Галогенопроїзводниє вуглеводні: отримання, хімічні властивості, застосування

Вуглеводні - дуже великий клас сполук, що відносяться до органічних. Вони включають в себе кілька основних груп речовин, серед яких практично кожне знаходить широке застосування в промисловості, побуті, природі. Особливе значення мають галогенопроїзводниє вуглеводні, про які й піде мова в статті. Вони мають не тільки високу промислове значення, але і є важливою сировиною при безлічі хімічних сполук, які отриманні лікарських засобів і інших важливих сполук. Приділимо особливу увагу будовою їх молекул, властивостями та іншими особливостями.

Галогенопроїзводниє вуглеводні: загальна характеристика

З точки зору хімічної науки, до цього класу сполук належать всі ті вуглеводні, в яких один або кілька атомів водню заміщені на той чи інший галоген. Це дуже велика категорія речовин, так як вони мають важливе промислове значення. Протягом досить короткого часу люди навчилися синтезувати практично всі галогенопроїзводниє вуглеводнів, застосування яких необхідно в медицині, хімічній галузі, харчової промисловості та побуті.

Основний метод отримання даних сполук - це синтетичний шлях в лабораторії і промисловості, так як в природі практично жоден з них не зустрічається. Внаслідок наявності атома галогену вони володіють високою реакційною здатністю. Це багато в чому визначає області їх застосування в хімічних синтезах як проміжних продуктів.

Так як представників галогенопроїзводниє вуглеводні мають багато, прийнято класифікувати їх за різними ознаками. В основу лягає як будова ланцюга і кратність зв`язку, так і відмінність в атомах галогенів і місце їхнього економічного становища.

Галогенопроїзводниє вуглеводнів: класифікація

Перший варіант поділу заснований на загальноприйнятих принципах, які застосовуються для всіх органічних сполук. Класифікація заснована на різниці в типі вуглецевого ланцюга, її циклічності. За цією ознакою виділяють:

• граничні галогенопроїзводниє вуглеводні;
• ненасичені;
• ароматичні;
• алифатические;
• ациклічні.

Наступне поділ грунтується на вигляді атома галогену і його кількісний вміст у складі молекули. Так, виділяють:

• монопроізводние;
• діпроізводние;
• три-;
• тетра;
• пентапроізводние і так далі.

Якщо говорити про вид галогену, то тоді назва підгрупи складається з двох слів. Наприклад, монохлорпроізводное, трійодпроізводное, тетрабромгалогеналкен і так далі.

Також існує ще один варіант класифікації, по якому розділяються переважно галогенопроїзводниє граничних вуглеводнів. Це номер атома вуглецю, до якого приєднаний галоген. Так, виділяють:

• первинні похідні;
• вторинні;
• третинні і так далі.

Кожного конкретного представника можна ранжувати за всіма ознаками і визначити повне місце в системі органічних сполук. Так, наприклад, з`єднання зі складом СН₃ - СН₂-СН = СН-CCL₃ можна класифікувати так. Це неграничне алифатической тріхлорпроізводное пентена.

будова молекули

Наявність атомів галогену не може не позначитися як на фізичні і хімічні властивості, так і на загальних рисах будови молекули. Загальна формула для даного класу сполук має вигляд R-Hal, де R - вільний вуглеводневий радикал будь-якої будівлі, а Hal - атом галогену, один або кілька. Зв`язок між вуглецем і галогеном сильно поляризована, внаслідок чого молекула в цілому схильна до двох ефектів:

• негативний індуктивний;
• мезомерний позитивний.

При цьому перший з них виражений значно сильніше, тому атом Hal завжди проявляє властивості електроноакцепторних заступника.

В іншому все особливості будови молекули нічим не відрізняються від таких у звичайних вуглеводнів. Властивості пояснюються будовою ланцюга і її розгалуженістю, кількістю атомів вуглецю, силою ароматичних ознак.

На особливу увагу заслуговує номенклатура галогенопроізводних вуглеводнів. Як правильно слід називати ці сполуки? Для цього потрібно дотримуватися кількох правил.

1. Нумерація ланцюга починається з того краю, до якого ближче розташований атом галогену. Якщо ж є якась разова зв`язок, то відлік починається саме з неї, а не з електроноакцепторних заступника.
2. Назва Hal вказується в префікс, також слід вказувати номер атома вуглецю, від якого він відходить.
3. Останнім кроком дається назва основному ланцюзі атомів (або кільцю).

Приклад подібного назви: СН₂= СН-CHCL₂ - 3-діхлорпропен-1.

Також назва можна давати і по раціональної номенклатурі. В цьому випадку вимовляється найменування радикала, а потім - галогену з суфіксом -ід. Приклад: СН₃-СН₂-СН₂Br - пропілбромід.

Як і інші класи органічних сполук, галогенопроїзводниє вуглеводні будова мають особливе. Це дозволяє багатьох представників позначати історично склалися назвами. Наприклад, фторотан CF₃CBrClH. Наявність відразу трьох галогенів в складі молекули забезпечує даної речовини особливі властивості. Його застосовують в медицині, тому частіше користуються саме історично сформованим назвою.

способи синтезу

Способи отримання галогенопроізводних вуглеводнів досить різноманітні. Можна виділити п`ять основних методів синтезу даних сполук в лабораторії і промисловості.

Відео: Ненасичені вуглеводні. алкени

1. Галогенування звичайних вуглеводнів нормальної будови. Загальна схема реакції: R-H + Hal₂ R-Hal + HHal. Особливості протікання процесу полягають в наступному: з хлором і бромом обов`язково потрібно ультрафіолетове опромінення, з йодом реакція практично неможлива або дуже повільна. З фтором взаємодія занадто активне, тому використовувати даний галоген в чистому вигляді не можна. Крім того, при Галогенування ароматичних похідних потрібно використовувати особливі каталізатори процесу - кислоти Льюїса. Наприклад, хлорид заліза або алюмінію.
2. Отримання галогенопроізводних вуглеводнів здійснюється також шляхом гідрогалогенірованіе. Однак для цього вихідним з`єднанням обов`язково повинен бути неграничний вуглеводень. Приклад: R = R-R + HHal R-R-RHal. Найчастіше подібне електрофільне приєднання використовується для отримання хлоретілом або вінілхлориду, так як це з`єднання є важливою сировиною для промислових синтезів.
3. Вплив гідрогалогенов на спирти. Загальний вигляд реакції: R-OH + HHal R-Hal + H₂O. Особливістю є обов`язкова наявність каталізатора. Приклади прискорювачів процесу, які можна використовувати: хлориди фосфору, сірки, цинку або заліза, сірчана кислота, розчин хлориду цинку в соляній кислоті - реактив Лукаса.
4. Декарбоксилирование солей кислот при окисляє агента. Інша назва способу - реакція Бородіна-Хунсдіккера. Суть полягає в відщепленні молекули вуглекислого газу від срібних похідних карбонових кислот при впливі окисляє агента - галогену. В результаті утворюються галогенопроїзводниє вуглеводнів. Реакції в загальному вигляді виглядають так: R-COOAg + Hal R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Синтез галоформов. Іншими словами, це отримання трігалогенпроізводних метану. Найпростіший спосіб їх виробництва - вплив на ацетон лужним розчином галогенів. В результаті і відбувається формування галоформних молекул. Таким же способом синтезуються в промисловості галогенопроїзводниє ароматичних вуглеводнів.

Особливу увагу слід приділити синтезу ненасичених представників розглянутого класу. Основний метод - це вплив на Алкіни солями ртуті і міді в присутність галогенів, яке призводить до утворення продукту з подвійним зв`язком в ланцюзі.

Галогенопохідні ароматичних вуглеводнів виходять по реакціях галогенування аренов або алкіларенів в бічний ланцюг. Це важливі промислові продукти, так як саме вони використовуються в якості інсектицидів в сільському господарстві.

Фізичні властивості

Фізичні властивості галогенопроізводних вуглеводнів безпосередньо залежать від будови молекули. На температури кипіння і плавлення, агрегатний стан впливають кількість атомів вуглецю в ланцюзі і можливі відгалуження в бічну частину. Чим їх більше, тим показники стають вище. В цілому можна охарактеризувати фізичні параметри в декількох пунктах.

1. Агрегатний стан: перші нижчі представники - гази, наступні до С₁₂ - рідини, вище - тверді тіла.
2. Мають різкий неприємний специфічний запах практично всі представники.
3. Дуже погано розчиняються у воді, проте самі - відмінні розчинники. В органічних сполуках розчиняються дуже добре.
4. Температури кипіння і плавлення збільшуються з ростом числа атомів вуглецю в головному ланцюзі.
5. Всі з`єднання, крім фторпохідні, важча за воду.
6. Чим більше розгалужень в головній ланцюга, тим нижче температура кипіння речовини.

Складно визначити безліч подібних спільних рис, адже представники сильно розрізняються за складом і будовою. Тому краще приводити значення для кожного конкретного з`єднання з даного ряду вуглеводнів.

Відео: 6.2. Ароматичні вуглеводні (бензол і його гомологи): Способи отримання. ЄДІ з хімії

Хімічні властивості

Одним з найважливіших параметрів, який обов`язково враховується в хімічній промисловості і реакціях синтезу, є хімічні властивості галогенопохідних вуглеводнів. Вони неоднакові для всіх представників, так як є ряд причин, що обумовлюють відмінність.

1. Будова вуглецевого ланцюга. Найпростіше реакції заміщення (нуклеофильного типу) відбуваються у вторинних і третинних галогеналкілов.
2. Вид атома галогену також має важливе значення. Зв`язок між вуглецем і Hal сильно поляризована, що і забезпечує легкий її розрив з вивільненням вільних радикалів. Однак найпростіше рветься зв`язок саме між йодом і вуглецем, що пояснюється закономірним зміною (зменшенням) енергії зв`язку в ряду: F-Cl-Br-I.
3. Наявність ароматичного радикала або кратних зв`язків.
4. Будова і розгалуженість самого радикала.

В цілому найкраще галогеналкіли вступають в реакції саме нуклеофільного заміщення. Адже на атомі вуглецю після розриву зв`язку з галогеном концентрується частково позитивний заряд. Це дозволяє радикалу в цілому ставати акцептором елетроноотріцательних частинок. наприклад:

• ВІН^-;
• SO₄²;
• NO₂^-;
• CN^- та інші.

Цим пояснюється той факт, що від галогенпохідних вуглеводнів можна перейти практично до будь-якого класу органічних сполук, потрібно лише підібрати відповідний реагент, який надасть потрібну функціональну групу.

Загалом можна сказати, що хімічні властивості галогенопохідних вуглеводнів полягають в здатності вступати в наступні взаємодії.

1. З нуклеофільними частинками різного роду - реакції заміщення. В результаті можуть вийти: спирти, прості і складні ефіри, нитросоединения, аміни, нітрили, карбонові кислоти.
2. Реакції елімінування або дегидрогалогенирования. В результаті впливу спиртового розчину лугу відбувається відщеплення молекули галогеноводорода. Так формується алкен, низькомолекулярні побічні продукти - сіль і вода. Приклад реакції: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂Br + NaOH _(Спирт) CH₃-CH₂-CH = CH₂ + NaBr + H₂O_. Дані процеси - один з основних способів синтезу важливих алкенів. Процес завжди супроводжується дією високих температур.
3. Отримання алканів нормального будови за методом синтезу Вюрца. Суть реакції полягає у впливі на галогенозамещенних вуглеводень (дві молекули) металевим натрієм. Як сильно електропозитивний іон, натрій акцептує атоми галогену з з`єднання. В результаті звільнилися вуглеводневі радикали замикаються між собою зв`язком, формуючи алкан нового будови. Приклад: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂Cl + 2Na CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 2NaCl.
   
4. Синтез гомологів ароматичних вуглеводнів за методом Фріделя-Крафтса. Суть процесу - у впливі на бензол галогеналкіли в присутності хлориду алюмінію. В результаті реакції заміщення відбувається утворення толуолу і хлороводню. В даному випадку присутність каталізатора є необхідним. Крім самого бензолу таким способом можна окисляти і його гомологи.
5. Отримання рідини Греньяра. Цей реактив є галогенозамещенних вуглеводень з іоном магнію в складі. Спочатку здійснюється вплив металевим магнієм в ефірі на похідний галогеналкіл. В результаті формується комплексне з`єднання із загальною формулою RMgHal, іменоване реактивом Греньяра.
6. Реакції відновлення до алкана (алкена, арена). Здійснюються при впливі воднем. В результаті формується вуглеводень і побічний продукт - галогеноводорода. Приклад в загальному вигляді: R-Hal + H₂ R-H + HHal.

Це основні взаємодії, в які здатні легко вступати галогенпохідних вуглеводнів різної будови. Звичайно, є і специфічні реакції, які слід розглядати для кожного конкретного представника.

ізомерія молекул

Ізомерія галогенопроізводних вуглеводнів - цілком природне явище. Адже відомо, що чим більше атомів вуглецю в ланцюзі, тим вище кількість ізомерних форм. Крім того, ненасичені представники мають кратні зв`язки, що також стає причиною появи ізомерів.

Можна виділити дві основні різновиди даного явища для цього класу сполук.

1. Ізомерія вуглецевого скелета радикала і основний ланцюга. Сюди ж можна віднести і положення кратного зв`язку, якщо вона є в молекулі. Як і у простих вуглеводнів, починаючи з третього представника можна записувати формули сполук, які мають ідентичні молекулярні, але різні структурні формульні вирази. Причому, для галогенозамещенних вуглеводнів кількість ізомерних форм на порядок вище, ніж для відповідних їм алканів (алкенів, алкінів, аренів і так далі).
2. Положення галогену в складі молекули. Його місце в назві вказується цифрою, і навіть якщо змінюється всього на одиницю, то властивості таких ізомерів будуть вже зовсім різні.

Про просторової ізомерії тут мова не йде, оскільки атоми галогену роблять це неможливим. Як і у всіх інших органічних сполук, у галогеналкілов ізомери відрізняються не тільки за будовою, але і по фізичним і хімічним характеристикам.

Похідні ненасичених вуглеводнів

Подібних з`єднань, звичайно, багато. Однак нас цікавлять саме галогенопроїзводниє ненасичених вуглеводнів. Їх же можна розділити на три основні групи.

1. Вінільні - коли атом Hal розташовується безпосередньо у атома вуглецю кратного зв`язку. Приклад молекули: СН₂= CCL_2.
2. З ізольованим положенням. Атом галогену і кратна зв`язок розташовуються в протилежних частинах молекули. Приклад: СН₂= СН-СН₂-СН₂-Cl.
3. Аллільних похідні - атом галогену розташований до подвійного зв`язку через один атом вуглецю, тобто знаходиться в альфа-положенні. Приклад: СН₂= СН-СН₂-CL.

Особливе значення має таке з`єднання, як хлористий вініл СН₂= CHCL. Воно здатне до реакцій полімеризації з утворенням важливих продуктів, таких, як ізоляційні матеріали, непромокальні тканини та інше.

Ще один представник ненасичених галогенопохідних - хлоропрен. Формула його - СН = CCL-СН = СН . Ця сполука є вихідною сировиною для синтезу цінних видів каучуку, які відрізняються вогнестійкістю, довгим терміном служби, поганою проникністю для газів.

Тетрафторетилен (або тефлон) - полімер, який має якісними технічними параметрами. Використовується для виготовлення цінного покриття технічних деталей, посуду, різних приладів. Формула - CF₂= CF₂.

Ароматичні вуглеводні і їх похідні

Ароматичними називають ті сполуки, до складу яких входить бензольні кільце. Серед них також є ціла група галогенопроізводних. Можна виділити два основних типи їх за будовою.

1. Якщо атом Hal пов`язаний безпосередньо з ядром, тобто кільцем ароматичним, то тоді з`єднання прийнято називати галогенаренамі.
2. Атом галогену пов`язаний не з кільцем, а з бічним ланцюгом атомів, тобто радикалом, який відходить в бічну гілку. Такі сполуки називаються арілалкіл галогенидами.

Серед розглянутих речовин можна назвати кілька представників, що мають найбільше практичне значення.

Відео: Урок № 6 Ацетиленові вуглеводні

1. Гексахлорбензол - З₆Cl₆. З початку XX століття використовувався як сильний фунгіцид, а також інсектицид. Володіє хорошим дезинфікуючим дією, тому його застосовували для протруєння насіння перед висівки. Має неприємний запах, рідина досить їдка, прозора, може викликати сльозотечу.
2. Бромистий бензил З₆Н₅СН₂Br. Використовується в якості важливого реагенту при синтезі металлорганических з`єднань.
3. хлорбензол З₆Н₅CL. Рідке безбарвна речовина, що володіє специфічним запахом. Використовується при виробництві барвників, пестицидів. Є одним з кращих органічних розчинників.

Використання в промисловості

Галогенопроїзводниє вуглеводнів застосування собі в промисловості і хімічних синтезах знаходять дуже широке. Про ненасичених і ароматичних представників ми вже сказали. Тепер позначимо в цілому галузі використання всіх з`єднань подібного ряду.

1. В будівництві.
2. Як розчинники.
3. При виробництві тканин, гуми, каучуку, барвників, полімерних матеріалів.
4. Для синтезу багатьох органічних сполук.
5. Фторпохідні (фреони) - це холодоагенти в холодильних установках.
6. Використовуються в якості пестицидів, інсектицидів, фунгіцидів, масел, оліфи, смол, мастильних матеріалів.
7. Йдуть на виготовлення ізоляційних матеріалів та ін.