Halogénezett szénhidrogének: előállítás, kémiai tulajdonságok, alkalmazás

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 05:29

A szénhidrogének a szerves vegyületek igen nagy csoportját alkotják. Több fő anyagcsoportot tartalmaznak, amelyek közül szinte mindegyiket széles körben használják az iparban, a mindennapi életben és a természetben. Különösen fontosak a halogénezett szénhidrogének, amelyekről a cikkben lesz szó. Nemcsak nagy ipari jelentőségűek, hanem számos kémiai szintézis, gyógyszer- és egyéb fontos vegyület előállításának fontos alapanyagai is. Különös figyelmet fordítsunk molekuláik szerkezetére, tulajdonságaira és egyéb jellemzőire.

Halogénezett szénhidrogének: általános jellemzők

A kémiai tudomány szempontjából ebbe a vegyületcsoportba tartoznak mindazok a szénhidrogének, amelyekben egy vagy több hidrogénatomot egyik vagy másik halogénatom helyettesít. Ez az anyagok nagyon széles kategóriája, mivel nagy ipari jelentőséggel bírnak. Elég rövid ideig emberekmegtanulta szinte az összes szénhidrogén halogén származékát szintetizálni, amelyek felhasználása szükséges az orvostudományban, a vegyiparban, az élelmiszeriparban és a mindennapi életben.

E vegyületek előállításának fő módszere a laboratóriumi és ipari szintetikus módszer, mivel szinte egyik sem fordul elő a természetben. A halogénatom jelenléte miatt nagyon reaktívak. Ez nagymértékben meghatározza a kémiai szintézisekben intermedierként történő alkalmazásuk körét.

Mivel a halogénezett szénhidrogéneknek sok képviselője van, szokás ezeket különböző szempontok szerint osztályozni. Mind a lánc szerkezetén, mind a kötések sokaságán, valamint a halogénatomok különbségén és helyzetükön alapul.

Szénhidrogének halogén származékai: osztályozás

Az első szétválasztási lehetőség általánosan elfogadott elveken alapul, amelyek minden szerves vegyületre érvényesek. Az osztályozás alapja a szénlánc típusának különbsége, ciklikussága. Ezen az alapon megkülönböztetik:

• korlátozott mennyiségben halogénezett szénhidrogének;
• korlátlan;
• aromás;
• alifás;
• aciklikus.

A következő felosztás a halogénatom típusán és a molekulában lévő mennyiségi tartalmán alapul. Tehát jelölje ki:

• mono származékok;
• diderivatívák;
• három-;
• tetra-;
• penta származékok és így tovább.

Ha a halogén típusáról beszélünk, akkor az alcsoport neve két szóból áll. Például a monoklór-származék,trijód-származék, tetrabróm-halogén-alkén és így tovább.

Van egy másik osztályozási lehetőség is, amely szerint főként a telített szénhidrogének halogén származékait választják el. Ez annak a szénatomnak a száma, amelyhez a halogén kapcsolódik. Tehát jelölje ki:

• elsődleges származtatott ügyletek;
• másodlagos;
• felsőfokú és így tovább.

Minden egyes képviselő minden előjellel rangsorolható, és meghatározhatja a teljes helyet a szerves vegyületek rendszerében. Tehát például egy CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3 összetételű vegyület.így osztályozhatja. Ez a pentén telítetlen alifás triklór-származéka.}

A molekula szerkezete

A halogénatomok jelenléte csak befolyásolhatja mind a fizikai és kémiai tulajdonságokat, mind a molekula szerkezetének általános jellemzőit. A vegyületcsoport általános képlete az R-Hal, ahol R jelentése tetszőleges szerkezetű szabad szénhidrogén gyök, és Hal jelentése egy vagy több halogénatom. A szén és a halogén közötti kötés erősen polarizált, aminek következtében a molekula egésze két hatásra hajlamos:

• negatív induktív;
• mezomerikus pozitív.

Az első sokkal hangsúlyosabb, így a Hal-atom mindig az elektronszívó szubsztituens tulajdonságait mutatja.

Egyébként a molekula szerkezeti jellemzői nem különböznek a közönséges szénhidrogénekétől. A tulajdonságokat a lánc és annak szerkezete magyarázzaelágazás, a szénatomok száma, az aromás jellemzők erőssége.

A szénhidrogének halogénszármazékainak nómenklatúrája külön figyelmet érdemel. Mi a helyes neve ezeknek a kapcsolatoknak? Ehhez be kell tartania néhány szabályt.

1. A lánc számozása a halogénatomhoz legközelebb eső éltől kezdődik. Ha van bármilyen többszörös kötés, akkor a visszaszámlálás abból indul ki, és nem az elektronszívó szubsztituensből.
2. A Hal név szerepel az előtagban, és fel kell tüntetni annak a szénatomnak a számát is, amelytől eltávolodik.
3. Az utolsó lépés az atomok (vagy gyűrű) főláncának elnevezése.

Példa egy hasonló névre: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-diklórpropén-1.

A név megadható racionális nómenklatúra szerint is. Ebben az esetben a gyök nevét ejtik ki, majd a halogén nevét -id utótaggal. Példa: CH₃-CH₂-CH₂Br - propil-bromid.

A szerves vegyületek többi osztályához hasonlóan a halogénezett szénhidrogének is különleges szerkezettel rendelkeznek. Ez lehetővé teszi, hogy sok képviselőt történelmi névvel jelöljenek meg. Például halotán CF₃CBrClH. Egyszerre három halogén jelenléte a molekula összetételében különleges tulajdonságokkal ruházza fel ezt az anyagot. Az orvostudományban használják, ezért a leggyakrabban használt történelmi név.

Szintézismódszerek

A szénhidrogének halogénszármazékainak előállítására szolgáló módszerek elegendőekváltozatos. Öt fő módszer létezik ezeknek a vegyületeknek a laboratóriumi és ipari szintézisére.

1. Hagyományos normál szénhidrogének halogénezése. Általános reakcióvázlat: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Az eljárás jellemzői a következők: klórral és brómmal ultraibolya besugárzás szükséges, jóddal a reakció szinte lehetetlen vagy nagyon lassú. A fluorral való kölcsönhatás túlságosan aktív, ezért ez a halogén nem használható tiszta formájában. Ezenkívül az aromás származékok halogénezésekor speciális eljáráskatalizátorokat - Lewis-savakat - kell használni. Például vas- vagy alumínium-klorid.
2. A szénhidrogének halogénszármazékainak előállítása szintén hidrohalogénezéssel történik. Ehhez azonban a kiindulási vegyületnek szükségszerűen telítetlen szénhidrogénnek kell lennie. Példa: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Leggyakrabban ilyen elektrofil addíciót használnak klór-etilén vagy vinil-klorid előállítására, mivel ez a vegyület az ipari szintézisek fontos nyersanyaga.
3. A hidrohalogének hatása az alkoholokra. A reakció általános képe: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Jellemző a katalizátor kötelező jelenléte. Az alkalmazható folyamatgyorsítókra példák a foszfor, kén, cink vagy vas-kloridok, kénsav, cink-klorid sósavas oldata – Lucas-reagens.
4. Savak sók dekarboxilezése oxidálószerrel. A módszer másik neve a Borodin-Hunsdicker reakció. A lényeg a szén-dioxid molekula eltávolításakarbonsavak ezüstszármazékaiból, ha oxidálószerrel - halogénnel - érintkeznek. Ennek eredményeként szénhidrogének halogén származékai képződnek. A reakciók általában így néznek ki: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Haloformok szintézise. Más szavakkal, ez a metán trihalogén származékainak termelése. Előállításuk legegyszerűbb módja, ha az acetont halogén lúgos oldatával kezeljük. Ennek eredményeként haloform molekulák képződnek. Az aromás szénhidrogének halogén származékait az iparban ugyanúgy szintetizálják.

Különös figyelmet kell fordítani az érintett osztály korlátlan számú képviselőjének szintézisére. A fő módszer az alkinok kezelése higany- és rézsókkal halogének jelenlétében, ami a láncban kettős kötéssel rendelkező termék képződéséhez vezet.

Az aromás szénhidrogének halogénszármazékait arének vagy alkilarének oldalláncokká történő halogénezési reakciójával állítják elő. Ezek fontos ipari termékek, mivel rovarölő szerként használják őket a mezőgazdaságban.

Fizikai tulajdonságok

A szénhidrogének halogénszármazékainak fizikai tulajdonságai közvetlenül függnek a molekula szerkezetétől. A forrás- és olvadáspontokat, az aggregáció állapotát befolyásolja a szénatomok száma a láncban és az esetleges oldalirányú elágazások. Minél több közülük, annál magasabb a pontszám. Általában több ponton is lehet jellemezni a fizikai paramétereket.

1. Összesített állapot: az első legalacsonyabbképviselői - gázok, С₁₂ után - folyadékok, fent - szilárd anyagok.
2. Szinte minden képviselőnek éles, kellemetlen specifikus szaga van.
3. Vízben nagyon rosszul oldódik, de önmagukban kiváló oldószerek. Nagyon jól oldódnak szerves vegyületekben.
4. A forrás- és olvadáspont a főláncban lévő szénatomok számával nő.
5. A fluorszármazékok kivételével minden vegyület nehezebb a víznél.
6. Minél több ág van a főláncban, annál alacsonyabb az anyag forráspontja.

Nehéz sok közös hasonlóságot azonosítani, mert a képviselők összetételükben és felépítésükben nagymértékben különböznek egymástól. Ezért jobb, ha a szénhidrogének adott sorozatából származó minden egyes vegyületre megadjuk az értékeket.

Kémiai tulajdonságok

Az egyik legfontosabb paraméter, amelyet figyelembe kell venni a vegyiparban és a szintézisreakciókban, a halogénezett szénhidrogének kémiai tulajdonságai. Nem minden képviselő esetében azonosak, mivel a különbségnek számos oka lehet.

1. A szénlánc szerkezete. A legegyszerűbb szubsztitúciós reakciók (nukleofil típusúak) szekunder és tercier halogén-alkilekkel mennek végbe.
2. A halogénatom típusa is fontos. A szén és a Hal közötti kötés erősen polarizált, ami megkönnyíti a szabad gyökök felszabadulásával történő megszakadását. A jód és a szén közötti kötés azonban a legkönnyebben felszakad, ami a kötési energia rendszeres változásával (csökkenésével) magyarázható a következő sorozatban: F-Cl-Br-I.
3. Aromás jelenléteradikális vagy többszörös kötések.
4. Maga a radikális szerkezete és elágazása.

Általában a halogénezett alkilcsoportok nukleofil szubsztitúcióval reagálnak a legjobban. Hiszen a halogénnel való kötés felszakadása után a szénatomon egy részlegesen pozitív töltés koncentrálódik. Ez lehetővé teszi, hogy a gyök egésze az elektronegatív részecskék elfogadójává váljon. Például:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NEM₂^-;
• CN^- és mások.

Ez magyarázza azt a tényt, hogy a szénhidrogének halogénszármazékaitól a szerves vegyületek szinte bármely osztályáig el lehet jutni, csak ki kell választani a megfelelő reagenst, amely biztosítja a kívánt funkciós csoportot.

Általában elmondható, hogy a szénhidrogének halogénszármazékainak kémiai tulajdonságai a következő kölcsönhatásokba való belépés képessége.

1. Különféle nukleofil részecskékkel – szubsztitúciós reakciók. Az eredmény lehet: alkoholok, éterek és észterek, nitrovegyületek, aminok, nitrilek, karbonsavak.
2. Eltávolítási vagy dehidrohalogénezési reakciók. A lúg alkoholos oldatával való érintkezés eredményeként egy hidrogén-halogenid molekula hasad. Így keletkezik egy alkén, kis molekulatömegű melléktermékek - só és víz. Példa a reakcióra: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Ezek a folyamatok a fontos alkének szintézisének egyik fő módja. A folyamatot mindig magas hőmérséklet kíséri.
3. Normál szerkezetű alkánok előállítása a Wurtz-szintézis módszerével. A reakció lényege a halogénnel szubsztituált szénhidrogénre (két molekula) gyakorolt hatás fémes nátriummal. Erősen elektropozitív ionként a nátrium halogénatomokat fogad el a vegyületből. Ennek eredményeként a felszabaduló szénhidrogén-gyökök egy kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, új szerkezetű alkánt képezve. Példa: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Aromás szénhidrogének homológjainak szintézise a Friedel-Crafts módszerrel. Az eljárás lényege a halogén-alkil benzolra gyakorolt hatása alumínium-klorid jelenlétében. A szubsztitúciós reakció eredményeként toluol és hidrogén-klorid képződik. Ebben az esetben katalizátor jelenléte szükséges. Magán a benzolon kívül homológjai is oxidálhatók ilyen módon.
5. A Greignard folyadék beszerzése. Ez a reagens halogénnel szubsztituált szénhidrogén, amely magnéziumiont tartalmaz a készítményben. Kezdetben az éterben lévő fémes magnézium a halogén-alkil-származékra hat. Ennek eredményeként egy RMgHal általános képletű komplex vegyület képződik, amelyet Greignard-reagensnek neveznek.
6. Redukciós reakciók alkánra (alkén, aréna). Hidrogén hatásának kitéve végezzük. Ennek eredményeként szénhidrogén és melléktermék, hidrogén-halogenid keletkezik. Általános példa: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Ezek a fő interakciók, amelyekbena szénhidrogének különféle szerkezetű halogénszármazékai könnyen bejuthatnak. Természetesen vannak konkrét reakciók, amelyeket minden egyes képviselőnél figyelembe kell venni.

Molekulák izomerizmusa

A halogénezett szénhidrogének izomériája meglehetősen természetes jelenség. Végül is ismert, hogy minél több szénatom van a láncban, annál nagyobb az izomer formák száma. Ezenkívül a telítetlen képviselők többszörös kötést tartalmaznak, ami szintén izomerek megjelenését okozza.

Ennek a jelenségnek két fő változata van ebben a vegyületosztályban.

1. A gyök és a főlánc szénvázának izomériája. Ez magában foglalja a többszörös kötés helyzetét is, ha létezik a molekulában. Az egyszerű szénhidrogénekhez hasonlóan a harmadik képviselőtől kiindulva felírhatók olyan vegyületek képletei, amelyek molekuláris képlete azonos, de szerkezeti képlete eltérő. Ezenkívül a halogénnel szubsztituált szénhidrogének izomerformáinak száma egy nagyságrenddel nagyobb, mint a megfelelő alkánoké (alkének, alkinok, arének stb.).
2. A halogén helyzete a molekulában. Helyét a névben egy szám jelzi, és ha csak eggyel változik is, akkor az ilyen izomerek tulajdonságai már teljesen mások lesznek.

A térbeli izoméria itt szóba sem jöhet, mert a halogénatomok lehetetlenné teszik. Mint minden más szerves vegyület, a halogén-alkil-izomerek is nemcsak szerkezetükben, hanem fizikai és kémiai tulajdonságaikban is különböznek egymástól.jellemzők.

Telítetlen szénhidrogének származékai

Természetesen sok ilyen kapcsolat van. Minket azonban a telítetlen szénhidrogének halogénszármazékai érdekelnek. Három fő csoportra is oszthatók.

1. Vinil - ha a Hal atom közvetlenül a többszörös kötés szénatomjánál található. Példa a molekulára: CH₂=CCL_2.
2. Szigetelt helyzetben. A halogénatom és a többszörös kötés a molekula ellentétes részein található. Példa: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allil-származékok - a halogénatom egy szénatomon keresztül helyezkedik el a kettős kötéshez, azaz alfa-helyzetben van. Példa: CH₂=CH-CH₂-CL.

Különösen fontos a vinil-klorid CH₂=CHCL. Képes polimerizációs reakciókban fontos termékeket, például szigetelőanyagokat, vízálló szöveteket és egyebeket képezni.

A telítetlen halogénszármazékok másik képviselője a kloroprén. A képlete CH2=CCL-CH=CH2. Ez a vegyület az értékes gumitípusok szintézisének nyersanyaga, amelyek tűzállóságuk, hosszú élettartamuk és rossz gázáteresztő képességükre jellemzőek.

A tetrafluor-etilén (vagy teflon) olyan polimer, amely kiváló műszaki paraméterekkel rendelkezik. Műszaki alkatrészek, edények, különféle készülékek értékes bevonatának gyártására használják. Képlet - CF₂=CF₂.

Aromásszénhidrogének és származékaik

Az aromás vegyületek azok a vegyületek, amelyek benzolgyűrűt tartalmaznak. Köztük a halogénszármazékok egész csoportja is található. Szerkezetük alapján két fő típust különböztethetünk meg.

1. Ha a Hal atom közvetlenül a maghoz, azaz az aromás gyűrűhöz kapcsolódik, akkor a vegyületeket haloaréneknek nevezzük.
2. A halogénatom nem a gyűrűhöz kapcsolódik, hanem az atomok oldalláncához, vagyis az oldalágba tartó gyökhöz. Az ilyen vegyületeket aril-alkil-halogenideknek nevezik.

A szóban forgó anyagok között számos, gyakorlati szempontból a legnagyobb jelentőségű képviselő található.

1. Hexaklórbenzol - C₆Cl₆. A 20. század eleje óta erős gombaölőként, valamint rovarölőként alkalmazzák. Jó fertőtlenítő hatású, ezért vetés előtt a magok csávázására használták. Kellemetlen szagú, a folyadék meglehetősen maró, átlátszó, könnyezést okozhat.
2. Benzil-bromid С₆Н₅CH₂Br. Fontos reagensként használják fémorganikus vegyületek szintézisében.
3. Klórbenzol C₆H₅CL. Folyékony színtelen anyag, sajátos szaggal. Festékek, növényvédő szerek előállítására használják. Ez az egyik legjobb szerves oldószer.

Ipari felhasználás

A szénhidrogének halogén származékait az iparban és a kémiai szintézisben használjáknagyon széles. A telítetlen és aromás képviselőkről már beszéltünk. Most általánosságban jelöljük a sorozat összes vegyületének felhasználási területeit.

1. Építkezésben.
2. Oldószerként.
3. Szövetek, gumi, gumik, festékek, polimer anyagok gyártásában.
4. Sok szerves vegyület szintéziséhez.
5. A fluorszármazékok (freonok) hűtőközegek a hűtőegységekben.
6. Pesticidként, rovarölő szerként, gombaölő szerként, olajként, szárítóolajként, gyantaként, kenőanyagként használják.
7. Ugrás a szigetelőanyagok gyártásához stb.