Halogenētie ogļūdeņraži: ražošana, ķīmiskās īpašības, pielietojums

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 05:35

Ogļūdeņraži ir ļoti liela organisko savienojumu klase. Tie ietver vairākas galvenās vielu grupas, no kurām gandrīz katra tiek plaši izmantota rūpniecībā, sadzīvē un dabā. Īpaši svarīgi ir halogenētie ogļūdeņraži, kas tiks apspriesti rakstā. Tiem ir ne tikai augsta rūpnieciskā nozīme, bet arī svarīgas izejvielas daudzām ķīmiskajām sintēzēm, medikamentu un citu svarīgu savienojumu iegūšanai. Īpašu uzmanību pievērsīsim to molekulu struktūrai, īpašībām un citām pazīmēm.

Halogenētie ogļūdeņraži: vispārīgie raksturlielumi

No ķīmijas zinātnes viedokļa šajā savienojumu klasē ietilpst visi tie ogļūdeņraži, kuros viens vai vairāki ūdeņraža atomi ir aizstāti ar vienu vai otru halogēnu. Šī ir ļoti plaša vielu kategorija, jo tām ir liela rūpnieciskā nozīme. Diezgan īsu laiku cilvēkiiemācījušies sintezēt gandrīz visus ogļūdeņražu halogēnu atvasinājumus, kuru izmantošana ir nepieciešama medicīnā, ķīmiskajā rūpniecībā, pārtikas rūpniecībā un ikdienā.

Galvenā metode šo savienojumu iegūšanai ir sintētiskais ceļš laboratorijā un rūpniecībā, jo dabā gandrīz neviens no tiem nav sastopams. Halogēna atoma klātbūtnes dēļ tie ir ļoti reaģējoši. Tas lielā mērā nosaka to pielietojuma apjomu ķīmiskajā sintēzē kā starpproduktu.

Tā kā halogenētajiem ogļūdeņražiem ir daudz pārstāvju, ir ierasts tos klasificēt pēc dažādiem kritērijiem. Tā pamatā ir gan ķēdes struktūra, gan saišu daudzveidība, gan halogēna atomu atšķirības un to novietojums.

Ogļūdeņražu halogēna atvasinājumi: klasifikācija

Pirmā atdalīšanas iespēja ir balstīta uz vispārpieņemtiem principiem, kas attiecas uz visiem organiskajiem savienojumiem. Klasifikācijas pamatā ir oglekļa ķēdes veida atšķirības, tās cikliskums. Pamatojoties uz to, viņi izšķir:

• ierobežots halogenēto ogļūdeņražu daudzums;
• neierobežots;
• aromātisks;
• alifātisks;
• aciklisks.

Šis sadalījums ir balstīts uz halogēna atoma veidu un tā kvantitatīvo saturu molekulā. Tātad, piešķiriet:

• mono atvasinājumi;
• divasinājumi;
• trīs-;
• tetra-;
• penta atvasinājumi un tā tālāk.

Ja runājam par halogēna veidu, tad apakšgrupas nosaukums sastāv no diviem vārdiem. Piemēram, monohloratvasinājums,trijoda atvasinājums, tetrabromhaloalkēns un tā tālāk.

Ir arī cita klasifikācijas iespēja, saskaņā ar kuru galvenokārt tiek atdalīti piesātināto ogļūdeņražu halogēna atvasinājumi. Tas ir oglekļa atoma numurs, pie kura ir pievienots halogēns. Tātad, piešķiriet:

• primārie atvasinājumi;
• sekundārais;
• terciary un tā tālāk.

Katrs konkrēts pārstāvis var tikt sarindots pēc visām zīmēm un noteikt pilnu vietu organisko savienojumu sistēmā. Tā, piemēram, savienojums ar sastāvu CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3var klasificēt šādi. Tas ir pentēna nepiesātināts alifātisks trihloratvasinājums.}

Molekulas struktūra

Halogēna atomu klātbūtne nevar ietekmēt gan molekulas fizikālās un ķīmiskās īpašības, gan vispārējās struktūras iezīmes. Šīs savienojumu klases vispārīgā formula ir R-Hal, kur R ir jebkuras struktūras brīvais ogļūdeņraža radikālis, un Hal ir halogēna atoms, viens vai vairāki. Saite starp oglekli un halogēnu ir stipri polarizēta, kā rezultātā molekula kopumā ir pakļauta diviem efektiem:

• negatīvs induktīvs;
• mezomeriski pozitīvs.

Pirmais no tiem ir daudz izteiktāks, tāpēc Hal atomam vienmēr piemīt elektronus izvadoša aizvietotāja īpašības.

Citādi visas molekulas strukturālās iezīmes neatšķiras no parastajiem ogļūdeņražiem. Īpašības ir izskaidrojamas ar ķēdes uzbūvi un tāssazarojums, oglekļa atomu skaits, aromātisko īpašību stiprums.

Ogļūdeņražu halogēnu atvasinājumu nomenklatūra ir pelnījusi īpašu uzmanību. Kāds ir šo savienojumu pareizais nosaukums? Lai to izdarītu, jums ir jāievēro daži noteikumi.

1. Ķēdes numerācija sākas no malas, kas ir vistuvāk halogēna atomam. Ja ir kāda daudzkārtēja saite, tad atpakaļskaitīšana sākas no tās, nevis no elektronus izvelkošā aizvietotāja.
2. Nosaukums Hal ir norādīts prefiksā, jānorāda arī oglekļa atoma numurs, no kura tas atšķiras.
3. Pēdējais solis ir nosaukt galveno atomu ķēdi (vai gredzenu).

Līdzīga nosaukuma piemērs: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dihlorpropēns-1.

Arī nosaukumu var dot pēc racionālas nomenklatūras. Šajā gadījumā tiek izrunāts radikāļa nosaukums un pēc tam halogēna nosaukums ar sufiksu -id. Piemērs: CH₃-CH₂-CH₂Br - propilbromīds.

Tāpat kā citām organisko savienojumu klasēm, halogenētajiem ogļūdeņražiem ir īpaša struktūra. Tas ļauj daudzus pārstāvjus apzīmēt ar vēsturiskiem vārdiem. Piemēram, halotāns CF₃CBrClH. Trīs halogēnu klātbūtne molekulas sastāvā nodrošina šai vielai īpašas īpašības. To lieto medicīnā, tāpēc visbiežāk tiek lietots vēsturiskais nosaukums.

Sintēzes metodes

Ogļūdeņražu halogēnu atvasinājumu iegūšanas metodes ir pietiekamasdaudzveidīgs. Šo savienojumu sintēzei laboratorijā un rūpniecībā ir piecas galvenās metodes.

1. Parasto parasto ogļūdeņražu halogenēšana. Vispārējā reakcijas shēma: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Procesa iezīmes ir šādas: ar hloru un bromu ir nepieciešams ultravioletais apstarojums, ar jodu reakcija ir gandrīz neiespējama vai ļoti lēna. Mijiedarbība ar fluoru ir pārāk aktīva, tāpēc šo halogēnu nevar izmantot tīrā veidā. Turklāt, halogenējot aromātiskos atvasinājumus, nepieciešams izmantot īpašus procesa katalizatorus - Lūisa skābes. Piemēram, dzelzs vai alumīnija hlorīds.
2. Ogļūdeņražu halogēnu atvasinājumu iegūšana tiek veikta arī ar hidrohalogenēšanu. Tomēr šim izejas savienojumam obligāti jābūt nepiesātinātam ogļūdeņradim. Piemērs: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Visbiežāk šādu elektrofīlo pievienošanu izmanto hloretilēna vai vinilhlorīda iegūšanai, jo šis savienojums ir svarīgs rūpnieciskās sintēzes izejmateriāls.
3. Halogenu ietekme uz spirtiem. Reakcijas vispārīgais skats: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Īpašība ir obligāta katalizatora klātbūtne. Procesa paātrinātāju piemēri, kurus var izmantot, ir fosfora, sēra, cinka vai dzelzs hlorīdi, sērskābe, cinka hlorīda šķīdums sālsskābē - Lūkasa reaģents.
4. Skābju sāļu dekarboksilēšana ar oksidētāju. Vēl viens metodes nosaukums ir Borodina-Hunsdikera reakcija. Apakšējā līnija ir oglekļa dioksīda molekulas noņemšanano karbonskābju sudraba atvasinājumiem, pakļaujoties oksidētājam - halogēnam. Rezultātā veidojas ogļūdeņražu halogēna atvasinājumi. Reakcijas kopumā izskatās šādi: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Haloformu sintēze. Citiem vārdiem sakot, tā ir metāna trihalogēna atvasinājumu ražošana. Vienkāršākais veids, kā tos ražot, ir apstrādāt acetonu ar sārmainu halogēnu šķīdumu. Tā rezultātā veidojas haloformu molekulas. Aromātisko ogļūdeņražu halogēnu atvasinājumi rūpniecībā tiek sintezēti tādā pašā veidā.

Īpaša uzmanība jāpievērš neierobežotu aplūkojamās klases pārstāvju sintēzei. Galvenā metode ir alkīnu apstrāde ar dzīvsudraba un vara sāļiem halogēnu klātbūtnē, kā rezultātā veidojas produkts ar dubultsaiti ķēdē.

Aromātisko ogļūdeņražu halogēna atvasinājumus iegūst, halogenējot arēnus vai alkilarēnus sānu ķēdē. Tie ir svarīgi rūpniecības produkti, jo tos izmanto kā insekticīdus lauksaimniecībā.

Fizikālās īpašības

Ogļūdeņražu halogēna atvasinājumu fizikālās īpašības ir tieši atkarīgas no molekulas struktūras. Viršanas un kušanas punktus, agregācijas stāvokli ietekmē oglekļa atomu skaits ķēdē un iespējamie atzarojumi uz sāniem. Jo vairāk to, jo augstāki rādītāji. Kopumā fiziskos parametrus iespējams raksturot vairākos punktos.

1. Apkopotais stāvoklis: pirmais zemākaispārstāvji - gāzes, pēc С₁₂ - šķidrumi, augšā - cietās vielas.
2. Gandrīz visiem pārstāvjiem ir asa nepatīkama specifiska smaka.
3. Ļoti slikti šķīst ūdenī, bet paši lieliski šķīdinātāji. Tie ļoti labi šķīst organiskajos savienojumos.
4. Vārīšanās un kušanas temperatūra palielinās līdz ar oglekļa atomu skaitu galvenajā ķēdē.
5. Visi savienojumi, izņemot fluora atvasinājumus, ir smagāki par ūdeni.
6. Jo vairāk zaru galvenajā ķēdē, jo zemāka ir vielas viršanas temperatūra.

Daudz kopīgu līdzību ir grūti noteikt, jo pārstāvji ļoti atšķiras pēc sastāva un struktūras. Tāpēc labāk ir norādīt vērtības katram konkrētajam savienojumam no noteiktas ogļūdeņražu sērijas.

Ķīmiskās īpašības

Viens no svarīgākajiem parametriem, kas jāņem vērā ķīmiskajā rūpniecībā un sintēzes reakcijās, ir halogenēto ogļūdeņražu ķīmiskās īpašības. Tie nav vienādi visiem pārstāvjiem, jo atšķirībai ir vairāki iemesli.

1. Oglekļa ķēdes struktūra. Vienkāršākās aizvietošanas reakcijas (nukleofīlā tipa) notiek ar sekundārajiem un terciārajiem haloalkilgrupām.
2. Svarīgs ir arī halogēna atoma veids. Saite starp oglekli un Hal ir stipri polarizēta, kas ļauj to viegli pārraut, atbrīvojoties brīvajiem radikāļiem. Tomēr saite starp jodu un oglekli pārtrūkst visvieglāk, kas izskaidrojams ar regulārām saites enerģijas izmaiņām (samazināšanos) sērijā: F-Cl-Br-I.
3. Aromātiskā klātbūtneradikālas vai vairākas saites.
4. Paša radikāļa struktūra un atzarojums.

Kopumā halogenētie alkilgrupas vislabāk reaģē ar nukleofīlo aizstāšanu. Galu galā daļēji pozitīvs lādiņš koncentrējas uz oglekļa atomu pēc saites pārtraukšanas ar halogēnu. Tas ļauj radikālim kopumā kļūt par elektronnegatīvo daļiņu akceptoru. Piemēram:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NĒ₂^-;
• CN^- un citi.

Tas izskaidro faktu, ka no ogļūdeņražu halogēna atvasinājumiem ir iespējams pāriet uz gandrīz jebkuru organisko savienojumu klasi, tikai jāizvēlas atbilstošs reaģents, kas nodrošinās vēlamo funkcionālo grupu.

Kopumā mēs varam teikt, ka ogļūdeņražu halogēna atvasinājumu ķīmiskās īpašības ir spēja iesaistīties šādās mijiedarbībās.

1. Ar dažāda veida nukleofīlajām daļiņām - aizvietošanas reakcijām. Rezultāts var būt: spirti, ēteri un esteri, nitro savienojumi, amīni, nitrili, karbonskābes.
2. Izdalīšanās vai dehidrohalogenēšanas reakcijas. Sārmu spirta šķīduma iedarbības rezultātā tiek sadalīta ūdeņraža halogenīda molekula. Tā veidojas alkēns, zemas molekulmasas blakusprodukti – sāls un ūdens. Reakcijas piemērs: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(spirts) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Šie procesi ir viens no galvenajiem veidiem, kā sintezēt svarīgus alkēnus. Procesu vienmēr pavada augsta temperatūra.
3. Normālas struktūras alkānu iegūšana ar Wurtz sintēzes metodi. Reakcijas būtība ir ietekme uz halogēnu aizvietotu ogļūdeņradi (divas molekulas) ar metālisku nātriju. Kā stipri elektropozitīvs jons nātrijs no savienojuma pieņem halogēna atomus. Rezultātā atbrīvotie ogļūdeņraža radikāļi tiek savstarpēji saistīti ar saiti, veidojot jaunas struktūras alkānu. Piemērs: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Aromātisko ogļūdeņražu homologu sintēze pēc Frīdela-Kraftsa metodes. Procesa būtība ir haloalkilgrupas iedarbība uz benzolu alumīnija hlorīda klātbūtnē. Aizvietošanas reakcijas rezultātā veidojas toluols un hlorūdeņradis. Šajā gadījumā ir nepieciešama katalizatora klātbūtne. Papildus pašam benzolam šādā veidā var oksidēt arī tā homologus.
5. Greignard šķidruma iegūšana. Šis reaģents ir ar halogēnu aizvietots ogļūdeņradis ar magnija jonu sastāvā. Sākotnēji metāliskais magnijs ēterī iedarbojas uz haloalkilatvasinājumu. Rezultātā veidojas komplekss savienojums ar vispārīgo formulu RMgHal, ko sauc par Greināra reaģentu.
6. Reducēšanas reakcijas uz alkānu (alkēnu, arēnu). Veic, ja tiek pakļauts ūdeņraža iedarbībai. Rezultātā veidojas ogļūdeņradis un blakusprodukts halogenīds. Vispārīgs piemērs: R-Hal + H₂ → R-H + HHal.

Šīs ir galvenās mijiedarbības, kurāsviegli var iekļūt dažādas struktūras ogļūdeņražu halogēna atvasinājumi. Protams, ir konkrētas reakcijas, kas jāņem vērā katram pārstāvim atsevišķi.

Molekulu izomērija

Halogenēto ogļūdeņražu izomērija ir diezgan dabiska parādība. Galu galā ir zināms, ka jo vairāk oglekļa atomu ķēdē, jo lielāks ir izomēru formu skaits. Turklāt nepiesātinātajiem pārstāvjiem ir vairākas saites, kas arī izraisa izomēru parādīšanos.

Šai savienojumu klasei ir divi galvenie šīs parādības veidi.

1. Radikāla un galvenās ķēdes oglekļa skeleta izomērija. Tas ietver arī daudzkārtējās saites pozīciju, ja tā pastāv molekulā. Tāpat kā ar vienkāršiem ogļūdeņražiem, sākot no trešā pārstāvja, var rakstīt savienojumu formulas, kurām ir identiskas molekulārās, bet atšķirīgas strukturālās formulas izteiksmes. Turklāt ar halogēnu aizvietotajiem ogļūdeņražiem izomēru formu skaits ir par kārtu lielāks nekā tiem atbilstošajiem alkāniem (alkāniem, alkīniem, arēniem utt.).
2. Halogēna pozīcija molekulā. Tās vietu nosaukumā norāda ar skaitli, un pat ja tas mainās tikai par vienu, tad šādu izomēru īpašības jau būs pavisam citādas.

Par telpisko izomēriju šeit nevar runāt, jo halogēna atomi to padara neiespējamu. Tāpat kā visi citi organiskie savienojumi, haloalkilizomēri atšķiras ne tikai pēc struktūras, bet arī pēc fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām.īpašības.

Nepiesātināto ogļūdeņražu atvasinājumi

Tādu savienojumu, protams, ir daudz. Tomēr mūs interesē nepiesātināto ogļūdeņražu halogēna atvasinājumi. Tos var arī iedalīt trīs galvenajās grupās.

1. Vinils - ja Hal atoms atrodas tieši pie daudzkārtējās saites oglekļa atoma. Molekulas piemērs: CH₂=CCL_2.
2. Ar izolētu pozīciju. Halogēna atoms un daudzkārtējā saite atrodas pretējās molekulas daļās. Piemērs: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Alilatvasinājumi - halogēna atoms atrodas uz dubultsaiti caur vienu oglekļa atomu, tas ir, tas atrodas alfa pozīcijā. Piemērs: CH₂=CH-CH₂-CL.

Īpaši svarīgs ir vinilhlorīds CH₂=CHCL. Tas spēj veikt polimerizācijas reakcijas, veidojot svarīgus produktus, piemēram, izolācijas materiālus, ūdensnecaurlaidīgus audumus un citus.

Cits nepiesātināto halogēna atvasinājumu pārstāvis ir hloroprēns. Tā formula ir CH₂=CCL-CH=CH₂. Šis savienojums ir izejviela vērtīgu gumijas veidu sintēzei, kas izceļas ar ugunsizturību, ilgu kalpošanas laiku un sliktu gāzes caurlaidību.

Tetrafluoretilēns (vai teflons) ir polimērs, kam ir augstas kvalitātes tehniskie parametri. To izmanto tehnisko detaļu, piederumu, dažādu ierīču vērtīga pārklājuma ražošanai. Formula - CF₂=CF₂.

Aromātisksogļūdeņraži un to atvasinājumi

Aromātiskie savienojumi ir savienojumi, kas ietver benzola gredzenu. Starp tiem ir arī vesela grupa halogēna atvasinājumu. Pēc to struktūras var atšķirt divus galvenos veidus.

1. Ja Hal atoms ir tieši saistīts ar kodolu, tas ir, aromātisko gredzenu, tad savienojumus sauc par haloarēniem.
2. Halogēna atoms nav savienots ar gredzenu, bet gan ar atomu sānu ķēdi, tas ir, radikāli, kas iet uz sānu zaru. Šādus savienojumus sauc par arilalkilhalogenīdiem.

Starp aplūkotajām vielām ir vairāki pārstāvji ar vislielāko praktisko nozīmi.

1. Heksahlorbenzols - C₆Cl₆. Kopš 20. gadsimta sākuma to lieto kā spēcīgu fungicīdu, kā arī insekticīdu. Tam ir laba dezinficējoša iedarbība, tāpēc to izmantoja sēklu apstrādei pirms sēšanas. Tam ir nepatīkama smaka, šķidrums ir diezgan kodīgs, caurspīdīgs un var izraisīt asarošanu.
2. Benzilbromīds С₆Н₅CH₂Br. Izmanto kā svarīgu reaģentu metālorganisko savienojumu sintēzē.
3. Hlorbenzols C₆H₅CL. Šķidra bezkrāsaina viela ar specifisku smaržu. To izmanto krāsvielu, pesticīdu ražošanā. Tas ir viens no labākajiem organiskajiem šķīdinātājiem.

Rūpnieciskai lietošanai

Ogļūdeņražu halogēnu atvasinājumi tiek izmantoti rūpniecībā un ķīmiskajā sintēzēļoti plašs. Mēs jau runājām par nepiesātinātajiem un aromātiskajiem pārstāvjiem. Tagad apzīmēsim vispārīgi visu šīs sērijas savienojumu lietošanas jomas.

1. Būvniecībā.
2. Kā šķīdinātājus.
3. Audumu, gumijas, gumijas, krāsvielu, polimērmateriālu ražošanā.
4. Daudzu organisko savienojumu sintēzei.
5. Fluora atvasinājumi (freoni) ir aukstumnesēji saldēšanas iekārtās.
6. Izmanto kā pesticīdus, insekticīdus, fungicīdus, eļļas, žāvēšanas eļļas, sveķus, smērvielas.
7. Dodieties uz izolācijas materiālu ražošanu utt.