Gehalogeneerde koolwaterstoffen: productie, chemische eigenschappen, toepassing

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

Koolwaterstoffen zijn een zeer grote klasse van organische verbindingen. Ze omvatten verschillende hoofdgroepen van stoffen, waarvan bijna elke stof veel wordt gebruikt in de industrie, het dagelijks leven en de natuur. Van bijzonder belang zijn gehalogeneerde koolwaterstoffen, die in het artikel zullen worden besproken. Ze zijn niet alleen van groot industrieel belang, maar zijn ook belangrijke grondstoffen voor veel chemische syntheses, het verkrijgen van medicijnen en andere belangrijke verbindingen. Laten we speciale aandacht besteden aan de structuur van hun moleculen, eigenschappen en andere kenmerken.

Gehalogeneerde koolwaterstoffen: algemene kenmerken

Vanuit het oogpunt van de chemische wetenschap omvat deze klasse van verbindingen al die koolwaterstoffen waarin een of meer waterstofatomen zijn vervangen door een of ander halogeen. Dit is een zeer brede categorie stoffen, omdat ze van groot industrieel belang zijn. Voor een vrij korte tijd mensengeleerd hoe bijna alle halogeenderivaten van koolwaterstoffen te synthetiseren, waarvan het gebruik noodzakelijk is in de geneeskunde, de chemische industrie, de voedingsindustrie en het dagelijks leven.

De belangrijkste methode om deze verbindingen te verkrijgen is de synthetische route in het laboratorium en de industrie, aangezien bijna geen van hen in de natuur voorkomt. Door de aanwezigheid van een halogeenatoom zijn ze zeer reactief. Dit bepa alt grotendeels de reikwijdte van hun toepassing in chemische syntheses als tussenproducten.

Aangezien er veel vertegenwoordigers van gehalogeneerde koolwaterstoffen zijn, is het gebruikelijk om ze volgens verschillende criteria te classificeren. Het is gebaseerd op zowel de structuur van de keten als de veelheid van bindingen, en het verschil in de halogeenatomen en hun positie.

Halogeenderivaten van koolwaterstoffen: classificatie

De eerste scheidingsoptie is gebaseerd op algemeen aanvaarde principes die van toepassing zijn op alle organische verbindingen. De classificatie is gebaseerd op het verschil in het type koolstofketen, de cycliciteit ervan. Op basis hiervan onderscheiden ze:

• beperkte gehalogeneerde koolwaterstoffen;
• onbeperkt;
• aromatisch;
• alifatisch;
• acyclisch.

De volgende indeling is gebaseerd op het type halogeenatoom en het kwantitatieve geh alte ervan in het molecuul. Dus, wijs toe:

• monoderivaten;
• diderivaten;
• drie-;
• tetra-;
• penta-derivaten enzovoort.

Als we het hebben over het type halogeen, dan bestaat de naam van de subgroep uit twee woorden. Bijvoorbeeld het monochloorderivaat,trijoodderivaat, tetrabroomhaloalkeen enzovoort.

Er is ook een andere indelingsoptie, volgens welke voornamelijk halogeenderivaten van verzadigde koolwaterstoffen worden gescheiden. Dit is het nummer van het koolstofatoom waaraan het halogeen is bevestigd. Dus, wijs toe:

• primaire afgeleiden;
• secundair;
• tertiair enzovoort.

Elke specifieke vertegenwoordiger kan op alle tekens worden gerangschikt en de volledige plaats in het systeem van organische verbindingen bepalen. Dus bijvoorbeeld een verbinding met de samenstelling CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3kan zo classificeren. Het is een onverzadigd alifatisch trichloorderivaat van penteen.}

De structuur van het molecuul

De aanwezigheid van halogeenatomen kan niet anders dan zowel de fysische en chemische eigenschappen als de algemene kenmerken van de structuur van het molecuul beïnvloeden. De algemene formule voor deze klasse van verbindingen is R-Hal, waarbij R een vrije koolwaterstofradicaal is met een willekeurige structuur, en Hal een halogeenatoom is, één of meer. De binding tussen koolstof en halogeen is sterk gepolariseerd, waardoor het molecuul als geheel gevoelig is voor twee effecten:

• negatief inductief;
• mesomeer positief.

De eerste is veel meer uitgesproken, dus het Hal-atoom vertoont altijd de eigenschappen van een elektronenzuigende substituent.

Verder verschillen alle structurele kenmerken van het molecuul niet van die van gewone koolwaterstoffen. De eigenschappen worden verklaard door de structuur van de keten en zijnvertakking, het aantal koolstofatomen, de sterkte van aromatische kenmerken.

De nomenclatuur van halogeenderivaten van koolwaterstoffen verdient speciale aandacht. Wat is de juiste naam voor deze verbindingen? Om dit te doen, moet je een paar regels volgen.

1. De nummering van de ketting begint vanaf de rand die zich het dichtst bij het halogeenatoom bevindt. Als er een meervoudige binding is, begint het aftellen daarmee en niet vanaf de elektronenzuigende substituent.
2. De naam Hal wordt aangegeven in het voorvoegsel, het nummer van het koolstofatoom waarvan het vertrekt, moet ook worden aangegeven.
3. De laatste stap is om de hoofdketen van atomen (of ring) een naam te geven.

Een voorbeeld van een gelijkaardige naam: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichloorpropeen-1.

De naam kan ook worden gegeven volgens de rationele nomenclatuur. In dit geval wordt de naam van het radicaal uitgesproken en vervolgens de naam van het halogeen met het achtervoegsel -id. Voorbeeld: CH₃-CH₂-CH₂Br - propylbromide.

Net als andere klassen van organische verbindingen hebben gehalogeneerde koolwaterstoffen een speciale structuur. Hierdoor kunnen veel vertegenwoordigers met historische namen worden aangeduid. Bijvoorbeeld halothaan CF₃CBrClH. De aanwezigheid van drie halogenen tegelijk in de samenstelling van het molecuul geeft deze stof bijzondere eigenschappen. Het wordt gebruikt in de geneeskunde, daarom is het de historische naam die het vaakst wordt gebruikt.

Synthesemethoden

Methoden voor het verkrijgen van halogeenderivaten van koolwaterstoffen zijn voldoendegevarieerd. Er zijn vijf hoofdmethoden voor de synthese van deze verbindingen in het laboratorium en de industrie.

1. Halogenering van conventionele normale koolwaterstoffen. Algemeen reactieschema: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. De kenmerken van het proces zijn als volgt: met chloor en broom is ultraviolette bestraling noodzakelijk, met jodium is de reactie bijna onmogelijk of erg langzaam. De interactie met fluor is te actief, waardoor dit halogeen niet in zijn zuivere vorm kan worden gebruikt. Bovendien is het bij het halogeneren van aromatische derivaten noodzakelijk om speciale proceskatalysatoren te gebruiken - Lewis-zuren. Bijvoorbeeld ijzer- of aluminiumchloride.
2. Het verkrijgen van halogeenderivaten van koolwaterstoffen wordt ook uitgevoerd door hydrohalogenering. Hiervoor moet de uitgangsverbinding echter noodzakelijkerwijs een onverzadigde koolwaterstof zijn. Voorbeeld: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Meestal wordt een dergelijke elektrofiele toevoeging gebruikt om chloorethyleen of vinylchloride te verkrijgen, aangezien deze verbinding een belangrijke grondstof is voor industriële syntheses.
3. Het effect van hydrohalogenen op alcoholen. Algemeen beeld van de reactie: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Een kenmerk is de verplichte aanwezigheid van een katalysator. Voorbeelden van procesversnellers die kunnen worden gebruikt zijn fosfor, zwavel, zink of ijzerchloriden, zwavelzuur, een oplossing van zinkchloride in zoutzuur - Lucas-reagens.
4. Decarboxylering van zure zouten met een oxidatiemiddel. Een andere naam voor de methode is de Borodin-Hunsdicker-reactie. De bottom line is de verwijdering van een koolstofdioxidemolecuulvan zilverderivaten van carbonzuren bij blootstelling aan een oxidatiemiddel - halogeen. Als resultaat worden halogeenderivaten van koolwaterstoffen gevormd. Reacties zien er in het algemeen als volgt uit: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Synthese van halovormen. Met andere woorden, dit is de productie van trihalogeenderivaten van methaan. De eenvoudigste manier om ze te produceren is om aceton te behandelen met een alkalische oplossing van halogenen. Als gevolg hiervan vindt de vorming van haloform-moleculen plaats. Halogeenderivaten van aromatische koolwaterstoffen worden op dezelfde manier in de industrie gesynthetiseerd.

Er moet speciale aandacht worden besteed aan de synthese van onbeperkte vertegenwoordigers van de beschouwde klasse. De belangrijkste methode is de behandeling van alkynen met kwik en koperzouten in aanwezigheid van halogenen, wat leidt tot de vorming van een product met een dubbele binding in de keten.

Halogeenderivaten van aromatische koolwaterstoffen worden verkregen door halogeneringsreacties van arenen of alkylarenen in een zijketen. Dit zijn belangrijke industriële producten omdat ze worden gebruikt als insecticiden in de landbouw.

Fysieke eigenschappen

De fysische eigenschappen van halogeenderivaten van koolwaterstoffen hangen rechtstreeks af van de structuur van het molecuul. De kook- en smeltpunten, de aggregatietoestand worden beïnvloed door het aantal koolstofatomen in de keten en mogelijke vertakkingen aan de zijkant. Hoe meer van hen, hoe hoger de scores. Over het algemeen is het mogelijk om de fysieke parameters op verschillende punten te karakteriseren.

1. Totale staat: de eerste laagstevertegenwoordigers - gassen, volgend op С₁₂ - vloeistoffen, boven - vaste stoffen.
2. Bijna alle vertegenwoordigers hebben een scherpe onaangename specifieke geur.
3. Zeer slecht oplosbaar in water, maar zelf uitstekende oplosmiddelen. Ze lossen heel goed op in organische verbindingen.
4. Kook- en smeltpunten nemen toe met het aantal koolstofatomen in de hoofdketen.
5. Alle verbindingen behalve fluorderivaten zijn zwaarder dan water.
6. Hoe meer vertakkingen in de hoofdketen, hoe lager het kookpunt van de stof.

Het is moeilijk om veel overeenkomsten te identificeren, omdat de vertegenwoordigers sterk verschillen in samenstelling en structuur. Daarom is het beter om waarden te geven voor elke specifieke verbinding uit een bepaalde reeks koolwaterstoffen.

Chemische eigenschappen

Een van de belangrijkste parameters waarmee rekening moet worden gehouden in de chemische industrie en synthesereacties, zijn de chemische eigenschappen van gehalogeneerde koolwaterstoffen. Ze zijn niet voor alle vertegenwoordigers hetzelfde, omdat er een aantal redenen zijn voor het verschil.

1. De structuur van de koolstofketen. De eenvoudigste substitutiereacties (van het nucleofiele type) vinden plaats met secundaire en tertiaire haloalkylen.
2. Het type halogeenatoom is ook belangrijk. De binding tussen koolstof en Hal is sterk gepolariseerd, wat het gemakkelijk maakt om te breken met het vrijkomen van vrije radicalen. De binding tussen jodium en koolstof breekt echter het gemakkelijkst, wat wordt verklaard door een regelmatige verandering (afname) van de bindingsenergie in de reeks: F-Cl-Br-I.
3. De aanwezigheid van aromatischeradicale of meervoudige bindingen.
4. Structuur en vertakking van de radicaal zelf.

Over het algemeen reageren gehalogeneerde alkylgroepen het beste met nucleofiele substitutie. Een gedeeltelijk positieve lading concentreert zich immers op het koolstofatoom na het verbreken van de binding met het halogeen. Hierdoor kan het radicaal als geheel een acceptor worden van elektronegatieve deeltjes. Bijvoorbeeld:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NEE₂^-;
• CN^- en anderen.

Dit verklaart het feit dat het mogelijk is om van halogeenderivaten van koolwaterstoffen naar bijna elke klasse organische verbindingen te gaan, je hoeft alleen maar het juiste reagens te kiezen dat de gewenste functionele groep zal verschaffen.

In het algemeen kunnen we zeggen dat de chemische eigenschappen van halogeenderivaten van koolwaterstoffen het vermogen zijn om de volgende interacties aan te gaan.

1. Met verschillende soorten nucleofiele deeltjes - substitutiereacties. Het resultaat kan zijn: alcoholen, ethers en esters, nitroverbindingen, aminen, nitrillen, carbonzuren.
2. Reacties van eliminatie of dehydrohalogenering. Als gevolg van blootstelling aan een alcoholische oplossing van alkali, wordt een waterstofhalogenidemolecuul gesplitst. Dit is hoe een alkeen wordt gevormd, bijproducten met een laag molecuulgewicht - zout en water. Reactievoorbeeld: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alcohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Deze processen zijn een van de belangrijkste manieren om belangrijke alkenen te synthetiseren. Het proces gaat altijd gepaard met hoge temperaturen.
3. Alkanen met een normale structuur verkrijgen door de Wurtz-synthesemethode. De essentie van de reactie is het effect op een halogeen-gesubstitueerde koolwaterstof (twee moleculen) met metallisch natrium. Als een sterk elektropositief ion accepteert natrium halogeenatomen uit de verbinding. Als resultaat zijn de vrijgekomen koolwaterstofradicalen onderling verbonden door een binding, waardoor een alkaan met een nieuwe structuur wordt gevormd. Voorbeeld: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Synthese van homologen van aromatische koolwaterstoffen volgens de Friedel-Crafts-methode. De essentie van het proces is de werking van haloalkyl op benzeen in aanwezigheid van aluminiumchloride. Als gevolg van de substitutiereactie treedt de vorming van tolueen en waterstofchloride op. In dit geval is de aanwezigheid van een katalysator noodzakelijk. Naast benzeen zelf, kunnen zijn homologen ook op deze manier worden geoxideerd.
5. De Greignard-vloeistof halen. Dit reagens is een halogeen-gesubstitueerde koolwaterstof met een magnesiumion in de samenstelling. Aanvankelijk werkt metallisch magnesium in ether op het haloalkylderivaat. Als resultaat wordt een complexe verbinding gevormd met de algemene formule RMgHal, het Greignard-reagens genaamd.
6. Reductiereacties op alkaan (alkeen, arena). Uitgevoerd bij blootstelling aan waterstof. Als resultaat worden een koolwaterstof en een bijproduct, waterstofhalogenide, gevormd. Algemeen voorbeeld: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Dit zijn de belangrijkste interacties waarinhalogeenderivaten van koolwaterstoffen met verschillende structuren kunnen gemakkelijk binnendringen. Natuurlijk zijn er specifieke reacties waarmee rekening moet worden gehouden voor elke individuele vertegenwoordiger.

Isomerie van moleculen

Isomerie van gehalogeneerde koolwaterstoffen is een vrij natuurlijk fenomeen. Het is immers bekend dat hoe meer koolstofatomen in de keten, hoe hoger het aantal isomere vormen. Bovendien hebben onverzadigde vertegenwoordigers meerdere bindingen, waardoor ook isomeren verschijnen.

Er zijn twee hoofdvarianten van dit fenomeen voor deze klasse van verbindingen.

1. Isomerie van het koolstofskelet van de radicaal en de hoofdketen. Dit omvat ook de positie van de meervoudige binding, als deze in het molecuul bestaat. Net als bij eenvoudige koolwaterstoffen, kunnen formules van verbindingen met identieke moleculaire maar verschillende structuurformule-uitdrukkingen worden geschreven, beginnend bij de derde vertegenwoordiger. Bovendien is voor halogeen-gesubstitueerde koolwaterstoffen het aantal isomere vormen een orde van grootte hoger dan voor hun overeenkomstige alkanen (alkenen, alkynen, arenen, enzovoort).
2. De positie van het halogeen in het molecuul. Zijn plaats in de naam wordt aangegeven door een nummer, en zelfs als het met slechts één verandert, zullen de eigenschappen van dergelijke isomeren al compleet anders zijn.

Ruimtelijke isomerie is hier uit den boze, omdat halogeenatomen het onmogelijk maken. Net als alle andere organische verbindingen verschillen haloalkyl-isomeren niet alleen in structuur, maar ook in fysische en chemische eigenschappen.kenmerken.

Derivaten van onverzadigde koolwaterstoffen

Er zijn natuurlijk veel van dergelijke connecties. We zijn echter geïnteresseerd in halogeenderivaten van onverzadigde koolwaterstoffen. Ze kunnen ook in drie hoofdgroepen worden verdeeld.

1. Vinyl - wanneer het Hal-atoom zich direct bij het koolstofatoom van de meervoudige binding bevindt. Molecuulvoorbeeld: CH₂=CCL_2.
2. Met geïsoleerde positie. Het halogeenatoom en de meervoudige binding bevinden zich in tegenovergestelde delen van het molecuul. Voorbeeld: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allylderivaten - het halogeenatoom bevindt zich aan de dubbele binding via één koolstofatoom, dat wil zeggen, het bevindt zich op de alfa-positie. Voorbeeld: CH₂=CH-CH₂-CL.

Van bijzonder belang is vinylchloride CH₂=CHCL. Het is in staat tot polymerisatiereacties om belangrijke producten te vormen, zoals isolatiematerialen, waterdichte stoffen en meer.

Een andere vertegenwoordiger van onverzadigde halogeenderivaten is chloropreen. De formule is CH₂=CCL-CH=CH₂. Deze verbinding is de grondstof voor de synthese van waardevolle rubbersoorten, die zich onderscheiden door brandwerendheid, lange levensduur en slechte gasdoorlatendheid.

Tetrafluorethyleen (of Teflon) is een polymeer met hoogwaardige technische parameters. Het wordt gebruikt voor de vervaardiging van een waardevolle coating van technische onderdelen, gebruiksvoorwerpen, verschillende apparaten. Formule - CF₂=CF₂.

Aromatischkoolwaterstoffen en hun derivaten

Aromatische verbindingen zijn die verbindingen die een benzeenring bevatten. Onder hen is er ook een hele groep halogeenderivaten. Er zijn twee hoofdtypen te onderscheiden door hun structuur.

1. Als het Hal-atoom direct aan de kern is gebonden, dat wil zeggen de aromatische ring, dan worden de verbindingen haloarenen genoemd.
2. Het halogeenatoom is niet verbonden met de ring, maar met de zijketen van atomen, dat wil zeggen, het radicaal dat naar de zijtak gaat. Dergelijke verbindingen worden arylalkylhalogeniden genoemd.

Onder de onderzochte stoffen zijn er verschillende vertegenwoordigers van het grootste praktische belang.

1. Hexachloorbenzeen - C₆Cl₆. Sinds het begin van de 20e eeuw wordt het gebruikt als een sterk fungicide, maar ook als een insecticide. Het heeft een goed desinfecterend effect, dus het werd gebruikt voor het bekleden van zaden voor het zaaien. Het heeft een onaangename geur, de vloeistof is behoorlijk bijtend, transparant en kan tranenvloed veroorzaken.
2. Benzylbromide С₆Н₅CH₂Br. Gebruikt als een belangrijk reagens bij de synthese van organometaalverbindingen.
3. Chloorbenzeen C₆H₅CL. Vloeibare kleurloze stof met een specifieke geur. Het wordt gebruikt bij de productie van kleurstoffen, pesticiden. Het is een van de beste organische oplosmiddelen.

Industrieel gebruik

Halogeenderivaten van koolwaterstoffen worden gebruikt in de industrie en chemische syntheseheel breed. We hebben al gesproken over onverzadigde en aromatische vertegenwoordigers. Laten we nu in het algemeen de toepassingsgebieden van alle verbindingen van deze serie aangeven.

1. In aanbouw.
2. Als oplosmiddelen.
3. Bij de productie van stoffen, rubber, rubbers, kleurstoffen, polymere materialen.
4. Voor de synthese van veel organische verbindingen.
5. Fluorderivaten (freonen) zijn koelmiddelen in koelunits.
6. Gebruikt als pesticiden, insecticiden, fungiciden, oliën, drogende oliën, harsen, smeermiddelen.
7. Ga naar de fabricage van isolatiematerialen, enz.