Halogenerede kulbrinter: produktion, kemiske egenskaber, anvendelse

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Hydrocarboner er en meget stor klasse af organiske forbindelser. De omfatter flere hovedgrupper af stoffer, blandt hvilke næsten alle er meget udbredt i industrien, hverdagen og naturen. Af særlig betydning er halogenerede kulbrinter, som vil blive diskuteret i artiklen. De er ikke kun af høj industriel betydning, men er også vigtige råmaterialer til mange kemiske synteser, opnåelse af medicin og andre vigtige forbindelser. Lad os være særligt opmærksomme på strukturen af deres molekyler, egenskaber og andre funktioner.

Halogenerede kulbrinter: generelle karakteristika

Fra et kemisk videnskabssynspunkt inkluderer denne klasse af forbindelser alle de kulbrinter, hvor et eller flere hydrogenatomer er erstattet af et eller andet halogen. Dette er en meget bred kategori af stoffer, da de har stor industriel betydning. For ganske kort tid menneskerlært at syntetisere næsten alle halogenderivater af kulbrinter, hvis anvendelse er nødvendig i medicin, den kemiske industri, fødevareindustrien og hverdagen.

Den vigtigste metode til at opnå disse forbindelser er syntesevejen i laboratoriet og industrien, da næsten ingen af dem forekommer i naturen. På grund af tilstedeværelsen af et halogenatom er de meget reaktive. Dette bestemmer i høj grad omfanget af deres anvendelse i kemiske synteser som mellemprodukter.

Da der er mange repræsentanter for halogenerede kulbrinter, er det sædvanligt at klassificere dem efter forskellige kriterier. Den er baseret på både strukturen af kæden og mangfoldigheden af bindinger og forskellen i halogenatomerne og deres position.

Halogenderivater af kulbrinter: klassifikation

Den første separationsmulighed er baseret på generelt accepterede principper, der gælder for alle organiske forbindelser. Klassificeringen er baseret på forskellen i typen af kulstofkæde, dens cyklicitet. På dette grundlag skelner de mellem:

• begrænset halogenerede kulbrinter;
• ubegrænset;
• aromatisk;
• aliphatic;
• acyklisk.

Den følgende opdeling er baseret på typen af halogenatom og dets kvantitative indhold i molekylet. Så tildel:

• mono-derivater;
• diderivatives;
• tre-;
• tetra-;
• penta-derivater og så videre.

Hvis vi taler om typen af halogen, så består navnet på undergruppen af to ord. For eksempel monochlorderivatet,triiodderivat, tetrabromhalogenalken og så videre.

Der er også en anden klassificeringsmulighed, ifølge hvilken hovedsageligt halogenderivater af mættede kulbrinter udskilles. Dette er nummeret på det carbonatom, som halogenet er knyttet til. Så tildel:

• primære derivater;
• sekundær;
• tertiær og så videre.

Hver specifik repræsentant kan rangeres efter alle tegn og bestemme den fulde plads i systemet af organiske forbindelser. Så for eksempel en forbindelse med sammensætningen CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3kan klassificeres sådan. Det er et umættet alifatisk trichlorderivat af penten.}

Molekylets struktur

Tilstedeværelsen af halogenatomer kan ikke andet end at påvirke både de fysiske og kemiske egenskaber og de generelle træk ved molekylets struktur. Den generelle formel for denne klasse af forbindelser er R-Hal, hvor R er et frit carbonhydridradikal af enhver struktur, og Hal er et halogenatom, et eller flere. Bindingen mellem kulstof og halogen er stærkt polariseret, hvilket resulterer i, at molekylet som helhed er udsat for to effekter:

• negativ induktiv;
• mesomerisk positiv.

Den første af dem er meget mere udt alt, så Hal-atomet udviser altid egenskaberne som en elektrontiltrækkende substituent.

Ellers er alle de strukturelle træk ved molekylet ikke anderledes end almindelige kulbrinters. Egenskaberne forklares af kædens struktur og densforgrening, antallet af kulstofatomer, styrken af aromatiske træk.

Nomenklaturen for halogenderivater af kulbrinter fortjener særlig opmærksomhed. Hvad er det rigtige navn for disse forbindelser? For at gøre dette skal du følge nogle få regler.

1. Nummereringen af kæden starter fra kanten tættest på halogenatomet. Hvis der er en multipelbinding, starter nedtællingen fra den og ikke fra den elektrontiltrækkende substituent.
2. Navnet Hal er angivet i præfikset, nummeret på carbonatomet, som det afgår fra, skal også angives.
3. Det sidste trin er at navngive hovedkæden af atomer (eller ring).

Et eksempel på et lignende navn: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichlorpropen-1.

Navnet kan også gives i henhold til rationel nomenklatur. I dette tilfælde udtales navnet på radikalen, og derefter navnet på halogenet med suffikset -id. Eksempel: CH₃-CH₂-CH₂Br - propylbromid.

Ligesom andre klasser af organiske forbindelser har halogenerede kulbrinter en særlig struktur. Dette gør det muligt for mange repræsentanter at blive udpeget med historiske navne. For eksempel halothan CF₃CBrClH. Tilstedeværelsen af tre halogener på én gang i sammensætningen af molekylet giver dette stof særlige egenskaber. Det bruges i medicin, derfor er det det historiske navn, der oftest bruges.

Syntesemetoder

Metoder til at opnå halogenderivater af kulbrinter er tilstrækkeligevarieret. Der er fem hovedmetoder til syntese af disse forbindelser i laboratoriet og industrien.

1. Halogenering af konventionelle normale kulbrinter. Generelt reaktionsskema: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Funktionerne ved processen er som følger: med klor og brom er ultraviolet bestråling nødvendig, med jod er reaktionen næsten umulig eller meget langsom. Interaktionen med fluor er for aktiv, så dette halogen kan ikke bruges i sin rene form. Derudover er det nødvendigt at bruge specielle proceskatalysatorer - Lewis-syrer ved halogenering af aromatiske derivater. For eksempel jern- eller aluminiumchlorid.
2. Opnåelse af halogenderivater af kulbrinter udføres også ved hydrohalogenering. Til dette skal udgangsforbindelsen imidlertid nødvendigvis være et umættet carbonhydrid. Eksempel: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Oftest bruges en sådan elektrofil tilsætning til at opnå chlorethylen eller vinylchlorid, da denne forbindelse er et vigtigt råmateriale til industrielle synteser.
3. Hydrohalogeners virkning på alkoholer. Generelt billede af reaktionen: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. En funktion er den obligatoriske tilstedeværelse af en katalysator. Eksempler på procesacceleratorer, der kan anvendes, er fosfor, svovl, zink eller jernchlorider, svovlsyre, en opløsning af zinkchlorid i s altsyre - Lucas reagens.
4. Decarboxylering af sure s alte med et oxidationsmiddel. Et andet navn for metoden er Borodin-Hunsdicker-reaktionen. Den nederste linje er fjernelse af et kuldioxid-molekylefra sølvderivater af carboxylsyrer, når de udsættes for et oxidationsmiddel - halogen. Som et resultat dannes der halogenderivater af kulbrinter. Reaktioner ser generelt sådan ud: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Syntese af haloformer. Med andre ord er dette produktionen af trihalogenderivater af metan. Den nemmeste måde at fremstille dem på er at behandle acetone med en alkalisk opløsning af halogener. Som et resultat opstår dannelsen af haloformmolekyler. Halogenderivater af aromatiske kulbrinter syntetiseres i industrien på samme måde.

Særlig opmærksomhed bør rettes mod syntesen af ubegrænsede repræsentanter for den betragtede klasse. Hovedmetoden er behandling af alkyner med kviksølv og kobbers alte i nærvær af halogener, hvilket fører til dannelsen af et produkt med en dobbeltbinding i kæden.

Halogenderivater af aromatiske carbonhydrider opnås ved halogeneringsreaktioner af arener eller alkylarener til en sidekæde. Dette er vigtige industriprodukter, da de bruges som insekticider i landbruget.

Fysiske egenskaber

De fysiske egenskaber af halogenderivater af kulbrinter afhænger direkte af molekylets struktur. Koge- og smeltepunkterne, aggregeringstilstanden påvirkes af antallet af kulstofatomer i kæden og mulige forgreninger til siden. Jo flere af dem, jo højere scores. Generelt er det muligt at karakterisere de fysiske parametre på flere punkter.

1. Aggregeret tilstand: den første lavesterepræsentanter - gasser, efter С₁₂ - væsker, over - faste stoffer.
2. Næsten alle repræsentanter har en skarp, ubehagelig specifik lugt.
3. Meget dårligt opløseligt i vand, men fremragende opløsningsmidler i sig selv. De opløses meget godt i organiske forbindelser.
4. Koge- og smeltepunkter stiger med antallet af kulstofatomer i hovedkæden.
5. Alle forbindelser undtagen fluorderivater er tungere end vand.
6. Jo flere grene i hovedkæden, jo lavere er stoffets kogepunkt.

Det er svært at identificere mange fælles ligheder, fordi repræsentanterne er meget forskellige i sammensætning og struktur. Derfor er det bedre at give værdier for hver specifik forbindelse fra en given serie af kulbrinter.

Kemiske egenskaber

En af de vigtigste parametre, der skal tages i betragtning i den kemiske industri og syntesereaktioner, er halogenerede kulbrinters kemiske egenskaber. De er ikke ens for alle repræsentanter, da der er en række årsager til forskellen.

1. Strukturen af kulstofkæden. De simpleste substitutionsreaktioner (af den nukleofile type) forekommer med sekundære og tertiære halogenalkyler.
2. Typen af halogenatom er også vigtig. Bindingen mellem kulstof og Hal er stærkt polariseret, hvilket gør det nemt at bryde med frigivelsen af frie radikaler. Bindingen mellem jod og kul går dog nemmest i stykker, hvilket forklares ved en regelmæssig ændring (fald) i bindingsenergien i serien: F-Cl-Br-I.
3. Tilstedeværelsen af aromatiskradikale eller multiple bindinger.
4. Struktur og forgrening af selve radikalen.

Halogenerede alkyler reagerer generelt bedst med nukleofil substitution. En delvis positiv ladning er jo koncentreret på kulstofatomet efter at have brudt bindingen med halogenet. Dette gør det muligt for radikalet som helhed at blive en acceptor af elektronegative partikler. For eksempel:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- og andre.

Dette forklarer det faktum, at det er muligt at gå fra halogenderivater af kulbrinter til næsten enhver klasse af organiske forbindelser, du skal blot vælge det passende reagens, der vil give den ønskede funktionelle gruppe.

Generelt kan vi sige, at de kemiske egenskaber ved halogenderivater af kulbrinter er evnen til at indgå i følgende interaktioner.

1. Med forskellige slags nukleofile partikler - substitutionsreaktioner. Resultatet kan være: alkoholer, ethere og estere, nitroforbindelser, aminer, nitriler, carboxylsyrer.
2. Reaktioner ved eliminering eller dehydrohalogenering. Som et resultat af eksponering for en alkoholisk opløsning af alkali sp altes et hydrogenhalogenidmolekyle. Sådan dannes en alken, lavmolekylære biprodukter - s alt og vand. Eksempel på reaktion: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Disse processer er en af de vigtigste måder at syntetisere vigtige alkener på. Processen er altid ledsaget af høje temperaturer.
3. Opnåelse af alkaner med normal struktur ved Wurtz-syntesemetoden. Essensen af reaktionen er virkningen på et halogen-substitueret kulbrinte (to molekyler) med metallisk natrium. Som en stærkt elektropositiv ion accepterer natrium halogenatomer fra forbindelsen. Som et resultat er de frigjorte kulbrinteradikaler forbundet med en binding, der danner en alkan med en ny struktur. Eksempel: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Syntese af homologer af aromatiske carbonhydrider ved Friedel-Crafts-metoden. Essensen af processen er virkningen af halogenalkyl på benzen i nærvær af aluminiumchlorid. Som et resultat af substitutionsreaktionen opstår dannelsen af toluen og hydrogenchlorid. I dette tilfælde er tilstedeværelsen af en katalysator nødvendig. Ud over selve benzen kan dets homologer også oxideres på denne måde.
5. Få Greignard-væsken. Dette reagens er et halogen-substitueret carbonhydrid med en magnesiumion i sammensætningen. Til at begynde med virker metallisk magnesium i ether på halogenalkylderivatet. Som et resultat dannes der en kompleks forbindelse med den generelle formel RMgHal, kaldet Greignard-reagenset.
6. Reduktionsreaktioner på alkan (alken, arena). Udføres ved eksponering for brint. Som et resultat dannes et carbonhydrid og et biprodukt, hydrogenhalogenid. Generelt eksempel: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Dette er de vigtigste interaktioner, hvorhalogenderivater af kulbrinter af forskellige strukturer er i stand til nemt at komme ind. Selvfølgelig er der specifikke reaktioner, der bør overvejes for hver enkelt repræsentant.

Isomerism of molecules

Isomerisme af halogenerede kulbrinter er et ganske naturligt fænomen. Det er trods alt kendt, at jo flere kulstofatomer i kæden, jo højere er antallet af isomere former. Derudover har umættede repræsentanter flere bindinger, hvilket også forårsager, at der opstår isomerer.

Der er to hovedvarianter af dette fænomen for denne klasse af forbindelser.

1. Isomerisme af kulstofskelettet af radikalen og hovedkæden. Dette inkluderer også positionen af multipelbindingen, hvis den findes i molekylet. Som med simple carbonhydrider, startende fra den tredje repræsentant, kan formler for forbindelser, der har identiske molekylære, men forskellige strukturformeludtryk, skrives. For halogensubstituerede carbonhydrider er antallet af isomere former desuden en størrelsesorden højere end for deres tilsvarende alkaner (alkener, alkyner, arener og så videre).
2. Halogenets position i molekylet. Dets plads i navnet er angivet med et tal, og selvom det kun ændres med én, vil sådanne isomers egenskaber allerede være helt anderledes.

Rumlig isomerisme er udelukket her, fordi halogenatomer gør det umuligt. Som alle andre organiske forbindelser adskiller halogenalkylisomerer sig ikke kun i struktur, men også i fysiske og kemiske egenskaber.egenskaber.

Derivater af umættede kulbrinter

Der er selvfølgelig mange sådanne forbindelser. Vi er dog interesserede i halogenderivater af umættede kulbrinter. De kan også opdeles i tre hovedgrupper.

1. Vinyl - når Hal-atomet er placeret direkte ved carbonatomet i multipelbindingen. Molekyleeksempel: CH₂=CCL_2.
2. Med isoleret position. Halogenatomet og multipelbindingen er placeret i modsatte dele af molekylet. Eksempel: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allylderivater - halogenatomet er placeret til dobbeltbindingen gennem et carbonatom, det vil sige, det er i alfa-positionen. Eksempel: CH₂=CH-CH₂-CL.

Af særlig betydning er vinylchlorid CH₂=CHCL. Den er i stand til at polymerisere reaktioner for at danne vigtige produkter såsom isoleringsmaterialer, vandtætte stoffer og mere.

En anden repræsentant for umættede halogenderivater er chloropren. Dens formel er CH₂=CCL-CH=CH₂. Denne forbindelse er råmaterialet til syntese af værdifulde gummityper, som er kendetegnet ved brandmodstand, lang levetid og dårlig gasgennemtrængelighed.

Tetrafluorethylen (eller Teflon) er en polymer, der har tekniske parametre af høj kvalitet. Det bruges til fremstilling af en værdifuld belægning af tekniske dele, redskaber, forskellige apparater. Formel - CF₂=CF₂.

Aromatiskkulbrinter og deres derivater

Aromatiske forbindelser er de forbindelser, der inkluderer en benzenring. Blandt dem er der også en hel gruppe af halogenderivater. To hovedtyper kan skelnes efter deres struktur.

1. Hvis Hal-atomet er bundet direkte til kernen, det vil sige den aromatiske ring, så kaldes forbindelserne haloarener.
2. Halogenatomet er ikke forbundet med ringen, men til sidekæden af atomer, det vil sige radikalet, der går til sidegrenen. Sådanne forbindelser kaldes arylalkylhalogenider.

Blandt de stoffer, der overvejes, er der flere repræsentanter af den største praktiske betydning.

1. Hexachlorbenzene - C₆Cl₆. Siden begyndelsen af det 20. århundrede har det været brugt som et stærkt fungicid, såvel som et insekticid. Den har en god desinficerende effekt, så den blev brugt til at bearbejde frø inden såning. Det har en ubehagelig lugt, væsken er ret ætsende, gennemsigtig og kan forårsage tåredannelse.
2. Benzylbromid С₆Н₅CH₂Br. Anvendes som et vigtigt reagens ved syntese af organometalliske forbindelser.
3. Chlorobenzene C₆H₅CL. Flydende farveløst stof med en bestemt lugt. Det bruges til fremstilling af farvestoffer, pesticider. Det er et af de bedste organiske opløsningsmidler.

Industriel brug

Halogenderivater af kulbrinter bruges i industri og kemisk syntesemeget bred. Vi har allerede t alt om umættede og aromatiske repræsentanter. Lad os nu generelt betegne anvendelsesområderne for alle forbindelser i denne serie.

1. I konstruktion.
2. Som opløsningsmidler.
3. Ved produktion af stoffer, gummi, gummi, farvestoffer, polymere materialer.
4. Til syntese af mange organiske forbindelser.
5. Fluorderivater (freoner) er kølemidler i køleenheder.
6. Bruges som pesticider, insekticider, fungicider, olier, tørrende olier, harpikser, smøremidler.
7. Gå til fremstilling af isoleringsmaterialer osv.