Hidrocarburs halogenats: producció, propietats químiques, aplicació

2024 Autora: Angel Austin | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 05:19

Els hidrocarburs són una classe molt gran de compostos orgànics. Inclouen diversos grups principals de substàncies, entre les quals gairebé totes s'utilitzen àmpliament en la indústria, la vida quotidiana i la natura. Són especialment importants els hidrocarburs halogenats, que es tractaran a l'article. No només tenen una gran importància industrial, sinó que també són matèries primeres importants per a moltes síntesis químiques, l'obtenció de medicaments i altres compostos importants. Prestem especial atenció a l'estructura de les seves molècules, propietats i altres característiques.

Hidrocarburs halogenats: característiques generals

Des del punt de vista de la ciència química, aquesta classe de compostos inclou tots aquells hidrocarburs en què un o més àtoms d'hidrogen són substituïts per un o un altre halogen. Es tracta d'una categoria de substàncies molt àmplia, ja que tenen una gran importància industrial. Per a gent molt poc tempsva aprendre a sintetitzar gairebé tots els derivats halogens dels hidrocarburs, l'ús dels quals és necessari en medicina, indústria química, indústria alimentària i vida quotidiana.

El principal mètode per a l'obtenció d'aquests compostos és la via sintètica en el laboratori i la indústria, ja que gairebé cap d'ells es troba a la natura. A causa de la presència d'un àtom d'halogen, són altament reactius. Això determina en gran mesura l'abast de la seva aplicació en síntesis químiques com a intermedis.

Com que hi ha molts representants dels hidrocarburs halogenats, s'acostuma a classificar-los segons diferents criteris. Es basa tant en l'estructura de la cadena com en la multiplicitat d'enllaços, i en la diferència entre els àtoms d'halogen i la seva posició.

Derivats halògens d'hidrocarburs: classificació

La primera opció de separació es basa en principis generalment acceptats que s'apliquen a tots els compostos orgànics. La classificació es basa en la diferència en el tipus de cadena de carboni, la seva ciclicitat. Sobre aquesta base, distingeixen:

• hidrocarburs halogenats limitats;
• il·limitat;
• aromàtic;
• alifàtic;
• acíclic.

La divisió següent es basa en el tipus d'àtom d'halogen i el seu contingut quantitatiu a la molècula. Per tant, assigneu:

• monoderivats;
• derivats;
• tres-;
• tetra-;
• derivats penta i així successivament.

Si parlem del tipus d'halogen, aleshores el nom del subgrup consta de dues paraules. Per exemple, el derivat monocloro,derivat del triiode, tetrabromohaloalquen, etc.

També hi ha una altra opció de classificació, segons la qual es separen principalment els derivats halogens dels hidrocarburs saturats. Aquest és el nombre de l'àtom de carboni al qual està unit l'halogen. Per tant, assigneu:

• derivats primaris;
• secundària;
• terciari i així successivament.

Cada representant específic es pot classificar per tots els signes i determinar el lloc complet en el sistema de compostos orgànics. Així, per exemple, un compost amb la composició CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3es pot classificar així. És un derivat tricloro alifàtic insaturat del pentè.}

L'estructura de la molècula

La presència d'àtoms d'halogen no pot sinó afectar les propietats físiques i químiques i les característiques generals de l'estructura de la molècula. La fórmula general d'aquesta classe de compostos és R-Hal, on R és un radical hidrocarbur lliure de qualsevol estructura i Hal és un àtom d'halogen, un o més. L'enllaç entre carboni i halogen està fortament polaritzat, de manera que la molècula en conjunt és propensa a dos efectes:

• inductiu negatiu;
• mesomèric positiu.

El primer d'ells és molt més pronunciat, de manera que l'àtom Hal sempre presenta les propietats d'un substituent que retira electrons.

En cas contrari, totes les característiques estructurals de la molècula no són diferents de les dels hidrocarburs ordinaris. Les propietats s'expliquen per l'estructura de la cadena i la sevaramificació, el nombre d'àtoms de carboni, la força de les característiques aromàtiques.

La nomenclatura dels derivats halogens dels hidrocarburs mereix una atenció especial. Quin és el nom correcte per a aquestes connexions? Per fer-ho, heu de seguir unes quantes regles.

1. La numeració de la cadena comença des de la vora més propera a l'àtom d'halogen. Si hi ha algun enllaç múltiple, el compte enrere comença a partir d'ell, i no des del substituent que retira electrons.
2. El nom Hal s'indica al prefix, també s'ha d'indicar el número de l'àtom de carboni del qual parteix.
3. L'últim pas és anomenar la cadena principal d'àtoms (o anell).

Un exemple d'un nom semblant: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dicloropropè-1.

A més, el nom es pot donar segons la nomenclatura racional. En aquest cas, es pronuncia el nom del radical i després el nom de l'halogen amb el sufix -id. Exemple: CH₃-CH₂-CH₂Br - bromur de propil.

Com altres classes de compostos orgànics, els hidrocarburs halogenats tenen una estructura especial. Això permet que molts representants siguin designats amb noms històrics. Per exemple, halotà CF₃CBrClH. La presència de tres halògens alhora en la composició de la molècula proporciona a aquesta substància propietats especials. S'utilitza en medicina, per tant, és el nom històric que s'utilitza més sovint.

Mètodes de síntesi

Els mètodes per a l'obtenció de derivats halogens dels hidrocarburs són suficientsvariada. Hi ha cinc mètodes principals per a la síntesi d'aquests compostos al laboratori i la indústria.

1. Halogenació d'hidrocarburs normals convencionals. Esquema general de reacció: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Les característiques del procés són les següents: amb clor i brom, és necessària la irradiació ultraviolada, amb iode la reacció és gairebé impossible o molt lenta. La interacció amb el fluor és massa activa, de manera que aquest halogen no es pot utilitzar en la seva forma pura. A més, en halogenar derivats aromàtics, cal utilitzar catalitzadors de procés especials: àcids de Lewis. Per exemple, clorur de ferro o d'alumini.
2. L'obtenció de derivats halogens dels hidrocarburs també es realitza per hidrohalogenació. Tanmateix, per a això, el compost de partida ha de ser necessàriament un hidrocarbur insaturat. Exemple: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Molt sovint, aquesta addició electròfila s'utilitza per obtenir cloretilè o clorur de vinil, ja que aquest compost és una matèria primera important per a síntesis industrials.
3. L'efecte dels hidrohalògens sobre els alcohols. Vista general de la reacció: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Una característica és la presència obligatòria d'un catalitzador. Exemples d'acceleradors de procés que es poden utilitzar són clorurs de fòsfor, sofre, zinc o ferro, àcid sulfúric, una solució de clorur de zinc en àcid clorhídric - reactiu de Lucas.
4. Descarboxilació de sals àcides amb un agent oxidant. Un altre nom del mètode és la reacció de Borodin-Hunsdicker. La conclusió és l'eliminació d'una molècula de diòxid de carbonide derivats de plata dels àcids carboxílics quan s'exposa a un agent oxidant: halogen. Com a resultat, es formen derivats halogens dels hidrocarburs. Les reaccions en general tenen aquest aspecte: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Síntesi d'haloformes. En altres paraules, es tracta de la producció de derivats trihalògens del metà. La manera més senzilla de produir-los és tractar l'acetona amb una solució alcalina d'halògens. Com a resultat, es produeix la formació de molècules haloformes. Els derivats halògens dels hidrocarburs aromàtics es sintetitzen a la indústria de la mateixa manera.

S'ha de prestar especial atenció a la síntesi de representants il·limitats de la classe considerada. El mètode principal és el tractament d'alquins amb sals de mercuri i coure en presència d'halògens, que condueix a la formació d'un producte amb doble enllaç a la cadena.

Els derivats halogens dels hidrocarburs aromàtics s'obtenen per reaccions d'halogenació d'arens o alquilarens en una cadena lateral. Aquests són productes industrials importants, ja que s'utilitzen com a insecticides a l'agricultura.

Propietats físiques

Les propietats físiques dels derivats halogens dels hidrocarburs depenen directament de l'estructura de la molècula. Els punts d'ebullició i de fusió, l'estat d'agregació es veuen afectats pel nombre d'àtoms de carboni de la cadena i possibles ramificacions laterals. Com més d'ells, més altes són les puntuacions. En general, és possible caracteritzar els paràmetres físics en diversos punts.

1. Estat agregat: el primer més baixrepresentants - gasos, posteriors a С₁₂ - líquids, a sobre - sòlids.
2. Gairebé tots els representants tenen una olor específica i desagradable.
3. Molt poc soluble en aigua, però excel·lents dissolvents. Es dissolen molt bé en compostos orgànics.
4. Els punts d'ebullició i de fusió augmenten amb el nombre d'àtoms de carboni de la cadena principal.
5. Tots els compostos, excepte els derivats del fluor, són més pesats que l'aigua.
6. Com més branques hi hagi la cadena principal, més baix serà el punt d'ebullició de la substància.

És difícil identificar moltes similituds en comú, perquè els representants difereixen molt en composició i estructura. Per tant, és millor donar valors per a cada compost específic d'una sèrie determinada d'hidrocarburs.

Propietats químiques

Un dels paràmetres més importants que cal tenir en compte en la indústria química i les reaccions de síntesi són les propietats químiques dels hidrocarburs halogenats. No són iguals per a tots els representants, ja que hi ha una sèrie de raons per a la diferència.

1. L'estructura de la cadena de carboni. Les reaccions de substitució més senzilles (de tipus nucleòfil) es produeixen amb haloalquils secundaris i terciaris.
2. El tipus d'àtom d'halogen també és important. L'enllaç entre el carboni i l'hal està fortament polaritzat, cosa que fa que sigui fàcil de trencar amb l'alliberament de radicals lliures. Tanmateix, l'enllaç entre el iode i el carboni es trenca més fàcilment, la qual cosa s'explica per un canvi regular (disminució) de l'energia d'enllaç a la sèrie: F-Cl-Br-I.
3. La presència d'aromàticsenllaços radicals o múltiples.
4. Estructura i ramificació del propi radical.

En general, els alquils halogenats reaccionen millor amb la substitució nucleòfila. Després de tot, una càrrega parcialment positiva es concentra a l'àtom de carboni després de trencar l'enllaç amb l'halogen. Això permet que el radical en conjunt es converteixi en un acceptor de partícules electronegatives. Per exemple:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- i altres.

Això explica el fet que és possible passar dels derivats halogens dels hidrocarburs a gairebé qualsevol classe de compostos orgànics, només cal que escolliu el reactiu adequat que proporcioni el grup funcional desitjat.

En general, podem dir que les propietats químiques dels derivats halogens dels hidrocarburs són la capacitat d'entrar en les interaccions següents.

1. Amb diversos tipus de partícules nucleòfiles - reaccions de substitució. El resultat pot ser: alcohols, èters i èsters, compostos nitro, amines, nitrils, àcids carboxílics.
2. Reaccions d'eliminació o deshidrohalogenació. Com a resultat de l'exposició a una solució alcohòlica d'àlcali, es trenca una molècula d'halogenur d'hidrogen. Així és com es forma un alquè, subproductes de baix pes molecular: sal i aigua. Exemple de reacció: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alcohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Aquests processos són una de les principals maneres de sintetitzar alquens importants. El procés sempre va acompanyat de temperatures elevades.
3. Obtenció d'alcans d'estructura normal pel mètode de síntesi de Wurtz. L'essència de la reacció és l'efecte sobre un hidrocarbur substituït per halogens (dues molècules) amb sodi metàl·lic. Com a ió fortament electropositiu, el sodi accepta àtoms d'halogen del compost. Com a resultat, els radicals hidrocarburs alliberats estan interconnectats per un enllaç, formant un alcà d'una nova estructura. Exemple: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Síntesi d'homòlegs d'hidrocarburs aromàtics pel mètode Friedel-Crafts. L'essència del procés és l'acció de l'haloalquil sobre el benzè en presència de clorur d'alumini. Com a resultat de la reacció de substitució, es produeix la formació de toluè i clorur d'hidrogen. En aquest cas, és necessària la presència d'un catalitzador. A més del propi benzè, els seus homòlegs també es poden oxidar d'aquesta manera.
5. Aconseguir el líquid Greignard. Aquest reactiu és un hidrocarbur substituït per halogens amb un ió magnesi a la composició. Inicialment, el magnesi metàl·lic en èter actua sobre el derivat haloalquil. Com a resultat, es forma un compost complex amb la fórmula general RMgHal, anomenat reactiu de Greignard.
6. Reaccions de reducció a alcà (alquen, arena). Es realitza quan s'exposa a hidrogen. Com a resultat, es formen un hidrocarbur i un subproducte, l'halogenur d'hidrogen. Exemple general: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Aquestes són les principals interaccions en quèEls derivats halogens d'hidrocarburs de diverses estructures poden entrar fàcilment. Per descomptat, hi ha reaccions específiques que s'han de tenir en compte per a cada representant individual.

Isomeria de molècules

La isomeria dels hidrocarburs halogenats és un fenomen força natural. Al cap i a la fi, se sap que com més àtoms de carboni hi hagi la cadena, més gran serà el nombre de formes isomèriques. A més, els representants insaturats tenen múltiples enllaços, cosa que també fa que apareguin isòmers.

Hi ha dues varietats principals d'aquest fenomen per a aquesta classe de compostos.

1. Isomeria de l'esquelet de carboni del radical i la cadena principal. Això també inclou la posició de l'enllaç múltiple, si existeix a la molècula. Igual que amb els hidrocarburs simples, a partir del tercer representant, es poden escriure fórmules de compostos que tenen expressions moleculars idèntiques però estructurals diferents. A més, per als hidrocarburs substituïts amb halogens, el nombre de formes isomèriques és un ordre de magnitud superior al dels seus alcans corresponents (alquens, alquins, arens, etc.).
2. La posició de l'halogen a la molècula. El seu lloc al nom s'indica amb un número i, fins i tot si només canvia per un, les propietats d'aquests isòmers ja seran completament diferents.

La isomeria espacial està fora de qüestió aquí, perquè els àtoms d'halogen ho fan impossible. Com tots els altres compostos orgànics, els isòmers haloalquils difereixen no només en l'estructura, sinó també en les propietats físiques i químiques.característiques.

Derivats d'hidrocarburs insaturats

Hi ha, per descomptat, moltes connexions d'aquest tipus. Tanmateix, ens interessen els derivats halogens d'hidrocarburs insaturats. També es poden dividir en tres grups principals.

1. Vinil - quan l'àtom Hal es troba directament a l'àtom de carboni de l'enllaç múltiple. Exemple de molècules: CH₂=CCL_2.
2. Amb posició aïllada. L'àtom d'halogen i l'enllaç múltiple es troben en parts oposades de la molècula. Exemple: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Derivats al·lílics: l'àtom d'halogen es troba al doble enllaç a través d'un àtom de carboni, és a dir, està en posició alfa. Exemple: CH₂=CH-CH₂-CL.

El clorur de vinil CH₂=CHCL té una importància especial. És capaç de reaccions de polimerització per formar productes importants, com ara materials d'aïllament, teixits impermeables i molt més.

Un altre representant dels derivats halògens insaturats és el cloropré. La seva fórmula és CH₂=CCL-CH=CH₂. Aquest compost és la matèria primera per a la síntesi de valuosos tipus de cautxú, que es distingeixen per la resistència al foc, la llarga vida útil i la poca permeabilitat als gasos.

El tetrafluoroetilè (o tefló) és un polímer que té paràmetres tècnics d' alta qualitat. S'utilitza per a la fabricació d'un recobriment valuós de peces tècniques, estris, diversos aparells. Fórmula - CF₂=CF₂.

Aromàtichidrocarburs i els seus derivats

Els compostos aromàtics són aquells compostos que inclouen un anell de benzè. Entre ells també hi ha tot un grup de derivats halogens. Es poden distingir dos tipus principals per la seva estructura.

1. Si l'àtom Hal s'uneix directament al nucli, és a dir, l'anell aromàtic, els compostos s'anomenen haloarens.
2. L'àtom d'halogen no està connectat a l'anell, sinó a la cadena lateral d'àtoms, és a dir, el radical que va a la branca lateral. Aquests compostos s'anomenen halogenurs d'arilalquil.

Entre les substàncies a considerar, hi ha diversos representants de la major importància pràctica.

1. Hexaclorobence - C₆Cl₆. Des de principis del segle XX, s'ha utilitzat com un fort fungicida, així com un insecticida. Té un bon efecte desinfectant, per la qual cosa s'utilitzava per amanir llavors abans de sembrar. Té una olor desagradable, el líquid és bastant càustic, transparent i pot provocar llagrimeig.
2. Bromur de bencil С₆Н₅CH₂Br. S'utilitza com a reactiu important en la síntesi de compostos organometàl·lics.
3. Clorobenzè C₆H₅CL. Substància líquida incolora amb una olor específica. S'utilitza en la producció de colorants, pesticides. És un dels millors dissolvents orgànics.

Ús industrial

Els derivats halògens dels hidrocarburs s'utilitzen en la indústria i la síntesi químicamolt ample. Ja hem parlat de representants insaturats i aromàtics. Ara denotem en general les àrees d'ús de tots els compostos d'aquesta sèrie.

1. En construcció.
2. Com a dissolvents.
3. En la producció de teixits, cautxú, cautxú, tints, materials polimèrics.
4. Per a la síntesi de molts compostos orgànics.
5. Els derivats del fluor (freons) són refrigerants a les unitats de refrigeració.
6. S'utilitza com a pesticides, insecticides, fungicides, olis, olis secants, resines, lubricants.
7. Vés a la fabricació de materials aïllants, etc.