fluorem je příliš aktivní, takže tento halogen nelze použít v čisté formě. Při halogenaci aromatických derivátů je navíc nutné použít speciální procesní katalyzátory - Lewisovy kyseliny. Například železo nebo chlorid hlinitý.
2. Získávání halogenderivátů uhlovodíků se také provádí hydrohalogenací. K tomu však musí být výchozí sloučeninou nezbytně nenasycený uhlovodík. Příklad: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Nejčastěji se taková elektrofilní přísada používá k získání chlorethylenu nebo vinylchloridu, protože tato sloučenina je důležitou surovinou pro průmyslové syntézy.
3. Účinek hydrohalogenů na alkoholy. Celkový pohled na reakci: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Charakteristickým rysem je povinná přítomnost katalyzátoru. Příklady procesních urychlovačů, které lze použít, jsou fosfor, síra, chloridy zinku nebo železa, kyselina sírová, roztok chloridu zinečnatého v kyselině chlorovodíkové - Lucasovo činidlo.
4. Dekarboxylace kyselých solí oxidačním činidlem. Jiný název pro metodu je Borodin-Hunsdickerova reakce. Základem je odstranění molekuly oxidu uhličitéhoze stříbrných derivátů karboxylových kyselin při působení oxidačního činidla - halogenu. V důsledku toho vznikají halogenderiváty uhlovodíků. Reakce obecně vypadají takto: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Syntéza haloforem. Jinými slovy jde o výrobu trihalogenových derivátů metanu. Nejjednodušší způsob jejich výroby je ošetření acetonu alkalickým roztokem halogenů. V důsledku toho dochází k tvorbě haloformních molekul. Halogenderiváty aromatických uhlovodíků se v průmyslu syntetizují stejným způsobem.

Zvláštní pozornost by měla být věnována syntéze neomezených zástupců uvažované třídy. Hlavní metodou je úprava alkynů solí rtuti a mědi za přítomnosti halogenů, což vede k vytvoření produktu s dvojnou vazbou v řetězci.

Halogenderiváty aromatických uhlovodíků se získávají halogenačními reakcemi arenů nebo alkylarenů na postranní řetězec. Jedná se o důležité průmyslové produkty, protože se používají jako insekticidy v zemědělství.

Fyzikální vlastnosti

Fyzikální vlastnosti halogenových derivátů uhlovodíků přímo závisí na struktuře molekuly. Teploty varu a tání, stav agregace jsou ovlivněny počtem atomů uhlíku v řetězci a případnými větvemi do strany. Čím více z nich, tím vyšší skóre. Obecně je možné fyzikální parametry charakterizovat v několika bodech.

1. Stav souhrnu: první nejnižšízástupci - plyny, následující po С₁₂ - kapaliny, výše - pevné látky.
2. Téměř všichni zástupci mají ostrý nepříjemný specifický zápach.
3. Velmi špatně rozpustný ve vodě, ale sám o sobě vynikající rozpouštědla. Velmi dobře se rozpouštějí v organických sloučeninách.
4. Teploty varu a tání rostou s počtem atomů uhlíku v hlavním řetězci.
5. Všechny sloučeniny kromě derivátů fluoru jsou těžší než voda.
6. Čím více větví v hlavním řetězci, tím nižší je bod varu látky.

Je obtížné identifikovat mnoho společných podobností, protože zástupci se velmi liší složením a strukturou. Proto je lepší uvádět hodnoty pro každou konkrétní sloučeninu z dané řady uhlovodíků.

Chemické vlastnosti

Jedním z nejdůležitějších parametrů, které je třeba vzít v úvahu v chemickém průmyslu a syntézních reakcích, jsou chemické vlastnosti halogenovaných uhlovodíků. Nejsou stejné pro všechny zástupce, protože existuje řada důvodů pro rozdíl.

1. Struktura uhlíkového řetězce. Nejjednodušší substituční reakce (nukleofilního typu) se vyskytují u sekundárních a terciárních haloalkylů.
2. Typ atomu halogenu je také důležitý. Vazba mezi uhlíkem a Hal je silně polarizovaná, což usnadňuje její rozbití s uvolněním volných radikálů. Vazba mezi jódem a uhlíkem se však nejsnáze přeruší, což se vysvětluje pravidelnou změnou (poklesem) vazebné energie v řadě: F-Cl-Br-I.
3. Přítomnost aromatických látekradikální nebo vícenásobné vazby.
4. Struktura a větvení samotného radikálu.

Obecně halogenované alkyly reagují nejlépe s nukleofilní substitucí. Na atomu uhlíku se totiž po přerušení vazby s halogenem soustředí částečně kladný náboj. To umožňuje radikálu jako celku stát se akceptorem elektronegativních částic. Například:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NE₂^-;
• CN^- a další.

To vysvětluje skutečnost, že je možné přejít od halogenderivátů uhlovodíků k téměř jakékoli třídě organických sloučenin, stačí si vybrat vhodné činidlo, které poskytne požadovanou funkční skupinu.

Obecně můžeme říci, že chemickými vlastnostmi halogenderivátů uhlovodíků je schopnost vstupovat do následujících interakcí.

1. S různými druhy nukleofilních částic - substituční reakce. Výsledkem mohou být: alkoholy, ethery a estery, nitrosloučeniny, aminy, nitrily, karboxylové kyseliny.
2. Reakce eliminace nebo dehydrohalogenace. V důsledku vystavení alkoholovému roztoku alkálie se odštěpí molekula halogenovodíku. Tak vzniká alken, nízkomolekulární vedlejší produkty – sůl a voda. Příklad reakce: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Tyto procesy jsou jedním z hlavních způsobů syntézy důležitých alkenů. Proces je vždy doprovázen vysokými teplotami.
3. Získání alkanů normální struktury metodou Wurtzovy syntézy. Podstatou reakce je působení na halogenem substituovaný uhlovodík (dvě molekuly) kovovým sodíkem. Jako silně elektropozitivní iont přijímá sodík ze sloučeniny atomy halogenu. V důsledku toho jsou uvolněné uhlovodíkové radikály propojeny vazbou a tvoří alkan nové struktury. Příklad: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Syntéza homologů aromatických uhlovodíků metodou Friedel-Crafts. Podstatou procesu je působení halogenalkylu na benzen v přítomnosti chloridu hlinitého. V důsledku substituční reakce dochází k tvorbě toluenu a chlorovodíku. V tomto případě je nezbytná přítomnost katalyzátoru. Kromě samotného benzenu lze tímto způsobem oxidovat i jeho homology.
5. Získání Greignardovy tekutiny. Toto činidlo je halogenem substituovaný uhlovodík s hořečnatým iontem v kompozici. Zpočátku kovový hořčík v etheru působí na halogenalkylový derivát. Výsledkem je vytvoření komplexní sloučeniny obecného vzorce RMgHal, nazývané Greignardovo činidlo.
6. Redukční reakce na alkan (alken, arena). Provádí se při vystavení vodíku. V důsledku toho se tvoří uhlovodík a vedlejší produkt, halogenovodík. Obecný příklad: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Toto jsou hlavní interakce, ve kterýchhalogenderiváty uhlovodíků různých struktur jsou schopny snadno vstoupit. Samozřejmě existují specifické reakce, které by měly být zváženy u každého jednotlivého zástupce.

Isomerie molekul

Isomerie halogenovaných uhlovodíků je zcela přirozený jev. Ostatně je známo, že čím více atomů uhlíku v řetězci, tím vyšší počet izomerních forem. Kromě toho mají nenasycení zástupci mnohonásobné vazby, což také způsobuje výskyt izomerů.

U této třídy sloučenin existují dvě hlavní varianty tohoto jevu.

1. Isomerie uhlíkové kostry radikálu a hlavního řetězce. Patří sem také poloha násobné vazby, pokud v molekule existuje. Stejně jako u jednoduchých uhlovodíků, počínaje třetím zástupcem, lze zapsat vzorce sloučenin, které mají stejné molekulární, ale různé strukturní vzorce. Navíc pro halogenem substituované uhlovodíky je počet izomerních forem o řád vyšší než u jejich odpovídajících alkanů (alkenů, alkynů, arenů atd.).
2. Pozice halogenu v molekule. Jeho místo v názvu je označeno číslem, a i když se změní pouze o jedno, vlastnosti takových izomerů již budou zcela odlišné.

Prostorová izomerie zde nepřipadá v úvahu, protože atomy halogenů ji znemožňují. Jako všechny ostatní organické sloučeniny se halogenalkylové izomery liší nejen strukturou, ale také fyzikálními a chemickými vlastnostmi.vlastnosti.

Deriváty nenasycených uhlovodíků

Takových spojení je samozřejmě mnoho. Nás však zajímají halogenderiváty nenasycených uhlovodíků. Lze je také rozdělit do tří hlavních skupin.

1. Vinyl - když je atom Hal umístěn přímo na atomu uhlíku násobné vazby. Příklad molekuly: CH₂=CCL_2.
2. S izolovanou polohou. Atom halogenu a násobná vazba jsou umístěny v opačných částech molekuly. Příklad: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allylové deriváty - atom halogenu je umístěn na dvojnou vazbu přes jeden atom uhlíku, to znamená, že je v poloze alfa. Příklad: CH₂=CH-CH₂-CL.

Obzvláště důležitý je vinylchlorid CH₂=CHCL. Je schopen polymeračních reakcí za vzniku důležitých produktů, jako jsou izolační materiály, voděodolné tkaniny a další.

Dalším zástupcem nenasycených halogenderivátů je chloropren. Jeho vzorec je CH2=CCL-CH=CH2. Tato sloučenina je surovinou pro syntézu cenných typů kaučuku, které se vyznačují odolností proti ohni, dlouhou životností a špatnou propustností pro plyny.

Tetrafluoretylen (neboli teflon) je polymer, který má vysoce kvalitní technické parametry. Používá se k výrobě cenných nátěrů technických dílů, nádobí, různých spotřebičů. Vzorec – CF₂=CF₂.

Aromatickýuhlovodíky a jejich deriváty

Aromatické sloučeniny jsou ty sloučeniny, které obsahují benzenový kruh. Mezi nimi je také celá skupina halogenderivátů. Podle struktury lze rozlišit dva hlavní typy.

1. Pokud je atom Hal vázán přímo na jádro, tedy aromatický kruh, pak se sloučeniny nazývají haloareny.
2. Atom halogenu není připojen ke kruhu, ale k postrannímu řetězci atomů, to znamená k radikálu směřujícímu do postranní větve. Takové sloučeniny se nazývají arylalkylhalogenidy.

Mezi uvažovanými látkami je několik zástupců s největším praktickým významem.

1. Hexachlorbenzen - C₆Cl₆. Od počátku 20. století se používá jako silný fungicid, ale i jako insekticid. Má dobrý dezinfekční účinek, proto se používal k moření semen před setím. Má nepříjemný zápach, kapalina je docela žíravá, průhledná a může způsobit slzení.
2. Benzylbromid С₆Н₅CH₂Br. Používá se jako důležité činidlo při syntéze organokovových sloučenin.
3. Chlorbenzen C₆H₅CL. Tekutá bezbarvá látka se specifickým zápachem. Používá se při výrobě barviv, pesticidů. Je to jedno z nejlepších organických rozpouštědel.

Průmyslové použití

Halogenderiváty uhlovodíků se používají v průmyslu a chemické syntézevelmi široký. O nenasycených a aromatických zástupcích jsme již mluvili. Nyní si obecně označme oblasti použití všech sloučenin této řady.

1. Ve stavebnictví.
2. Jako rozpouštědla.
3. Při výrobě tkanin, pryže, pryží, barviv, polymerních materiálů.
4. Pro syntézu mnoha organických sloučenin.
5. Deriváty fluoru (freony) jsou chladiva v chladicích jednotkách.
6. Používá se jako pesticidy, insekticidy, fungicidy, oleje, sušicí oleje, pryskyřice, maziva.
7. Přejít na výrobu izolačních materiálů atd.