Halogenované uhlovodíky: výroba, chemické vlastnosti, aplikace

Uhlovodíky představují velmi velkou skupinu sloučenin spojených s organickými sloučeninami. Zahrnují několik základních skupin látek, z nichž téměř každý nachází široké uplatnění v průmyslu, životě a přírodě. Zvláštní význam mají halogenované uhlovodíky, o kterých se bude diskutovat v článku. Nejsou pouze důležitého průmyslového významu, ale také důležitou surovinou pro různé chemické syntézy, výrobu léků a dalších důležitých sloučenin. Zvláštní pozornost budeme věnovat struktuře molekul, vlastnostem a dalším vlastnostem.

Halogenované uhlovodíky: obecná charakteristika

Z hlediska chemické vědy zahrnuje tato skupina sloučenin všechny uhlovodíky, ve kterých je jeden nebo více atomů vodíku nahrazeno jedním nebo druhým atomem halogenu. Jedná se o velmi rozsáhlou kategorii látek, protože mají velký průmyslový význam. Již dlouhou dobu se lidé naučili syntetizovat téměř všechny halogenované uhlovodíky, jejichž použití je nezbytné v medicíně, chemickém průmyslu, potravinářském průmyslu a každodenním životě.

Hlavním způsobem získání těchto sloučenin je syntetická dráha v laboratoři a průmyslu, protože prakticky se žádný z nich nevyskytuje v přírodě. Vzhledem k přítomnosti atomu halogenu mají vysokou reaktivitu. To velmi určuje oblast jejich použití v chemické syntéze jako meziprodukty.

Vzhledem k tomu, že zástupci halogenovaných uhlovodíků mají hodně, je obvyklé jejich klasifikaci podle různých charakteristik. Základem je struktura řetězu a početnost vazby, stejně jako rozdíl v atomech halogenů a umístění jejich polohy.

Halogenované uhlovodíky: klasifikace

První možnost je založena na obecně uznávaných zásadách, které platí pro všechny organických sloučenin. Klasifikace vychází z rozdílu v typu uhlíkového řetězce a jeho cyklickosti. Podle této funkce existují:

• omezení halogenovaných uhlovodíků;
• nenasycené;
• aromatický;
• alifatická;
• acyklický.

Další rozdělení je založeno na formě atomu halogenu a jeho kvantitativním obsahu v molekule. Přidejte tedy:

• mono deriváty;
• di-deriváty;
• tri-;
• tetra-;
• penta deriváty a tak dále.

Pokud hovoříme o formě halogenu, pak se název podskupiny skládá ze dvou slov. Například monochloroderivát, derivát trijodoru, tetrabrom-halogenalken a tak dále.

Existuje také další možnost klasifikace, podle níž jsou halogenované deriváty konečných uhlovodíků odděleny. To je číslo atomu uhlíku, ke kterému je halogen připojen. Přidejte tedy:

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

Každý konkrétní zástupce může být zařazen podle všech znaků a určovat celkové místo v systému organických sloučenin. Například sloučenina se složením CH₃ - CH₂-CH = CH-CCL₃ lze klasifikovat následovně. Jedná se o nenasycený alifatický trichloro derivát pentenu.

Struktura molekuly

Přítomnost halogenových atomů nemůže ovlivňovat jak fyzikální, tak chemické vlastnosti a obecné struktury molekuly. Obecný vzorec pro tuto skupinu sloučenin je R-Hal, kde R je volný uhlovodíkový zbytek jakékoliv struktury a Hal je atom halogenu, jeden nebo více. Vazba mezi uhlíkem a halogenem je vysoce polarizovaná, takže molekula jako celek je náchylná ke dvěma účinkům:

• negativní induktivní;
• mezomerně pozitivní.

V tomto případě se první z nich projeví mnohem silněji, proto atom Hal vždy vykazuje vlastnosti substituentu odebírajícího elektron.

Jinak se všechny vlastnosti struktury molekuly neliší od vlastností běžných uhlovodíků. Vlastnosti jsou vysvětleny strukturou řetězce a jeho větvení, počtem atomů uhlíku, sílou aromatických vlastností.

Je třeba věnovat zvláštní pozornost nomenklatuře halogenovaných uhlovodíků. Jak správně byste měli volat tato spojení? Chcete-li to provést, musíte postupovat podle několika pravidel.

1. Číslování řetězců začíná na okraji, ke kterému je atom halogenu blíže. Pokud existuje nějaká vícenásobná vazba, potom počátek začne přesně s ním, a nikoliv s substituentem vybíjejícím elektrony.
2. Název "Hal" je uveden v předponě a také číslo atomu uhlíku, z něhož odchází.
3. Poslední krok udává název hlavního řetězce atomů (nebo kruhu).

Příklad podobného jména: CH₂= CH-CHCL₂ - 3-dichlorpropen-l.

Jméno může být také uvedeno na racionální nomenklatuře. V tomto případě se vyslovuje název radikálu a pak halogen s příponou -id. Příklad: СН₃-CH₂-CH₂Br je propylbromid.

Stejně jako ostatní třídy organických sloučenin mají halogenované uhlovodíky zvláštní strukturu. To umožňuje mnoha zástupcům označit historicky vytvořená jména. Například fluorokarbon CF₃CBrClH. Přítomnost tří halogenů ve složení molekuly poskytuje této látce zvláštní vlastnosti. Používá se v medicíně, takže se často používá historicky tvarovaný název.

Metody syntézy

Způsoby výroby halogenovaných uhlovodíků jsou poměrně rozmanité. Existuje pět hlavních metod syntézy těchto sloučenin v laboratoři a průmyslu.

1. Halogenace normálních uhlovodíků normální struktury. Obecná reakční schéma: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Vlastnosti procesu jsou následující: s chlorem a bromem je nutné ultrafialové ozařování, jod je reakce prakticky nemožná nebo velmi pomalá. S fluorem je interakce příliš aktivní, takže tento halogen nemůžete používat ve své čisté podobě. Kromě toho je třeba při halogenaci aromatických derivátů použít speciální katalyzátory Lewisovy kyseliny. Například železo nebo chlorid hlinitý.
2. Výroba halogenovaných uhlovodíků se provádí také hydrohalogenací. K tomu však musí být výchozí sloučenina nutně nenasycený uhlovodík. Příklad: R = R-R + HHal → R-R-RHal. Nejčastěji se tato elektrofilní přísada používá k výrobě chlorethylenu nebo vinylchloridu, protože tato sloučenina je důležitou surovinou pro průmyslové syntézy.
3. Účinek hydrohalogenu na alkoholy. Obecná forma reakce: R-OH + HHal → R-Hal + H₂O. Zvláštností je povinná přítomnost katalyzátoru. Příklady urychlovačů procesu, které lze použít, jsou: chlorid fosforečný, síry, zinku nebo železa, kyselina sírová, roztok chlorid zinečnatý v kyselině chlorovodíkové - Lucasově činidlo.
4. Dekarboxylace kyselých solí oxidačním činidlem. Dalším názvem této metody je reakce Borodin-Hunsdikker. Podstata spočívá v odštěpení molekuly oxidu uhličitého ze stříbra karboxylové kyseliny při vystavení působení oxidačního činidla - halogenu. V důsledku toho se tvoří halogenované uhlovodíky. Reakce v obecné podobě vypadají takto: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Syntéza haloformů. Jinými slovy, jedná se o výrobu trihalogenovaných derivátů metanu. Nejjednodušší způsob jejich výroby je aplikovat acetal na alkalický halogenový roztok. V důsledku toho se tvoří molekuly vytvářející halogen. Halogenované aromatické uhlovodíky se syntetizují stejným způsobem v průmyslu.

Zvláštní pozornost by měla být věnována syntéze nenasycených zástupců dané třídy. Základní metodou - je dopad na alkyny solí rtuti a mědi v přítomnosti halogenů, což vede k produktu s dvojnou vazbou v řetězci.

Halogenové deriváty aromatických uhlovodíků se získají reakcí halogenace arrenů nebo alkylarenů v postranním řetězci. Jedná se o důležité průmyslové výrobky, protože se používají jako insekticidy v zemědělství.

Fyzikální vlastnosti

Fyzikální vlastnosti halogenované uhlovodíky přímo závisí na struktuře molekuly. Při teplotě varu a teplotě tání je agregátní stav ovlivněn počtem atomů uhlíku v řetězci a možnými větvemi na straně. Čím více je, tím vyšší jsou čísla. Obecně lze fyzikální parametry charakterizovat v několika bodech.

1. Agregátní stav: prvními nižšími zástupci jsou plyny, následně po C_12. - kapaliny, pevné látky.
2. Mají ostré, nepříjemné, specifické vůně, téměř všechny zástupce.
3. Velmi špatně rozpustné ve vodě, ale sami - vynikající rozpouštědla. V organických směsích se velmi dobře rozpouští.
4. Teploty varu a tavení se zvyšují s počtem atomů uhlíku v hlavním řetězci.
5. Všechny sloučeniny kromě fluoridových derivátů jsou těžší než voda.
6. Čím více větví v hlavním řetězci, tím nižší je bod varu látky.

Je obtížné identifikovat mnoho podobných podobností, protože zástupci se značně liší ve složení a struktuře. Proto je lepší dát hodnoty pro každou jednotlivou sloučeninu z dané řady uhlovodíků.

Chemické vlastnosti

Jedním z nejdůležitějších parametrů, které se nutně berou v úvahu v chemickém průmyslu a syntetické reakce, jsou chemické vlastnosti halogenovaných uhlovodíků. Nejedná se o to samé pro všechny zástupce, protože existuje rozdíl.

1. Struktura uhlíkového řetězce. Nejjednodušší substituční reakce (nukleofilní typ) se vyskytují v sekundárních a terciárních halogenalkylech.
2. Forma atomu halogenu je rovněž důležitá. Vazba mezi uhlíkem a Hal je silně polarizovaná, což umožňuje snadné přerušení uvolňováním volných radikálů. Nicméně nejsnazší vazba je přesně mezi jodem a uhlíkem, což je vysvětleno přirozenou změnou (poklesem) vazebné energie v sérii: F-Cl-Br-I.
3. Přítomnost aromatického radikálu nebo vícenásobných vazeb.
4. Struktura a rozvětvení samotného radikálu.

Obecně se nejčastěji používají halogenalkylové skupiny k reakci specificky na nukleofilní substituci. Koneckonců, částečně pozitivní náboj je koncentrován na atom uhlíku po rozbití vazby s halogenem. To umožňuje radikálu jako celku stát se akceptorem elektron-negativních částic. Například:

• HE^-;
• SO₄^2-;
• Ne₂^-;
• CN^- a další.

To vysvětluje skutečnost, že z halogenovaného uhlovodíku může jít na téměř libovolné třídy organických sloučenin, pouze je třeba zvolit vhodnou reakční činidlo, které bude poskytovat požadované funkce.

Obecně lze říci, že chemické vlastnosti halogenovaných uhlovodíků jsou schopnost vstoupit do následujících interakcí.

1. S nukleofilními částicemi všeho druhu - substitučními reakcemi. Jako výsledek, můžete získat: alkoholy, jednoduché a estery, nitrosloučeniny, aminy, nitrily, karboxylové kyseliny.
2. Eliminace nebo dehydrohalogenační reakce. Výsledkem působení roztoku alkalického alkoholu je molekula halogenovodíku štěpena. Takto vzniká alken, nízkomolekulární vedlejší produkty - sůl a voda. Příklad reakce: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂Br + NaOH _(alkohol) → CH₃-CH₂-CH = CH₂ + NaBr + H₂O_. Tyto procesy jsou jednou z hlavních metod syntézy důležitých alkenů. Proces je vždy doprovázen vysokými teplotami.
3. Příprava alkanů normální struktury metodou syntézy Würz. Podstata reakce spočívá v expozici halogenovanému uhlovodíku (dvě molekuly) s kovovým sodíkem. Jako silně elektropozitivní iont sodík přijímá atomy halogenů ze sloučeniny. Výsledkem je, že uvolněné uhlovodíkové zbytky jsou vzájemně uzavřeny vazbou, čímž vzniká alkan s novou strukturou. Příklad: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂Cl + 2Na → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 2NaCl.
   
4. Syntéza homologů aromatických uhlovodíků metodou Friedel-Crafts. Podstata postupu spočívá v působení benzenu s halogenalkylem v přítomnosti chloridu hlinitého. V důsledku substituční reakce dochází k tvorbě toluenu a chlorovodíku. V tomto případě je nutná přítomnost katalyzátoru. Kromě samotného benzenu je také možné tímto homologem oxidovat.
5. Příprava kapaliny Greniard. Toto činidlo je halogenovaný uhlovodík s hořčíkovým iontem v kompozici. Zpočátku je kovový hořčík v éteru vystaven haloalkylovému derivátu. Výsledkem je, že se vytvoří komplexní sloučenina obecného vzorce RMgHal, označovaná jako Grenyarovo činidlo.
6. Reakce redukce na alkán (alken, arena). Provádí se pod vlivem vodíku. V důsledku toho vzniká uhlovodík a vedlejší produkt, halogenovodík. Příklad v obecné formě: R-Hal + H₂ → R-H + HHal.

To jsou hlavní interakce, do kterých snadno vstupují halogenové deriváty uhlovodíků různých struktur. Samozřejmě existují konkrétní reakce, které by měly být vzaty v úvahu u každého konkrétního zástupce.

Isomerism molekul

Izomerie halogenovaných uhlovodíků je zcela přirozená. Je známo, že čím více atomů uhlíku v řetězci, tím vyšší je počet izomerních forem. Navíc nenasycené zástupce mají více vazeb, což také způsobuje vzhled isomerů.

Pro tuto třídu sloučenin lze rozlišit dvě hlavní odrůdy tohoto jevu.

1. Isomerismus uhlíkového skeletu radikálu a páteře. To také zahrnuje polohu vícenásobné vazby, pokud existuje v molekule. Stejně jako u jednoduchých uhlovodíků je možné od třetího zástupce zapsat vzorce sloučenin, které mají identické molekulární, ale různé strukturální vzorce. Navíc pro halogenované uhlovodíky je počet isomerních forem o řádu vyšší než u odpovídajících alkanů (alkény, alkyny, areny atd.).
2. Poloha halogenu v molekule. Jeho místo v názvu je označeno číslicí a i když se změní pouze o jednu, vlastnosti takových izomerů budou zcela odlišné.

Není to otázka prostorové isomerizace, protože atomy halogenů to znemožňují. Stejně jako všechny ostatní organické sloučeniny se halogenoalkylové isomery liší nejen strukturou, ale také jejich fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

Deriváty nenasycených uhlovodíků

Samozřejmě existuje mnoho takovýchto spojení. Máme však zájem o halogenové deriváty nenasycených uhlovodíků. Mohou být rozděleny do tří hlavních skupin.

1. Vinyl - pokud je atom Hal umístěn přímo na atomu uhlíku vícenásobné vazby. Příklad molekuly: CH₂= CCL_2.
2. S izolovanou pozicí. Atómy halogenu a vícenásobná vazba jsou umístěny v protilehlých částech molekuly. Příklad: СН₂= CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Alylové deriváty - atom halogenu je umístěn na dvojnou vazbu přes jeden atom uhlíku, to znamená, že je v alfa poloze. Příklad: СН₂= CH-CH₂-CL.

Zvláště důležitá je sloučenina, jako je vinylchlorid CH₂= CHCL. Je schopen polymerizační reakce s tvorbou důležitých produktů, jako jsou izolační materiály, nepromokavé tkaniny a tak dále.

Dalším zástupcem nenasycených halogenových derivátů je chloropren. Jeho vzorec je CH2 = CCL-CH = CH2. Tato sloučenina je výchozím materiálem pro syntézu cenných typů kaučuku, které se liší požární odolností, dlouhou životností a špatnou propustností plynů.

Tetrafluorethylen (nebo teflon) je polymer, který má kvalitativní technické parametry. Používá se k výrobě cenného pokrytí technických částí, nádobí, různých spotřebičů. Formula - CF₂= CF₂.

Aromatické uhlovodíky a jejich deriváty

Aromatické jsou ty sloučeniny, které obsahují benzenový kruh. Mezi nimi je i celá skupina halogenových derivátů. V jejich struktuře je možné rozlišit dva hlavní typy.

1. Pokud je atom Hal přímo připojen k jádru, tedy aromatickému kruhu, pak se sloučeniny obecně nazývají halorény.
2. Atom halogenu není na kruhu vázán, ale na postranní řetězec atomů, to je radikál, který se rozkládá do boční větve. Takové sloučeniny se nazývají arylalkylhalogenidy.

Mezi zvažovanými látkami lze jmenovat několik zástupců s největším praktickým významem.

1. Hexachlorbenzen-C_6.Cl_6.. Od počátku 20. století je používán jako silný fungicid, stejně jako insekticid. Má dobrý dezinfekční účinek, takže byl používán k moření semen před sklizní. Má nepříjemný zápach, kapalina je naprosto žíravá, průhledná, může způsobit slzení.
2. Benzyl-C-benzylbromid_6.H₅CH₂Br. Používá se jako důležité činidlo při syntéze organokovových sloučenin.
3. Chlorbenzen C_6.H₅CL. Tekutá bezbarvá látka se specifickým zápachem. Používá se při výrobě barviv, pesticidů. Jedná se o jedno z nejlepších organických rozpouštědel.

Použití v průmyslu

Halogenované uhlovodíky se velmi často používají v průmyslu a chemické syntéze. Již jsme mluvili o nenasycených a aromatických zástupcích. Nyní budeme obecně označovat oblasti použití všech sloučenin této řady.

1. Ve výstavbě.
2. Jako rozpouštědla.
3. Ve výrobě textilií, pryže, pryží, barviv, polymerních materiálů.
4. Pro syntézu mnoha organických sloučenin.
5. Fluoridové deriváty (freony) jsou chladiva v chladicích zařízeních.
6. Používají se jako pesticidy, insekticidy, fungicidy, oleje, sušící oleje, pryskyřice, mazadla.
7. Přejděte na výrobu izolačních materiálů atd.