Халогенопроизводни съединения

Халогенопроизводни на органичните съединения и в частност на въглеводородите (Органохалогениди)

Халогенопроизводни – те могат да се разглеждат като произлезли от съответните въглеводороди или други органични съединения, в чиято молекула един или повече водородни атоми са заместени с халогенни атоми. Според вида на халогена те могат да бъдат флуоро-, хлоро-, бромо- и йодопроизводни. В зависимост от броя на халогенните атоми те биват моно-, ди- и полипроизводни. Най-голямо приложение имат монохалогенопроизводните на алканите, които са известни под общото название алкилхалогениди.

Наименования и изомерия

Названията по номенклатурата на IUPAC се формират, като първо се определя най-дългата част от молекулата за главна верига и за нейно начало се посочва участъкът, до който най-близо се намира халогенен заместител. След това заместителите се изброяват в азбучен ред, като с числа пред тяхното название се посочва позицията, на която се намират. Ако някой заместител присъства повече от един път в молекулата, то неговото количество се посочва със съответната представка пред названието му (ди-, три- и т.н.). Накрая се записва и наименованието на главната верига.

Някои халогенопроизводни имат тривиални наименования, а други са известни под търговските си и производствени названия – хлороформ, фосген, тефлон и др.

Главните видове изомерия характерни за халогенопроизводните са верижната и позиционната, но когато става дума за по-големи молекули със сложни връзки и с различни по вид заместители, са възможни и различни видове оптична изомерия.

Строеж

Халогенният атом има силен отрицателен индукционен ефект, който обаче затихва по дължината на въглеводородната верига. Той е основната причина за силното поляризиране на връаката халоген-въглерод. От полярният характер на тази връзка зависи и реактивоспособността на този клас химични съединения. При определени условия неподелена електронна двойка на халогена може да се спрегне с пи-електрони на съседна връзка и да участва в делокализация на електронната плътност в даден участък от молекулата (мезомерен ефект). В специалната публикация може да прочетете повече за електронните ефекти в молекулите.

Физични свойства

Плътността, температурата на топене и температурата на кипене на халогенопроизводните, са по-високи от тези на съответните въглеводороди. Разтворимостта на халогенопроизводните във вода е незначителна, но са добре разтворими в органични разтворители. Течните алкилхалогениди са добри разтворители на други органични съединения. Всички представители са отровни. Под действието на слънчева светлина алкилйодидите се разлагат и се оцветяват в червено-кафяво.

Химични свойства

За халогенопроизводните са характерни реакции на нуклеофилно заместване и елиминиране.

1.) Хидролиза на халогенoалкани:

C₃H₇Cl + H₂O → HCl + C₃H₇-OH (алкохол)

2.) Взаимодействие с водни разтвори на алкални основи:

C₃H₇Cl + Na-OH → NaCl + C₃H₇-OH (алкохол)

3.) Взаимодействие с алкални цианиди:

R-Cl + KCN → KCl + R-C≡N (алкилнитрил)

4.) Взаимодействие с амоняк:

R-Cl + NH₃ → HCl + R-NH₂ (алкиламин)

5.) Елиминиране. Взаимодействие с алкохолни разтвори на алкални основи:

H₃C-CHBr-CH₃ + К-OH → КBr + H₂O + H₃C-CH=CH₂ (пропен)

6.) Взаимодействие с метали:

C₃H₇Cl + 2Li → LiCl + C₃H₇Li (пропиллитий)

C₃H₇Br + Mg → C₃H₇MgBr (пропилмагнезиев бромид)

Взаимодействието с калий и натрий при обикновени условия не води до образуване на органометални съединения, а до Вюрцов синтез. Причината е, че алкилнатрият и алкилкалият реагират веднага с намиращите се в реактивната смес изходни алкилхалогениди:

R-Cl + 2Na + Cl-R → R-R + 2NaCl
7.) Редукция (кат. Pd, t^o):

C₃H₇Cl + H₂ → HCl + C₃H₈ (пропан)

8.) Горене. Някои халогенопроизводни не горят, като например тетрахлорометанът (CCl₄), но като правило всички органични съединения горят, така че:

2C₃H₇Cl + 9О₂ → 2HCl + 6CО₂ + 6H₂О

Получаване на халогенопроизводни

Халогенопроизводните на въглеводородите се получават изцяло по синтетичен начин и в същото време са суровина на много промишлени синтези. Монохалогенопроизводните се получават при заместително халогениране на алкани, арени и алкиларени, както и вследствие на присъединяване към алкени, алкини и диени.

1.) Заместване:

1.1. иницииращ стадий: Cl₂ + светлина → Cl- + -Cl

1.2. верижна реакция: Cl- + H-CH₃ → H-Cl + -CH₃ метилов радикал

1.3. хомолитично разпадане: Cl₂ + -CH₃ → -Cl + Cl-CH₃ метилхлорид
и отново етап 1.2.) до изчерпване на алкана в реактивната смес.

2.) Присъединяване:

H₂C=CH-CH₃ + H₂ → H₃C-CH₂ -CH₃

3.) Взаимодействие на халогеноводород и алкохол:

R-OH + HX → R-X + HOH

4.) Взаимодействие на алкохол с фосфорен пентахлорид:

R-OH + PCl₅ → R-Cl + POCl₃ + HCl

5.) Карбонилни производни и фосфорен пентахлорид:

R-HC=O + PCl₅ → R-HCCl₂ + POCl₃

Флуорните производни не се получават чрез пряко флуориране. Например тетрафлуоретилена се получава от хлороформ и флуороводород:

а.) CHCl₃ + 2HF → 2HCl + CHClF₂ (дифлуорохлорометан)

б.) пиролиза при 550-750 градуса на: 2CHClF₂ → 2HCl + F₂C=CF₂ (тетрафлуороетилен)

в.) полимеризация на тетрафлуороетилен: nF₂C=CF₂ → -(F₂C-CF₂)_n– (PTFE)

Приложение

Употребата на халогенопроизводните на въглеводородите варира от промишлеността до бита и всекидневието. Политетрафлуороетиленът (PTFE) известен още като тефлон се използва за изработка на незалепващи покрития. Хлороформът (CHCl₃), който е токсичен, канцерогенен и нанася изгаряния върху кожата, в миналото се е използвал като обща упойка при медицински операции, а хлороетанът (CH₃CH₂Cl) като местна (локална) упойка. Йодоформът се употребява за третиране на рани. Някои халогенопроизводни се използват в топлотехниката и хладилните инсталации, като са известни под общото название фреони. Дифлуородихлорометанът (CF₂Cl₂) е известен под названието Фреон-12 (R-12) и се получава от тетрахлорометан:

CCl₄ + 2HF → 2HCl + CCl₂F₂

Той е бил широко употребяван в хладилната техника и дезодорантите, но е нанесъл огромни щети на озоновия слой на планетата Земя. След поредица от международни протоколи и съглашения, производството му е забранено и се очаква до 2070 година озонът в атмосферата да се възстанови в състоянието си отпреди 1980г.

Друг продукт на халогенирането на органични вещества е бойният газ фосген (Cl-C(O)-Cl). Една от най-известните снимки за употребата му е от Първата световна война (виж изображението), на която се вижда войник закъснял да си сложи противогаза, в следствие на което бива поразен от отровното му действие. Той може да се синтезира от въглероден оксид и хлор, но може и да се отдели при досега на тетрахлорометан с огнени пламъци.