Halogeenitud süsivesinikud: tootmine, keemilised omadused, kasutamine

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 05:24

Süsivesinikud on väga suur orgaaniliste ühendite klass. Need hõlmavad mitut peamist ainerühma, millest peaaegu kõiki kasutatakse laialdaselt tööstuses, igapäevaelus ja looduses. Eriti olulised on halogeenitud süsivesinikud, mida käsitletakse artiklis. Need ei ole mitte ainult suure tööstusliku tähtsusega, vaid on ka oluliseks tooraineks paljude keemiliste sünteeside, ravimite ja muude oluliste ühendite saamiseks. Pöörame erilist tähelepanu nende molekulide struktuurile, omadustele ja muudele omadustele.

Halogeenitud süsivesinikud: üldised omadused

Keemiateaduse seisukoh alt kuuluvad sellesse ühendite klassi kõik need süsivesinikud, milles üks või mitu vesinikuaatomit on asendatud ühe või teise halogeeniga. See on väga lai ainete kategooria, kuna neil on suur tööstuslik tähtsus. Üsna lühikest aega inimesedõppinud sünteesima peaaegu kõiki süsivesinike halogeenderivaate, mille kasutamine on vajalik meditsiinis, keemiatööstuses, toiduainetööstuses ja igapäevaelus.

Peamine meetod nende ühendite saamiseks on sünteesimine laboris ja tööstuses, kuna peaaegu ühtegi neist ei esine looduses. Halogeeni aatomi olemasolu tõttu on need väga reaktsioonivõimelised. See määrab suuresti nende kasutusala keemilistes sünteesides vaheühenditena.

Kuna halogeenitud süsivesinike esindajaid on palju, on tavaks neid klassifitseerida erinevate kriteeriumide järgi. See põhineb nii ahela struktuuril kui ka sidemete paljususel ning halogeeniaatomite erinevusel ja nende asukohal.

Süsivesinike halogeenderivaadid: klassifikatsioon

Esimene eraldamisvõimalus põhineb üldtunnustatud põhimõtetel, mis kehtivad kõigi orgaaniliste ühendite puhul. Klassifikatsiooni aluseks on süsinikahela tüübi erinevus, selle tsüklilisus. Selle põhjal eristavad nad:

• halogeenitud süsivesinike sisaldus piiratud;
• piiramatu;
• aromaatne;
• alifaatne;
• atsükliline.

Järgmine jaotus põhineb halogeeniaatomi tüübil ja selle kvantitatiivsel sisaldusel molekulis. Niisiis, eraldage:

• monotuletised;
• diderivaadid;
• kolm-;
• tetra-;
• penta tuletised ja nii edasi.

Kui räägime halogeeni tüübist, siis alarühma nimi koosneb kahest sõnast. Näiteks monokloroderivaat,trijoodi derivaat, tetrabromohaloalkeen ja nii edasi.

On olemas ka teine klassifitseerimisvõimalus, mille järgi eraldatakse peamiselt küllastunud süsivesinike halogeenderivaadid. See on süsinikuaatomi arv, millega halogeen on seotud. Niisiis, eraldage:

• esmane tuletisinstrument;
• sekundaarne;
• kolmandaaste ja nii edasi.

Iga konkreetse esindaja saab järjestada kõigi märkide järgi ja määrata täieliku koha orgaaniliste ühendite süsteemis. Näiteks ühend koostisega CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3saab liigitada nii. See on penteeni küllastumata alifaatne trikloroderivaat.}

Molekuli struktuur

Halogeeni aatomite olemasolu ei saa mõjutada nii molekuli füüsikalisi ja keemilisi omadusi kui ka üldisi omadusi. Selle ühendite klassi üldvalem on R-Hal, kus R on mis tahes struktuuriga vaba süsivesiniku radikaal ja Hal on halogeeniaatom, üks või mitu. Side süsiniku ja halogeeni vahel on tugev alt polariseeritud, mille tulemusena on molekulil tervikuna kaks mõju:

• negatiivne induktiivne;
• mesomeerne positiivne.

Esimene neist on palju rohkem väljendunud, nii et Hal-aatomil on alati elektrone eemaldava asendaja omadused.

Muidu ei erine kõik molekuli struktuuriomadused tavaliste süsivesinike omadest. Omadused on seletatavad ahela ja selle struktuurigahargnemine, süsinikuaatomite arv, aromaatsete tunnuste tugevus.

Süsivesinike halogeenderivaatide nomenklatuur väärib erilist tähelepanu. Mis on nende ühenduste õige nimetus? Selleks peate järgima mõnda reeglit.

1. Ahela nummerdamine algab halogeeniaatomile lähimast servast. Kui on olemas mõni mitmikside, algab loendus sellest, mitte elektrone eemaldavast asendajast.
2. Eesliites on märgitud nimi Hal, samuti tuleks märkida süsinikuaatomi number, millest see lahkub.
3. Viimane samm on aatomite (või tsükli) põhiahela nimetamine.

Sarnase nimetuse näide: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dikloropropeen-1.

Samuti võib nime anda ratsionaalse nomenklatuuri järgi. Sel juhul hääldatakse radikaali nimi ja seejärel halogeeni nimi sufiksiga -id. Näide: CH₃-CH₂-CH₂Br - propüülbromiid.

Nagu ka teistel orgaaniliste ühendite klassidel, on halogeenitud süsivesinikel eriline struktuur. See võimaldab paljusid esindajaid tähistada ajalooliste nimedega. Näiteks halotaan CF₃CBrClH. Kolme halogeeni olemasolu korraga molekuli koostises annab sellele ainele erilised omadused. Seda kasutatakse meditsiinis, seetõttu kasutatakse seda ajaloolist nimetust kõige sagedamini.

Sünteesimeetodid

Süsivesinike halogeenderivaatide saamise meetoditest piisabvaheldusrikas. Nende ühendite sünteesimiseks laboris ja tööstuses on viis peamist meetodit.

1. Tavaliste normaalsete süsivesinike halogeenimine. Üldine reaktsiooniskeem: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Protsessi tunnused on järgmised: kloori ja broomi puhul on vajalik ultraviolettkiirgus, joodiga on reaktsioon peaaegu võimatu või väga aeglane. Koostoime fluoriga on liiga aktiivne, seetõttu ei saa seda halogeeni puhtal kujul kasutada. Lisaks on aromaatsete derivaatide halogeenimisel vaja kasutada spetsiaalseid protsessikatalüsaatoreid - Lewise happeid. Näiteks raud- või alumiiniumkloriid.
2. Süsivesinike halogeenderivaatide saamine toimub samuti hüdrohalogeenimise teel. Selleks peab aga lähteühend olema küllastumata süsivesinik. Näide: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Kõige sagedamini kasutatakse sellist elektrofiilset lisamist klooretüleeni või vinüülkloriidi saamiseks, kuna see ühend on tööstusliku sünteesi jaoks oluline tooraine.
3. Süsinikuhalogeenide mõju alkoholidele. Reaktsiooni üldvaade: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Omapäraks on katalüsaatori kohustuslik olemasolu. Kasutatavad protsessikiirendid on näiteks fosfor-, väävel-, tsink- või raudkloriid, väävelhape, tsinkkloriidi lahus vesinikkloriidhappes – Lucase reaktiiv.
4. Happe soolade dekarboksüülimine oksüdeeriva ainega. Meetodi teine nimetus on Borodin-Hunsdiceri reaktsioon. Alumine rida on süsinikdioksiidi molekuli eemaldaminekarboksüülhapete hõbeda derivaatidest kokkupuutel oksüdeeriva ainega - halogeeniga. Selle tulemusena moodustuvad süsivesinike halogeenderivaadid. Reaktsioonid näevad üldiselt välja järgmised: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Halovormide süntees. Teisisõnu, see on metaani trihalogeenderivaatide tootmine. Lihtsaim viis nende valmistamiseks on atsetooni töötlemine halogeenide leeliselise lahusega. Selle tulemusena moodustuvad haloformmolekulid. Aromaatsete süsivesinike halogeenderivaate sünteesitakse tööstuses samal viisil.

Erilist tähelepanu tuleks pöörata vaadeldava klassi piiramatute esindajate sünteesile. Peamine meetod on alküünide töötlemine elavhõbeda ja vase sooladega halogeenide juuresolekul, mille tulemusel moodustub ahelas kaksiksidemega toode.

Aromaatsete süsivesinike halogeenderivaadid saadakse areenide või alküülareenide halogeenimisreaktsioonidel külgahelaks. Need on olulised tööstustooted, kuna neid kasutatakse põllumajanduses insektitsiididena.

Füüsikalised omadused

Süsivesinike halogeenderivaatide füüsikalised omadused sõltuvad otseselt molekuli struktuurist. Keemis- ja sulamistemperatuure, agregatsiooni olekut mõjutavad süsinikuaatomite arv ahelas ja võimalikud harud küljele. Mida rohkem neid, seda kõrgemad on hinded. Üldiselt on füüsikalisi parameetreid võimalik iseloomustada mitmes punktis.

1. Koondseisund: esimene madalaimesindajad - gaasid, pärast С₁₂ - vedelikud, ülal - tahked ained.
2. Peaaegu kõigil esindajatel on terav ebameeldiv spetsiifiline lõhn.
3. Vees väga halvasti lahustuv, kuid ise suurepärased lahustid. Need lahustuvad väga hästi orgaanilistes ühendites.
4. Keemis- ja sulamistemperatuurid suurenevad koos süsinikuaatomite arvuga peaahelas.
5. Kõik ühendid, välja arvatud fluori derivaadid, on veest raskemad.
6. Mida rohkem harusid peaahelas, seda madalam on aine keemistemperatuur.

Palju ühiseid sarnasusi on raske tuvastada, sest esindajad erinevad suuresti nii koostise kui ka struktuuri poolest. Seetõttu on parem anda iga konkreetse ühendi väärtused antud süsivesinike seeriast.

Keemilised omadused

Üks olulisemaid parameetreid, millega keemiatööstuses ja sünteesireaktsioonides tuleb arvestada, on halogeenitud süsivesinike keemilised omadused. Need ei ole kõigi esindajate jaoks ühesugused, kuna erinevusel on mitu põhjust.

1. Süsinikuahela struktuur. Kõige lihtsamad asendusreaktsioonid (nukleofiilset tüüpi) toimuvad sekundaarsete ja tertsiaarsete haloalküülidega.
2. Oluline on ka halogeeniaatomi tüüp. Side süsiniku ja Hal vahel on tugev alt polariseeritud, mis muudab selle purunemise vabade radikaalide vabanemisega hõlpsaks. Kõige kergemini katkeb aga side joodi ja süsiniku vahel, mis on seletatav sideme energia korrapärase muutumisega (vähenemisega) reas: F-Cl-Br-I.
3. Aromaatsete ainete olemasoluradikaalsed või mitmekordsed sidemed.
4. Radikali enda struktuur ja hargnemine.

Üldiselt reageerivad halogeenitud alküülrühmad kõige paremini nukleofiilse asendusega. Süsinikuaatomile koondub ju osaliselt positiivne laeng pärast sideme katkemist halogeeniga. See võimaldab radikaalil tervikuna saada elektronegatiivsete osakeste vastuvõtjaks. Näiteks:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• EI₂^-;
• CN^- ja teised.

See seletab tõsiasja, et süsivesinike halogeenderivaatidelt on võimalik liikuda peaaegu iga orgaaniliste ühendite klassini, peate lihts alt valima sobiva reaktiivi, mis tagab soovitud funktsionaalrühma.

Üldiselt võime öelda, et süsivesinike halogeenderivaatide keemilised omadused on võimed esineda järgmistes vastasmõjudes.

1. Erinevate nukleofiilsete osakestega – asendusreaktsioonid. Tulemuseks võivad olla alkoholid, eetrid ja estrid, nitroühendid, amiinid, nitriilid, karboksüülhapped.
2. Eminaal- või dehüdrohalogeenimisreaktsioonid. Leelise alkoholilahusega kokkupuutel lõhustatakse vesinikhalogeniidi molekul. Nii tekib alkeen, madala molekulmassiga kõrvalsaadused – sool ja vesi. Reaktsiooninäide: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alkohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Need protsessid on üks peamisi viise oluliste alkeenide sünteesimiseks. Protsessiga kaasneb alati kõrge temperatuur.
3. Normaalse struktuuriga alkaanide saamine Wurtzi sünteesimeetodil. Reaktsiooni põhiolemus on mõju halogeeniga asendatud süsivesinikule (kaks molekuli) metallilise naatriumiga. Tugev alt elektropositiivse ioonina võtab naatrium vastu ühendist halogeeniaatomeid. Selle tulemusena on vabanenud süsivesinikradikaalid omavahel seotud sidemega, moodustades uue struktuuriga alkaani. Näide: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Aromaatsete süsivesinike homoloogide süntees Friedel-Craftsi meetodil. Protsessi põhiolemus on haloalküüli toime benseenile alumiiniumkloriidi juuresolekul. Asendusreaktsiooni tulemusena moodustub tolueen ja vesinikkloriid. Sel juhul on vajalik katalüsaatori olemasolu. Lisaks benseenile endale saab sel viisil oksüdeerida ka selle homolooge.
5. Greignardi vedeliku hankimine. See reaktiiv on halogeeniga asendatud süsivesinik, mille koostises on magneesiumiioon. Algselt toimib eetris sisalduv metalliline magneesium haloalküülderivaadile. Selle tulemusena moodustub kompleksühend üldvalemiga RMgHal, mida nimetatakse Greignardi reagendiks.
6. Reaktsioonid alkaaniks (alkeen, areen). Teostatakse vesinikuga kokkupuutel. Selle tulemusena moodustub süsivesinik ja kõrvalsaadus vesinikhalogeniid. Üldine näide: R-Hal + H₂ → R-H + HHal.

Need on peamised interaktsioonid, milleserineva struktuuriga süsivesinike halogeenderivaadid on võimelised kergesti sisenema. Loomulikult tuleb iga esindaja puhul arvestada konkreetsete reaktsioonidega.

Molekulide isomeeria

Halogeenitud süsivesinike isomeeria on üsna loomulik nähtus. On ju teada, et mida rohkem on ahelas süsinikuaatomeid, seda suurem on isomeersete vormide arv. Lisaks on küllastumata esindajatel mitu sidet, mis põhjustab ka isomeeride ilmumist.

Selle ühendite klassi puhul on sellel nähtusel kaks peamist varianti.

1. Radikaali ja peaahela süsinikskeleti isomeeria. See hõlmab ka mitmiksideme asukohta, kui see molekulis on olemas. Nagu lihtsate süsivesinike puhul, saab alates kolmandast esindajast kirjutada ühendite valemeid, millel on identsed molekulaarsed, kuid erinevad struktuurivalemite avaldised. Lisaks on halogeenasendatud süsivesinike isomeersete vormide arv suurusjärgu võrra suurem kui nende vastavate alkaanide (alkeenide, alküünide, areenide jne) puhul.
2. Halogeeni asukoht molekulis. Selle koht nimes on tähistatud numbriga ja isegi kui see muutub ainult ühe võrra, on selliste isomeeride omadused juba täiesti erinevad.

Ruumiline isomeeria ei tule siin kõne allagi, sest halogeeniaatomid muudavad selle võimatuks. Nagu kõik teised orgaanilised ühendid, erinevad haloalküülisomeerid mitte ainult struktuuri, vaid ka füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest.omadused.

Küllastumata süsivesinike derivaadid

Selliseid seoseid on muidugi palju. Siiski oleme huvitatud küllastumata süsivesinike halogeenderivaatidest. Neid saab jagada ka kolme põhirühma.

1. Vinüül – kui Hal-aatom asub otse mitmiksideme süsinikuaatomi juures. Molekuli näide: CH₂=CCL_2.
2. Isoleeritud asendiga. Halogeeniaatom ja mitmikside asuvad molekuli vastassuunas. Näide: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Allüülderivaadid - halogeeni aatom paikneb kaksiksidemega ühe süsinikuaatomi kaudu, st on alfa-asendis. Näide: CH₂=CH-CH₂-CL.

Eriti oluline on vinüülkloriid CH₂=CHCL. See on võimeline polümerisatsioonireaktsioonides moodustama olulisi tooteid, nagu isolatsioonimaterjalid, veekindlad kangad ja palju muud.

Küllastumata halogeenderivaatide teine esindaja on kloropreen. Selle valem on CH2=CCL-CH=CH2. See ühend on tooraineks väärtuslike kummitüüpide sünteesimiseks, mida eristavad tulekindlus, pikk kasutusiga ja halb gaasi läbilaskvus.

Tetrafluoroetüleen (või teflon) on polümeer, millel on kvaliteetsed tehnilised parameetrid. Seda kasutatakse tehniliste osade, riistade, erinevate seadmete väärtusliku katte valmistamiseks. Valem – CF₂=CF₂.

Aromaatnesüsivesinikud ja nende derivaadid

Aromaatsed ühendid on need ühendid, mis sisaldavad benseenitsüklit. Nende hulgas on ka terve rühm halogeeni derivaate. Nende struktuuri järgi saab eristada kahte peamist tüüpi.

1. Kui Hal-aatom on seotud otse tuumaga, st aromaatse ringiga, nimetatakse ühendeid haloareenideks.
2. Halogeeni aatom ei ole ühendatud tsükliga, vaid aatomite külgahelaga, see tähendab külgharule mineva radikaaliga. Selliseid ühendeid nimetatakse arüülalküülhalogeniidideks.

Vaatatavate ainete hulgas on mitu praktilise tähtsusega esindajat.

1. Heksaklorobenseen - C₆Cl₆. Alates 20. sajandi algusest on seda kasutatud tugeva fungitsiidina, samuti putukamürgina. Sellel on hea desinfitseeriv toime, seetõttu kasutati seda enne külvi seemnete korrastamiseks. Sellel on ebameeldiv lõhn, vedelik on üsna söövitav, läbipaistev ja võib põhjustada pisaravoolu.
2. Bensüülbromiid С₆Н₅CH₂Br. Kasutatakse olulise reagendina metallorgaaniliste ühendite sünteesil.
3. Klorobenseen C₆H₅CL. Vedel värvitu spetsiifilise lõhnaga aine. Seda kasutatakse värvainete, pestitsiidide tootmisel. See on üks parimaid orgaanilisi lahusteid.

Tööstuslik kasutamine

Süsivesinike halogeenderivaate kasutatakse tööstuses ja keemilises sünteesisväga lai. Oleme juba rääkinud küllastumata ja aromaatsetest esindajatest. Nüüd tähistame üldiselt kõigi selle seeria ühendite kasutusalasid.

1. Ehitusel.
2. lahustitena.
3. Ranga, kummi, kummide, värvainete, polümeermaterjalide tootmisel.
4. Paljude orgaaniliste ühendite sünteesiks.
5. Fluori derivaadid (freoonid) on külmutusseadmetes kasutatavad külmutusagensid.
6. Kasutatakse pestitsiidide, insektitsiidide, fungitsiidide, õlide, kuivatusõlide, vaikude, määrdeainetena.
7. Minge isoleermaterjalide jms tootmise juurde