Халогенирани въглеводороди: производство, химични свойства, приложение

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Въглеводородите са много голям клас органични съединения. Те включват няколко основни групи вещества, сред които почти всяко от тях се използва широко в промишлеността, бита и природата. От особено значение са халогенираните въглеводороди, които ще бъдат разгледани в статията. Те са не само от голямо индустриално значение, но са и важна суровина за много химични синтези, получаване на лекарства и други важни съединения. Нека обърнем специално внимание на структурата на техните молекули, свойства и други характеристики.

халогенирани въглеводороди: общи характеристики

От гледна точка на химическата наука, този клас съединения включва всички онези въглеводороди, в които един или повече водородни атоми са заменени с един или друг халоген. Това е много широка категория вещества, тъй като те са от голямо индустриално значение. За доста кратко време хоранаучи се как да синтезира почти всички халогенни производни на въглеводороди, използването на които е необходимо в медицината, химическата промишленост, хранително-вкусовата промишленост и ежедневието.

Основният метод за получаване на тези съединения е синтетичният път в лабораторията и промишлеността, тъй като почти нито едно от тях не се среща в природата. Поради наличието на халогенен атом, те са силно реактивни. Това до голяма степен определя обхвата на тяхното приложение в химичния синтез като междинни продукти.

Тъй като има много представители на халогенираните въглеводороди, обичайно е да ги класифицираме по различни критерии. Тя се основава както на структурата на веригата, така и на множеството връзки, както и на разликата в халогенните атоми и тяхната позиция.

Халогенни производни на въглеводороди: класификация

Първата опция за разделяне се основава на общоприети принципи, които важат за всички органични съединения. Класификацията се основава на разликата във вида на въглеродната верига, нейната цикличност. На тази основа те разграничават:

• ограничени халогенирани въглеводороди;
• неограничен;
• ароматни;
• алифатичен;
• ацикличен.

Следното разделение се основава на вида на халогенния атом и неговото количествено съдържание в молекулата. И така, разпределете:

• моно деривати;
• дидеривати;
• три-;
• тетра-;
• пента деривати и така нататък.

Ако говорим за типа халоген, тогава името на подгрупата се състои от две думи. Например, монохлорното производно,трийод дериват, тетрабромохалоалкен и така нататък.

Има и друг вариант на класификация, според който се разделят основно халогенни производни на наситени въглеводороди. Това е номерът на въглеродния атом, към който е прикрепен халогенът. И така, разпределете:

• основни деривати;
• вторично;
• трети и така нататък.

Всеки конкретен представител може да бъде класиран по всички признаци и да определи пълното място в системата на органичните съединения. Така, например, съединение със състава CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3може да се класифицира по този начин. Това е ненаситено алифатно трихлоро производно на пентена.}

Структурата на молекулата

Наличието на халогенни атоми не може да не повлияе както на физичните и химичните свойства, така и на общите характеристики на структурата на молекулата. Общата формула за този клас съединения е R-Hal, където R е свободен въглеводороден радикал с всякаква структура, а Hal е халогенен атом, един или повече. Връзката между въглерод и халоген е силно поляризирана, в резултат на което молекулата като цяло е склонна към два ефекта:

• отрицателна индуктивна;
• мезомерно положително.

Първият от тях е много по-изразен, така че Hal атомът винаги проявява свойствата на заместител, изтеглящ електрони.

В противен случай всички структурни характеристики на молекулата не се различават от тези на обикновените въглеводороди. Свойствата се обясняват със структурата на веригата и нейнатаразклоняване, брой въглеродни атоми, сила на ароматните характеристики.

Номенклатурата на халогенните производни на въглеводородите заслужава специално внимание. Какво е правилното име за тези връзки? За да направите това, трябва да следвате няколко правила.

1. Номерацията на веригата започва от най-близкия до халогенния атом ръб. Ако има някаква множествена връзка, обратното броене започва от нея, а не от заместителя, който изтегля електрони.
2. Името Hal е посочено в префикса, номерът на въглеродния атом, от който тръгва, също трябва да бъде посочен.
3. Последната стъпка е да назовете главната верига от атоми (или пръстен).

Пример за подобно име: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-дихлоропропен-1.

Също така, името може да бъде дадено според рационалната номенклатура. В този случай се произнася името на радикала, а след това името на халогена с наставка -id. Пример: CH₃-CH₂-CH₂Br - пропилбромид.

Като други класове органични съединения, халогенираните въглеводороди имат специална структура. Това позволява много представители да бъдат обозначени с исторически имена. Например халотан CF₃CBrClH. Наличието на три халогена наведнъж в състава на молекулата осигурява на това вещество специални свойства. Използва се в медицината, затова най-често се използва историческото име.

Методи за синтез

Методи за получаване на халогенни производни на въглеводороди са достатъчниразнообразен. Има пет основни метода за синтез на тези съединения в лабораторията и промишлеността.

1. Халогениране на конвенционални нормални въглеводороди. Обща реакционна схема: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Характеристиките на процеса са следните: с хлор и бром е необходимо ултравиолетово облъчване, с йод реакцията е почти невъзможна или много бавна. Взаимодействието с флуора е твърде активно, така че този халоген не може да се използва в чиста форма. Освен това при халогениране на ароматни производни е необходимо да се използват специални технологични катализатори - киселини на Люис. Например железен или алуминиев хлорид.
2. Получаването на халогенни производни на въглеводороди също се извършва чрез хидрохалогениране. За това обаче изходното съединение трябва задължително да бъде ненаситен въглеводород. Пример: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Най-често такава електрофилна добавка се използва за получаване на хлоретилен или винилхлорид, тъй като това съединение е важна суровина за промишлени синтези.
3. Ефектът на хидрохалогените върху алкохолите. Общ изглед на реакцията: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Характеристика е задължителното наличие на катализатор. Примери за ускорители на процеса, които могат да се използват, са фосфор, сяра, цинк или железни хлориди, сярна киселина, разтвор на цинков хлорид в солна киселина - реагент на Лукас.
4. Декарбоксилиране на киселинни соли с окислител. Друго име на метода е реакцията на Бородин-Хюнсдикер. Изводът е отстраняването на молекула на въглероден диоксидот сребърни производни на карбоксилни киселини, когато са изложени на окислител - халоген. В резултат на това се образуват халогенни производни на въглеводороди. Реакциите като цяло изглеждат така: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Синтез на халоформи. С други думи, това е производството на трихалогенни производни на метан. Най-лесният начин за тяхното производство е да третирате ацетон с алкален разтвор на халогени. В резултат на това се получава образуването на халоформни молекули. Халогенните производни на ароматните въглеводороди се синтезират в индустрията по същия начин.

Трябва да се обърне специално внимание на синтеза на неограничен брой представители на разглеждания клас. Основният метод е третирането на алкини с живачни и медни соли в присъствието на халогени, което води до образуването на продукт с двойна връзка във веригата.

Халогенни производни на ароматни въглеводороди се получават чрез реакции на халогениране на арени или алкиларени в странична верига. Това са важни промишлени продукти, тъй като се използват като инсектициди в селското стопанство.

Физически свойства

Физичните свойства на халогенните производни на въглеводородите директно зависят от структурата на молекулата. Точката на кипене и топене, състоянието на агрегация се влияят от броя на въглеродните атоми във веригата и възможните разклонения встрани. Колкото повече от тях, толкова по-високи са резултатите. Като цяло е възможно да се характеризират физическите параметри в няколко точки.

1. Агрегирано състояние: първото най-нископредставители - газове, след С₁₂ - течности, по-горе - твърди вещества.
2. Почти всички представители имат остра неприятна специфична миризма.
3. Много слабо разтворим във вода, но самите отлични разтворители. Те се разтварят много добре в органични съединения.
4. Точките на кипене и топене се увеличават с броя на въглеродните атоми в главната верига.
5. Всички съединения с изключение на флуорни производни са по-тежки от водата.
6. Колкото повече разклонения са в основната верига, толкова по-ниска е точката на кипене на веществото.

Трудно е да се идентифицират много общи прилики, тъй като представителите се различават значително по състав и структура. Ето защо е по-добре да се дадат стойности за всяко конкретно съединение от дадена серия въглеводороди.

Химически свойства

Един от най-важните параметри, които трябва да се вземат предвид в химическата промишленост и реакциите на синтез, са химичните свойства на халогенираните въглеводороди. Те не са еднакви за всички представители, тъй като има редица причини за разликата.

1. Структурата на въглеродната верига. Най-простите реакции на заместване (от нуклеофилен тип) протичат с вторични и третични халоалкили.
2. Видът на халогенния атом също е важен. Връзката между въглерода и Hal е силно поляризирана, което улеснява прекъсването й с освобождаването на свободни радикали. Въпреки това, връзката между йод и въглерод се разрушава най-лесно, което се обяснява с редовна промяна (намаляване) на енергията на връзката в поредицата: F-Cl-Br-I.
3. Наличието на ароматнирадикални или множествени връзки.
4. Структура и разклонение на самия радикал.

По принцип халогенираните алкили реагират най-добре с нуклеофилно заместване. В крайна сметка, частично положителен заряд се концентрира върху въглеродния атом след прекъсване на връзката с халогена. Това позволява на радикала като цяло да стане акцептор на електроотрицателни частици. Например:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- и други.

Това обяснява факта, че е възможно да се премине от халогенни производни на въглеводороди към почти всеки клас органични съединения, просто трябва да изберете подходящия реагент, който ще осигури желаната функционална група.

Като цяло можем да кажем, че химичните свойства на халогенните производни на въглеводородите са способността да влизат в следните взаимодействия.

1. С различни видове нуклеофилни частици - реакции на заместване. Резултатът може да бъде: алкохоли, етери и естери, нитро съединения, амини, нитрили, карбоксилни киселини.
2. Реакции на елиминиране или дехидрохалогениране. В резултат на излагане на алкохолен разтвор на алкали, молекула на халогеноводорода се разцепва. Така се образува алкен, нискомолекулни странични продукти - сол и вода. Пример за реакция: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _{(алкохол)} →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Тези процеси са един от основните начини за синтезиране на важни алкени. Процесът винаги е придружен от високи температури.
3. Получаване на алкани с нормална структура чрез метода за синтез на Wurtz. Същността на реакцията е ефектът върху халогенно-заместен въглеводород (две молекули) с метален натрий. Като силно електроположителен йон, натрият приема халогенни атоми от съединението. В резултат на това освободените въглеводородни радикали са свързани помежду си чрез връзка, образувайки алкан с нова структура. Пример: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Синтез на хомолози на ароматни въглеводороди по метода на Фридел-Крафтс. Същността на процеса е действието на халоалкил върху бензол в присъствието на алуминиев хлорид. В резултат на реакцията на заместване се получава образуването на толуен и хлороводород. В този случай е необходимо наличието на катализатор. В допълнение към самия бензол, неговите хомолози също могат да бъдат окислени по този начин.
5. Получаване на течността Greignard. Този реагент е халоген-заместен въглеводород с магнезиев йон в състава. Първоначално металният магнезий в етер действа върху халоалкиловото производно. В резултат на това се образува комплексно съединение с обща формула RMgHal, наречено реагент на Грейнард.
6. Редукционни реакции към алкан (алкен, арена). Извършва се при излагане на водород. В резултат на това се образуват въглеводород и страничен продукт, халогеноводород. Общ пример: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Това са основните взаимодействия, при коитохалогенни производни на въглеводороди с различни структури могат лесно да навлизат. Разбира се, има специфични реакции, които трябва да се вземат предвид за всеки отделен представител.

Изомерия на молекулите

Изомерията на халогенираните въглеводороди е доста естествено явление. В крайна сметка е известно, че колкото повече въглеродни атоми във веригата, толкова по-голям е броят на изомерните форми. В допълнение, ненаситените представители имат множество връзки, което също причинява появата на изомери.

Има две основни разновидности на това явление за този клас съединения.

1. Изомерия на въглеродния скелет на радикала и основната верига. Това също включва позицията на множествената връзка, ако тя съществува в молекулата. Както при простите въглеводороди, започвайки от третия представител, могат да бъдат записани формули на съединения, които имат идентични молекулярни, но различни структурни формули. Освен това за халоген-заместените въглеводороди броят на изомерните форми е с порядък по-голям, отколкото за съответните им алкани (алкени, алкини, арени и т.н.).
2. Позицията на халогена в молекулата. Неговото място в името е обозначено с число и дори да се промени само с едно, тогава свойствата на такива изомери вече ще бъдат напълно различни.

Пространствената изомерия тук не може да се говори, защото халогенните атоми я правят невъзможна. Както всички други органични съединения, халоалкиловите изомери се различават не само по структура, но и по физични и химични свойства.характеристики.

Производни на ненаситени въглеводороди

Разбира се, има много такива връзки. Въпреки това, ние се интересуваме от халогенни производни на ненаситени въглеводороди. Те също могат да бъдат разделени на три основни групи.

1. Винил - когато Hal атомът е разположен директно при въглеродния атом на множествената връзка. Пример за молекула: CH₂=CCL_2.
2. С изолирана позиция. Халогенният атом и множествената връзка са разположени в противоположни части на молекулата. Пример: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Алилови производни - халогенният атом е разположен към двойната връзка през един въглероден атом, тоест е в алфа позиция. Пример: CH₂=CH-CH₂-CL.

От особено значение е винилхлоридът CH₂=CHCL. Той е способен на реакции на полимеризация, за да образува важни продукти като изолационни материали, водоустойчиви тъкани и др.

Друг представител на ненаситените халогенни производни е хлоропренът. Формулата му е CH₂=CCL-CH=CH2. Това съединение е суровината за синтеза на ценни видове каучук, които се отличават с огнеустойчивост, дълъг експлоатационен живот и лоша газопропускливост.

Тетрафлуоретилен (или тефлон) е полимер, който има висококачествени технически параметри. Използва се за производството на ценно покритие на технически части, прибори, различни уреди. Формула - CF₂=CF₂.

Ароматновъглеводороди и техните производни

Ароматните съединения са тези съединения, които включват бензенов пръстен. Сред тях има и цяла група халогенни производни. Два основни типа могат да бъдат разграничени по тяхната структура.

1. Ако атомът Hal е свързан директно към ядрото, тоест ароматния пръстен, тогава съединенията се наричат халоарени.
2. Халогенният атом не е свързан с пръстена, а със страничната верига от атоми, тоест радикалът отива към страничния клон. Такива съединения се наричат арилалкил халиди.

Сред разглежданите вещества има няколко представители с най-голямо практическо значение.

1. Хексахлорбензен - C₆Cl₆. От началото на 20-ти век се използва като силен фунгицид, както и като инсектицид. Има добър дезинфекционен ефект, така че е използван за обработка на семена преди сеитба. Има неприятна миризма, течността е доста каустична, прозрачна и може да причини сълзене.
2. Бензил бромид С₆Н₅CH₂Br. Използва се като важен реагент в синтеза на органометални съединения.
3. Хлорбензен C₆H₅CL. Течно безцветно вещество със специфична миризма. Използва се в производството на оцветители, пестициди. Това е един от най-добрите органични разтворители.

Индустриална употреба

Халогенните производни на въглеводородите се използват в промишлеността и химичния синтезмного широк. Вече говорихме за ненаситени и ароматни представители. Сега нека да обозначим най-общо областите на използване на всички съединения от тази серия.

1. В строеж.
2. Като разтворители.
3. В производството на тъкани, каучук, каучук, багрила, полимерни материали.
4. За синтеза на много органични съединения.
5. Флуорните производни (фреони) са хладилни агенти в хладилни агрегати.
6. Използва се като пестициди, инсектициди, фунгициди, масла, изсушаващи масла, смоли, лубриканти.
7. Отидете към производството на изолационни материали и др.