Халогенирани въглеводороди: производство, химични свойства, приложение

Въглеводородите са много голям клас съединения, свързани с органични съединения. Те включват няколко основни групи вещества, сред които почти всички намират широко приложение в промишлеността, живота и природата. От особено значение са халогенираните въглеводороди, които ще бъдат разгледани в статията. Те са не само от голямо промишлено значение, но и важна суровина за различни химически синтези, производство на лекарства и други важни съединения. Ще обърнем специално внимание на структурата на техните молекули, свойства и други характеристики.

Халогенирани въглеводороди: обща характеристика

От гледна точка на химическата наука този клас съединения включва всички тези 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 промишлено значение. За много кратко време хората са се научили да синтезират почти всички халогенирани въглеводороди, чиято употреба е необходима в медицината, химическата промишленост, хранително-вкусовата промишленост и ежедневието.

Основният метод за получаване на тези съединения е синтетичен път в лабораторията и промишлеността, тъй като практически никой от тях не се среща в природата. Поради наличието на халогенен атом те имат висока реактивност. Това до голяма степен определя областта на тяхното приложение в химическия синтез като междинни продукти.

Тъй като представителите на халогенираните въглеводороди имат много, обичайно се класифицират според различни характеристики. Основата е структурата на веригата и множеството връзки, както и разликата в халогенните атоми и местоположението на тяхната позиция.

Халогенирани въглеводороди: класификация

Първият вариант се основава на общоприети принципи, които се прилагат за всички органични съединения. Класификацията се основава на разликата в типа на въглеродната верига, нейната цикличност. Според тази характеристика има:

• ограничаване на халогенираните въглеводороди;
• ненаситен;
• ароматен;
• алифатни;
• ациклични.

Следващото разделение се основава на формата на халогенния атом и количественото му съдържание в молекулата. Така че, разпределете:

• моно производни;
• diproizvodnye;
• три-;
• тетра;
• пента производни и т.н.

Ако говорим за формата на халоген, тогава името на подгрупата се състои от две думи. Например, монохлорно производно, трийодо производно, тетрабромо-халоалкен и т.н.

Съществува и друга възможност за класификация, според която халогенираните производни на крайните въглеводороди са разделени. Това е броят на въглеродния атом, към който е свързан халогенът. Така че, разпределете:

• първични производни;
• вторична;
• третични и т.н.

Всеки конкретен представител може да бъде класиран по всички признаци и да определи общото място в системата от органични съединения. Така например, съединение със състав на СН₃ - СН₂-CH = CH-CCL₃ могат да бъдат класифицирани както следва. Това е ненаситено алифатно трихлоро производно на пентена.

Структурата на молекулата

Наличието на халогенни атоми не може да повлияе както върху физичните, така и върху химическите свойства и върху общите очертания на структурата на молекулата. Общата формула за този клас съединения е R-Hal, където R е свободен въглеводороден радикал на всяка структура и Hal е халогенен атом, един или повече. Връзката между въглерод и халоген е силно поляризирана, така че молекулата като цяло е склонна към два ефекта:

• отрицателна индуктивна;
• мезомерен положителен.

В този случай, първият от тях се изразява много по-силно, затова Hal-атомът винаги показва свойствата на заместител, изтеглящ електрони.

В противен случай всички характеристики на структурата на молекулата не се различават от тези на обикновените въглеводороди. Свойствата се обясняват със структурата на веригата и нейното разклоняване, броя на въглеродните атоми, силата на ароматните свойства.

Номенклатурата на халогенираните въглеводороди заслужава специално внимание. Колко правилно трябва да наричате тези връзки? За да направите това, трябва да спазвате няколко правила.

1. Номерирането на веригата започва от края, към който халогенният атом е по-близо. Ако има многократно свързване, тогава броят започва точно с него, а не със заместителя, изтеглящ електрони.
2. Името Hal е посочено в префикса и трябва да се посочи и номерът на въглеродния атом, от който той се отклонява.
3. Последната стъпка дава името на основната верига от атоми (или пръстен).

Пример за подобно име: CH₂= СН-СНС1₂ - 3-дихлоропропен-1.

Името може да бъде дадено и върху рационалната номенклатура. В този случай името на радикала се произнася, а след това и халогенът с наставката. Пример: СН₃-СН₂-СН₂Br е пропилбромид.

Подобно на други класове органични съединения, халогенираните въглеводороди имат специална структура. Това позволява на много представители да определят исторически образувани имена. Например, CF флуоровъглерод₃CBrClH. Наличието на три халогени в състава на молекулата дава на това вещество специални свойства. Използва се в медицината, така че често се използва исторически образувано име.

Методи на синтез

Методите за производство на халогенирани въглеводороди са доста различни. Има пет основни метода за синтезиране на тези съединения в лабораторията и промишлеността.

1. Халогениране на нормални въглеводороди с нормална структура. Обща реакционна схема: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Характеристиките на процеса са следните: с хлор и бром, е необходимо ултравиолетово облъчване, а с йода реакцията е практически невъзможна или много бавна. С флуор взаимодействието е твърде активно, така че не можете да използвате този халоген в чиста форма. Освен това, при халогениране на ароматни производни е необходимо да се използват специални катализатори на Люисова киселина. Например, желязо или алуминиев хлорид.
2. Производството на халогенирани въглеводороди също се извършва чрез хидрохалогениране. За това обаче, изходното съединение задължително трябва да бъде ненаситен въглеводород. Пример: R = R-R + HHal-R-R-RHal. Най-често това електрофилно добавяне се използва за получаване на хлороетилен или винилхлорид, тъй като това съединение е важен суров материал за промишлени синтези.
3. Ефектът на хидрохалоген върху алкохоли. Обща форма на реакцията: R-OH + HHal-R-Hal + H₂О. Специална особеност е задължителното наличие на катализатор. Примери за ускорители на процеса, които могат да бъдат използвани са: фосфор, сяра, цинк или железен хлорид, сярна киселина, разтвор цинков хлорид в солна киселина - реагента на Lucas.
4. Декарбоксилиране на кисели соли с окислител. Друго име на метода е реакцията на Borodin-Hunsdikker. Същността се състои в отделянето на молекулата на въглеродния диоксид от сребърните деривати карбоксилни киселини когато е изложен на окислител - халоген. В резултат на това се образуват халогенирани въглеводороди. Реакциите в общата форма изглеждат така: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Синтез на халоформите. С други думи, това е производството на трихалогенирани метанови производни. Най-простият начин за тяхното получаване е да се приложи ацетал към алкален разтвор на халоген. В резултат на това се образуват халоген-образуващи молекули. Халогенираните ароматни въглеводороди се синтезират по същия начин в промишлеността.

Особено внимание трябва да се обърне на синтеза на ненаситени представители на въпросния клас. Основният метод е ефектът върху алкените на солите на живака и медта 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 страничната верига. Това са важни промишлени продукти, защото се използват като инсектициди в селското стопанство.

Физични свойства

Физични свойства халогенираните въглеводороди директно зависят от структурата на молекулата. При точката на кипене и точката на топене агрегатното състояние се влияе от броя на въглеродните атоми във веригата и възможните отклонения от страната. Колкото повече от тях, толкова по-високи са числата. По принцип физическите параметри могат да се характеризират в няколко точки.

1. Агрегатно състояние: първите по-ниски представители са газове, последвано от С₁₂ - течности, над твърди вещества.
2. Те имат остра, неприятна, специфична миризма, почти всички представители.
3. Много слабо разтворими във вода, но сами - отлични разтворители. В органичните съединения се разтварят много добре.
4. Точките на кипене и топене се увеличават с броя на въглеродните атоми в главната верига.
5. Всички съединения с изключение на флуоридни производни са по-тежки от водата.
6. Колкото повече клонове в главната верига, толкова по-ниска е температурата на кипене на веществото.

Трудно е да се идентифицират много подобни прилики, тъй като представителите се различават значително по състав и структура. Поради това е по-добре да се дадат стойности за всяко отделно съединение от дадена серия от въглеводороди.

Химични свойства

Един от най-важните параметри, който задължително се взема предвид в химическата промишленост и реакциите на синтез, са химическите свойства на халогенираните въглеводороди. Те не са еднакви за всички представители, тъй като съществуват редица причини за разликата.

1. Структурата на въглеродната верига. Най-простите реакции на заместване (нуклеофилен тип) се срещат в вторични и третични халоалкили.
2. Формата на халогенния атом също е важна. Връзката между въглерода и Hal е силно поляризирана, което осигурява лесна скъсване с освобождаването на свободните радикали. Обаче, най-лесната връзка е точно между йода и въглерода, което се обяснява с естествената промяна (намаление) на свързващата енергия в серията: F-Cl-Br-I.
3. Наличие на ароматен радикал или множество връзки.
4. Структурата и разклоняването на самия радикал.

Като цяло халогеноалкилите най-добре се използват за реакция специфично към нуклеофилно заместване. В крайна сметка частично положителен заряд се концентрира върху въглеродния атом след разрушаване на връзката с халоген. Това позволява на радикала като цяло да се превърне в акцептор на електронно отрицателните частици. Например:

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

Това обяснява факта, че халогенираните въглеводороди могат да се превърнат в практически всеки клас органични съединения, е необходимо само да се избере подходящ реагент, който да осигури желаната функционална група.

Като цяло, може да се каже, че химическите свойства на халогенираните въглеводороди са способността да влязат в следните взаимодействия.

1. С нуклеофилни частици от всякакъв вид - реакции на заместване. В резултат на това можете да получите: алкохоли, прости и естери нитро съединения, амини, нитрили, карбоксилни киселини.
2. Елиминиране или реакции на дехидрохалогениране. В резултат на действието на разтвор на алкален алкохол, молекулата на халогенен водород се разцепва. Така се образува алкени, нискомолекулни странични продукти - сол и вода. Примерна реакция: СН₃-СН₂-СН₂-СН₂Br + NaOH _{(Алкохол)} → CH₃-СН₂-CH = CH₂ + NaBr + Н₂О_. Тези процеси са един от основните методи за синтез на важни алкени. Процесът винаги е придружен от високи температури.
3. Приготвяне на алкани с нормална структура по метода на Würz синтез. Същността на реакцията се състои в излагане на халогениран въглеводород (две молекули) с метален натрий. Като силно електропозитивен йон, натрият приема халогенни атоми от съединението. В резултат освободените въглеводородни радикали се затварят заедно чрез връзка, образувайки алкан с нова структура. Пример: CH₃-СН₂Cl + CH₃-СН₂Cl + 2Na → CH₃-СН₂-СН₂-СН₃ + 2NaCl.
   
4. Синтез на хомолози на ароматни въглеводороди по Friedel-Crafts метод. Същността на процеса е в действието на бензен с халоалкил в присъствието на алуминиев хлорид. В резултат на реакцията на заместване възниква образуването на толуен и хлороводород. В този случай е необходимо наличието на катализатор. В допълнение към самия бензол е възможно също така да се окисляват неговите хомолози по този начин.
5. Подготовка на Greniard течност. Този реагент е халогениран въглеводород с магнезиев йон в състава. Първоначално металният магнезий в етера е изложен на халоалкиловото производно. В резултат на това се образува комплексно съединение с обща формула RMgHal, означено като реагент на Гренняр.
6. Реакция на редукцията до алкан (алкен, арен). Извършват се под въздействието на водород. В резултат на това се образува въглеводород и страничен продукт, халогеноводород. Пример в обща форма: R-Hal + H₂ → R-H + HHal.

Това са основните взаимодействия, в които лесно могат да влизат халогенни производни на въглеводороди от различни структури. Разбира се, има конкретни реакции, които трябва да се вземат под внимание за всеки конкретен представител.

Изомеризъм на молекулите

Изомеризмът на халогенираните въглеводороди е съвсем естествен. Известно е, че колкото повече въглеродни атоми във веригата, толкова по-голям е броят на изомерните форми. В допълнение, ненаситените представители имат множество връзки, което също води до появата на изомери.

Можем да различим два основни сорта на този феномен за този клас съединения.

1. Изомеризъм на въглеродния скелет на радикала и гръбнака. Това също така включва позицията на множествената връзка, ако тя съществува в молекулата. Както при обикновените въглеводороди, като се започне от третия представител, е възможно да се напишат формулите на съединенията, имащи идентични молекули, но с различни структурни формули. Освен това, броят на изомерни форми на един порядък по-високи от съответните алкани (алкени, алкини, арени и т.н.) до халогенни въглеводороди.
2. Позицията на халоген в молекулата. Неговото място в заглавието е обозначено с цифра и дори ако се променя само с една, свойствата на тези изомери ще бъдат напълно различни.

Това не е въпрос на пространствен изомеризъм, тъй като халогенните атоми правят това невъзможно. Подобно на всички други органични съединения, халоген-алкиловите изомери се различават не само по структура, но и по отношение на техните физични и химични характеристики.

Производни на ненаситени въглеводороди

Разбира се, има много такива връзки. Обаче ние се интересуваме от халогенните производни на ненаситените въглеводороди. Те могат да бъдат разделени на три основни групи.

1. Винил - когато атолът Hal се намира директно на въглеродния атом на множествена връзка. Молекула Пример: CH₂= CCL_2.
2. С изолирана позиция. Халогенен атом и множествена връзка са разположени в противоположни части на молекулата. Пример: СН₂= СН-СН₂-СН₂-Cl.
3. Алилови производни - халогенен атом се намира до двойна връзка чрез един въглероден атом, т.е. е в алфа позиция. Пример: СН₂= СН-СН₂-CL.

От особено значение е съединение, като винилхлорид СН₂= CHCL. Той е способен на реакции на полимеризация с образуването на важни продукти, като изолационни материали, водоустойчиви тъкани и т.н.

Друг представител на ненаситени халогенни производни е хлоропренът. Формулата му е СН2 = СС1-СН = СН2. Това съединение е изходен материал за синтез на ценни видове каучук, които се различават по отношение на огнеустойчивостта, дългия експлоатационен живот, лошата пропускливост на газовете.

Тетрафлуоретилен (или тефлон) е полимер, който има качествени технически параметри. Използва се за производство на ценно покритие на технически части, съдове, различни уреди. Формула - КФ₂= CF₂.

Ароматни въглеводороди и техните производни

Ароматни са тези съединения, които включват бензенов пръстен. Сред тях има и цяла група халогенни производни. Ние можем да различим два основни вида в структурата.

1. Ако атолът Hal е директно свързан към ядрото, т.е. ароматния пръстен, тогава съединенията обикновено се наричат ​​халоорни.
2. Халогенният атом не е свързан към пръстена, а към страничната верига на атомите, т.е. към радикала, който се простира в страничния клон. Такива съединения се наричат ​​арилалкил халиди.

Сред разглежданите вещества могат да бъдат посочени няколко представители с най-голямо практическо значение.

1. Хексахлорбензенът - С₆Cl₆. От началото на 20-ти век се използва като силен фунгицид, както и като инсектицид. Има добър дезинфекционен ефект, така че е бил използван за отглеждане на семена преди събиране на реколтата. Има неприятна миризма, течността е доста каустик, прозрачна, може да предизвика сълзливост.
2. Бензил С бензил бромид₆Н₅СН₂Бр. Използва се като важен реагент при синтеза на органометални съединения.
3. Хлорбензен С₆Н₅CL. Течно безцветно вещество със специфична миризма. Използва се в производството на бои, пестициди. Той е един от най-добрите органични разтворители.

Използване в индустрията

Халогенираните въглеводороди са широко използвани в индустрията и химическия синтез. Вече говорихме за ненаситени и ароматни представители. Сега ще определим като цяло областите на използване на всички съединения от тази серия.

1. В строителството.
2. Като разтворители.
3. В производството на текстил, каучук, каучук, бои, полимерни материали.
4. За синтеза на много органични съединения.
5. Флуоридните производни (фреони) са хладилни агенти в хладилните инсталации.
6. Те се използват като пестициди, инсектициди, фунгициди, масла, сухи масла, смоли, лубриканти.
7. Отидете при производството на изолационни материали и др.