Halogenoidut hiilivedyt: tuotanto, kemialliset ominaisuudet, käyttö

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Hiilivedyt ovat erittäin laaja luokka orgaanisia yhdisteitä. Niihin kuuluu useita pääaineryhmiä, joista lähes jokaista käytetään laaj alti teollisuudessa, jokapäiväisessä elämässä ja luonnossa. Erityisen tärkeitä ovat halogenoidut hiilivedyt, joita käsitellään artikkelissa. Niillä ei ole vain suurta teollista merkitystä, vaan ne ovat myös tärkeitä raaka-aineita monille kemiallisille synteeseille, lääkkeiden ja muiden tärkeiden yhdisteiden valmistukseen. Kiinnitämme erityistä huomiota niiden molekyylien rakenteeseen, ominaisuuksiin ja muihin ominaisuuksiin.

Halogenoidut hiilivedyt: yleiset ominaisuudet

Kemiatieteen näkökulmasta tähän yhdisteluokkaan kuuluvat kaikki ne hiilivedyt, joissa yksi tai useampi vetyatomi on korvattu yhdellä tai toisella halogeenilla. Tämä on erittäin laaja aineluokka, koska niillä on suuri teollinen merkitys. Aika lyhyen aikaa ihmisiäoppinut syntetisoimaan lähes kaikkia hiilivetyjen halogeenijohdannaisia, joiden käyttö on välttämätöntä lääketieteessä, kemianteollisuudessa, elintarviketeollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä.

Pääasiallinen menetelmä näiden yhdisteiden saamiseksi on synteettinen reitti laboratoriossa ja teollisuudessa, koska luonnossa ei esiinny juuri mitään niistä. Halogeeniatomin läsnäolon vuoksi ne ovat erittäin reaktiivisia. Tämä määrittää suurelta osin niiden soveltamisalueen kemiallisissa synteesissä välituotteina.

Koska halogenoiduilla hiilivedyillä on monia edustajia, on tapana luokitella ne eri kriteerien mukaan. Se perustuu sekä ketjun rakenteeseen ja sidosten moninaisuuteen että halogeeniatomien eroihin ja niiden sijaintiin.

Hiilivetyjen halogeenijohdannaiset: luokitus

Ensimmäinen erotusvaihtoehto perustuu yleisesti hyväksyttyihin periaatteisiin, jotka koskevat kaikkia orgaanisia yhdisteitä. Luokittelu perustuu hiiliketjun tyypin eroon, sen syklisyyteen. Tämän perusteella he erottavat:

• rajoitettu halogenoituja hiilivetyjä;
• rajaton;
• aromaattinen;
• alifaattinen;
• asyklinen.

Seuraava jako perustuu halogeeniatomin tyyppiin ja sen kvantitatiiviseen pitoisuuteen molekyylissä. Joten jaa:

• monojohdannaiset;
• dijohdannaiset;
• kolme-;
• tetra-;
• pentajohdannaiset ja niin edelleen.

Jos puhumme halogeenin tyypistä, niin alaryhmän nimi koostuu kahdesta sanasta. Esimerkiksi monokloorijohdannainen,trijodijohdannaiset, tetrabromihalogeenialkeeni ja niin edelleen.

On myös toinen luokitusvaihtoehto, jonka mukaan erotetaan pääasiassa tyydyttyneiden hiilivetyjen halogeenijohdannaiset. Tämä on sen hiiliatomin lukumäärä, johon halogeeni on kiinnittynyt. Joten jaa:

• ensisijaiset johdannaiset;
• toissijainen;
• korkeakoulu ja niin edelleen.

Jokainen tietty edustaja voidaan luokitella kaikkien merkkien mukaan ja määrittää täyden paikan orgaanisten yhdisteiden järjestelmässä. Joten esimerkiksi yhdiste, jonka koostumus on CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3voi luokitella näin. Se on penteenin tyydyttymätön alifaattinen trikloorijohdannainen.}

Molekyylin rakenne

Halogeeniatomien läsnäolo ei voi muuta kuin vaikuttaa sekä fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin että molekyylin rakenteen yleisiin ominaisuuksiin. Tämän yhdisteluokan yleinen kaava on R-Hal, jossa R on vapaa hiilivetyradikaali, jolla on mikä tahansa rakenne, ja Hal on halogeeniatomi, yksi tai useampi. Hiilen ja halogeenin välinen sidos on voimakkaasti polarisoitunut, minkä seurauksena molekyyli kokonaisuudessaan on altis kahdelle vaikutukselle:

• negatiivinen induktiivinen;
• mesomeerinen positiivinen.

Ensimmäinen niistä on paljon voimakkaampi, joten Hal-atomilla on aina elektroneja vetävän substituentin ominaisuuksia.

Muuten molekyylin kaikki rakenteelliset ominaisuudet eivät eroa tavallisten hiilivetyjen ominaisuuksista. Ominaisuudet selittyvät ketjun ja sen rakenteellahaarautuminen, hiiliatomien lukumäärä, aromaattisten ominaisuuksien vahvuus.

Hiilivetyjen halogeenijohdannaisten nimikkeistö ansaitsee erityistä huomiota. Mikä on näiden yhteyksien oikea nimi? Voit tehdä tämän noudattamalla muutamia sääntöjä.

1. Ketjun numerointi alkaa halogeeniatomia lähimmästä reunasta. Jos monisidos on olemassa, lähtölaskenta alkaa siitä, ei elektroneja vetävästä substituentista.
2. Nimi Hal on ilmoitettu etuliitteessä, myös sen hiiliatomin numero, josta se eroaa, on ilmoitettava.
3. Viimeinen vaihe on atomien (tai renkaan) pääketjun nimeäminen.

Esimerkki samank altaisesta nimestä: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-diklooripropeeni-1.

Nimi voidaan myös antaa rationaalisen nimikkeistön mukaan. Tässä tapauksessa radikaalin nimi lausutaan ja sitten halogeenin nimi jälkiliitteellä -id. Esimerkki: CH₃-CH₂-CH₂Br - propyylibromidi.

Muiden orgaanisten yhdisteiden luokkien tapaan halogenoiduilla hiilivedyillä on erityinen rakenne. Näin monet edustajat voidaan nimetä historiallisilla nimillä. Esimerkiksi halotaani CF₃CBrClH. Kolmen halogeenin läsnäolo kerralla molekyylin koostumuksessa antaa tälle aineelle erityisiä ominaisuuksia. Sitä käytetään lääketieteessä, joten se on useimmin käytetty historiallinen nimi.

Synteesimenetelmät

Menetelmät hiilivetyjen halogeenijohdannaisten saamiseksi ovat riittäviävaihteleva. Laboratoriossa ja teollisuudessa on viisi päämenetelmää näiden yhdisteiden synteesille.

1. Perinteisten normaalien hiilivetyjen halogenointi. Yleinen reaktiokaavio: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Prosessin ominaisuudet ovat seuraavat: kloorilla ja bromilla ultraviolettisäteilytys on välttämätöntä, jodilla reaktio on melkein mahdotonta tai erittäin hidasta. Vuorovaikutus fluorin kanssa on liian aktiivista, joten tätä halogeenia ei voida käyttää puhtaassa muodossaan. Lisäksi aromaattisia johdannaisia halogenoitaessa on käytettävä erityisiä prosessikatalyyttejä - Lewis-happoja. Esimerkiksi rauta- tai alumiinikloridi.
2. Hiilivetyjen halogeenijohdannaisten saaminen tapahtuu myös hydrohalogenoimalla. Tätä varten lähtöaineen on kuitenkin välttämättä oltava tyydyttymätön hiilivety. Esimerkki: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Useimmiten tällaista elektrofiilistä lisäystä käytetään kloorietyleenin tai vinyylikloridin saamiseksi, koska tämä yhdiste on tärkeä raaka-aine teollisissa synteesissä.
3. Vedyhalogeenien vaikutus alkoholeihin. Yleiskuva reaktiosta: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Ominaisuus on pakollinen katalyytin läsnäolo. Esimerkkejä käytettävistä prosessikiihdyttimistä ovat fosfori, rikki, sinkki- tai rautakloridit, rikkihappo, sinkkikloridin liuos suolahapossa - Lucas-reagenssi.
4. Happamien suolojen dekarboksylointi hapettimella. Toinen menetelmän nimi on Borodin-Hunsdicker-reaktio. Tärkeintä on hiilidioksidimolekyylin poistaminenkarboksyylihappojen hopeajohdannaisista, kun ne altistetaan hapettavalle aineelle - halogeenille. Tämän seurauksena muodostuu hiilivetyjen halogeenijohdannaisia. Reaktiot näyttävät yleensä tältä: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Halomuotojen synteesi. Toisin sanoen tämä on metaanin trihalogeenijohdannaisten tuotantoa. Helpoin tapa valmistaa niitä on käsitellä asetonia emäksisellä halogeeniliuoksella. Seurauksena tapahtuu haloformimolekyylien muodostumista. Aromaattisten hiilivetyjen halogeenijohdannaisia syntetisoidaan teollisuudessa samalla tavalla.

Erityistä huomiota tulee kiinnittää tarkasteltavan luokan rajattomien edustajien synteesiin. Päämenetelmänä on alkyynien käsittely elohopealla ja kuparisuoloilla halogeenien läsnä ollessa, mikä johtaa tuotteen muodostumiseen, jonka ketjussa on kaksoissidos.

Aromaattisten hiilivetyjen halogeenijohdannaisia saadaan halogenoimalla areenit tai alkyyliareenit sivuketjuksi. Nämä ovat tärkeitä teollisuustuotteita, koska niitä käytetään hyönteismyrkkyinä maataloudessa.

Fysikaaliset ominaisuudet

Hiilivetyjen halogeenijohdannaisten fysikaaliset ominaisuudet riippuvat suoraan molekyylin rakenteesta. Kiehumis- ja sulamispisteisiin sekä aggregaatiotilaan vaikuttavat ketjun hiiliatomien määrä ja mahdolliset sivuhaarat. Mitä enemmän niitä, sitä korkeammat pisteet. Yleensä fyysisiä parametreja on mahdollista luonnehtia useissa kohdissa.

1. Kokonaistila: ensimmäinen alinedustajat - kaasut, С₁₂ jälkeen - nesteet, edellä - kiinteät aineet.
2. Melkein kaikilla edustajilla on terävä epämiellyttävä haju.
3. Hyvin huonosti veteen liukeneva, mutta itsessään erinomaisia liuottimia. Ne liukenevat erittäin hyvin orgaanisiin yhdisteisiin.
4. Kiehumis- ja sulamispisteet nousevat pääketjun hiiliatomien määrän myötä.
5. Kaikki yhdisteet paitsi fluorijohdannaiset ovat raskaampia kuin vesi.
6. Mitä enemmän haaroja pääketjussa on, sitä matalampi aineen kiehumispiste on.

On vaikea tunnistaa monia yhteisiä yhtäläisyyksiä, koska edustajat eroavat suuresti koostumukseltaan ja rakenteeltaan. Siksi on parempi antaa arvot kullekin tietylle yhdisteelle tietystä hiilivetysarjasta.

Kemialliset ominaisuudet

Yksi tärkeimmistä parametreista, joka on otettava huomioon kemianteollisuudessa ja synteesireaktioissa, on halogenoitujen hiilivetyjen kemialliset ominaisuudet. Ne eivät ole samat kaikille edustajille, koska erolle on useita syitä.

1. Hiiliketjun rakenne. Yksinkertaisimmat (nukleofiilisen tyyppiset) substituutioreaktiot tapahtuvat sekundääristen ja tertiääristen halogeenialkyylien kanssa.
2. Halogeeniatomin tyyppi on myös tärkeä. Hiilen ja Hal:n välinen sidos on voimakkaasti polarisoitunut, mikä tekee siitä helpon katketa vapaiden radikaalien vapautuessa. Kuitenkin jodin ja hiilen välinen sidos katkeaa helpoimmin, mikä selittyy säännöllisellä muutoksella (vähenemällä) sidosenergiassa sarjassa: F-Cl-Br-I.
3. Aromaattisten aineiden läsnäoloradikaali- tai monisidokset.
4. Radikaalin rakenne ja haarautuminen.

Yleensä halogenoidut alkyylit reagoivat parhaiten nukleofiilisellä substituutiolla. Loppujen lopuksi osittain positiivinen varaus keskittyy hiiliatomiin sen jälkeen, kun sidos halogeenin kanssa on katkennut. Tämä sallii radikaalin kokonaisuutena tulla elektronegatiivisten hiukkasten vastaanottajaksi. Esimerkki:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• EI₂^-;
• CN^- ja muut.

Tämä selittää sen tosiasian, että on mahdollista siirtyä hiilivetyjen halogeenijohdannaisista lähes mihin tahansa orgaanisten yhdisteiden luokkiin, sinun on vain valittava sopiva reagenssi, joka tuottaa halutun funktionaalisen ryhmän.

Yleisesti voimme sanoa, että hiilivetyjen halogeenijohdannaisten kemialliset ominaisuudet ovat kyky osallistua seuraaviin vuorovaikutuksiin.

1. Erilaisten nukleofiilisten hiukkasten kanssa - substituutioreaktiot. Tuloksena voi olla alkoholeja, eettereitä ja estereitä, nitroyhdisteitä, amiineja, nitriilejä, karboksyylihappoja.
2. Eminaation tai dehydrohalogenaation reaktiot. Altistuksen seurauksena emäksen alkoholiliuokselle halogenidivetymolekyyli lohkeaa. Näin muodostuu alkeeni, pienimolekyylipainoiset sivutuotteet - suola ja vesi. Reaktioesimerkki: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkoholi) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Nämä prosessit ovat yksi tärkeimmistä tavoista syntetisoida tärkeitä alkeeneja. Prosessiin liittyy aina korkeita lämpötiloja.
3. Normaalirakenteen omaavien alkaanien saaminen Wurtzin synteesimenetelmällä. Reaktion ydin on vaikutus halogeenisubstituoituun hiilivetyyn (kaksi molekyyliä) metallisen natriumin kanssa. Voimakkaasti sähköpositiivisena ionina natrium hyväksyy yhdisteestä halogeeniatomeja. Tämän seurauksena vapautuneet hiilivetyradikaalit liittyvät toisiinsa sidoksella, jolloin muodostuu uuden rakenteen omaava alkaani. Esimerkki: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Aromaattisten hiilivetyjen homologien synteesi Friedel-Crafts-menetelmällä. Prosessin ydin on halogeenialkyylin vaikutus bentseeniin alumiinikloridin läsnä ollessa. Korvausreaktion seurauksena tapahtuu tolueenin ja kloorivedyn muodostumista. Tässä tapauksessa katalyytin läsnäolo on välttämätöntä. Itse bentseenin lisäksi sen homologit voivat hapettua tällä tavalla.
5. Greignard-nesteen hankkiminen. Tämä reagenssi on halogeenisubstituoitu hiilivety, jonka koostumuksessa on magnesium-ioni. Aluksi eetterissä oleva metallinen magnesium vaikuttaa halogeenialkyylijohdannaiseen. Tämän seurauksena muodostuu monimutkainen yhdiste, jolla on yleinen kaava RMgHal, jota kutsutaan Greignard-reagenssiksi.
6. Pelkistysreaktiot alkaanille (alkeeni, areena). Suoritetaan vedylle altistettuna. Tämän seurauksena muodostuu hiilivety ja sivutuote, vetyhalogenidi. Yleinen esimerkki: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Nämä ovat tärkeimmät vuorovaikutukset, joissaeri rakenteiden hiilivetyjen halogeenijohdannaiset pääsevät helposti sisään. Tietenkin on olemassa erityisiä reaktioita, jotka tulee ottaa huomioon kunkin edustajan kohdalla.

Molekyylien isomerismi

Halogenoitujen hiilivetyjen isomeria on melko luonnollinen ilmiö. Loppujen lopuksi tiedetään, että mitä enemmän hiiliatomeja ketjussa on, sitä suurempi on isomeeristen muotojen määrä. Lisäksi tyydyttymättömillä edustajilla on useita sidoksia, mikä myös aiheuttaa isomeerien ilmaantumista.

Tälle yhdisteluokalle on olemassa kaksi pääasiallista ilmiötä.

1. Radikaalin ja pääketjun hiilirungon isomeria. Tämä sisältää myös moninkertaisen sidoksen sijainnin, jos se on olemassa molekyylissä. Kuten yksinkertaisissa hiilivedyissä, kolmannesta edustajasta alkaen voidaan kirjoittaa kaavoja yhdisteistä, joilla on identtiset molekyylikaavat, mutta erilaiset rakenteelliset kaavalausekkeet. Lisäksi halogeenisubstituoiduissa hiilivedyissä isomeerimuotojen lukumäärä on suuruusluokkaa suurempi kuin vastaavien alkaanien (alkeenit, alkyynit, areenit ja niin edelleen) määrä.
2. Halogeenin sijainti molekyylissä. Sen paikka nimessä on osoitettu numerolla, ja vaikka se muuttuisi vain yhdellä, tällaisten isomeerien ominaisuudet ovat jo täysin erilaisia.

Spatiaalinen isomeria ei tule kysymykseen tässä, koska halogeeniatomit tekevät sen mahdottomaksi. Kuten kaikki muut orgaaniset yhdisteet, halogeenialkyyli-isomeerit eroavat paitsi rakenteeltaan myös fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista.ominaisuudet.

Tydyttymättömien hiilivetyjen johdannaiset

Tällaisia yhteyksiä on tietysti monia. Olemme kuitenkin kiinnostuneita tyydyttymättömien hiilivetyjen halogeenijohdannaisista. Ne voidaan myös jakaa kolmeen pääryhmään.

1. Vinyyli - kun Hal-atomi sijaitsee suoraan moninkertaisen sidoksen hiiliatomissa. Molekyyliesimerkki: CH₂=CCL_2.
2. Eristetyssä asennossa. Halogeeniatomi ja moninkertainen sidos sijaitsevat molekyylin vastakkaisissa osissa. Esimerkki: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allyylijohdannaiset - halogeeniatomi sijaitsee kaksoissidoksessa yhden hiiliatomin kautta, eli se on alfa-asemassa. Esimerkki: CH₂=CH-CH₂-CL.

Erityisen tärkeä on vinyylikloridi CH₂=CHCL. Se pystyy polymerisaatioreaktioihin muodostamaan tärkeitä tuotteita, kuten eristysmateriaaleja, vedenpitäviä kankaita ja paljon muuta.

Toinen tyydyttymättömien halogeenijohdannaisten edustaja on kloropreeni. Sen kaava on CH2=CCL-CH=CH2. Tämä yhdiste on raaka-aine arvokkaiden kumityyppien synteesiin, joille on tunnusomaista palonkestävyys, pitkä käyttöikä ja huono kaasunläpäisevyys.

Tetrafluorieteeni (tai teflon) on polymeeri, jolla on korkealaatuiset tekniset parametrit. Sitä käytetään teknisten osien, ruokailuvälineiden ja erilaisten laitteiden arvokkaan pinnoitteen valmistukseen. Kaava - CF₂=CF₂.

Aromaattinenhiilivedyt ja niiden johdannaiset

Aromaattiset yhdisteet ovat yhdisteitä, jotka sisältävät bentseenirenkaan. Niiden joukossa on myös koko joukko halogeenijohdannaisia. Kaksi päätyyppiä voidaan erottaa niiden rakenteesta.

1. Jos Hal-atomi on sitoutunut suoraan ytimeen eli aromaattiseen renkaaseen, yhdisteitä kutsutaan haloareeneiksi.
2. Halogeeniatomi ei ole yhteydessä renkaaseen, vaan atomien sivuketjuun, eli sivuhaaraan menevään radikaaliin. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan aryylialkyylihalogenideiksi.

Tarkasteltavana olevien aineiden joukossa on useita edustajia, joilla on suurin käytännön merkitys.

1. Heksaklooribentseeni - C₆Cl₆. 1900-luvun alusta lähtien sitä on käytetty vahvana sienitautien torjunta-aineena sekä hyönteismyrkkynä. Sillä on hyvä desinfioiva vaikutus, joten sitä käytettiin siementen peittamiseen ennen kylvöä. Siinä on epämiellyttävä haju, neste on melko syövyttävää, läpinäkyvää ja voi aiheuttaa kyynelvuotoa.
2. Bentsyylibromidi С₆Н₅CH₂Br. Käytetään tärkeänä reagenssina organometalliyhdisteiden synteesissä.
3. Klooribentseeni C₆H₅CL. Nestemäinen väritön aine, jolla on erityinen haju. Sitä käytetään väriaineiden, torjunta-aineiden valmistukseen. Se on yksi parhaista orgaanisista liuottimista.

Teollinen käyttö

Hiilivetyjen halogeenijohdannaisia käytetään teollisuudessa ja kemiallisessa synteesissähyvin leveä. Olemme jo puhuneet tyydyttymättömistä ja aromaattisista edustajista. Merkitään nyt yleisesti kaikkien tämän sarjan yhdisteiden käyttöalueet.

1. Rakentamisessa.
2. Liuottimina.
3. Kankaiden, kumin, kumien, väriaineiden ja polymeerimateriaalien tuotannossa.
4. Monien orgaanisten yhdisteiden synteesiin.
5. Fluorijohdannaiset (freonit) ovat kylmäaineita jäähdytysyksiköissä.
6. Käytetään torjunta-aineina, hyönteismyrkkyinä, sienitautien torjunta-aineina, öljyinä, kuivausöljyinä, hartseina, voiteluaineina.
7. Siirry eristysmateriaalien valmistukseen jne.