Halogenované uhlovodíky

Obecná charakteristika

Halogenované uhlovodíky se získávají jako výsledek připojení atomů halogenu k molekule organické sloučeniny. Prvky ze skupiny 17 periodické tabulky prvků, které se takových reakcí účastní, jsou chlor , brom, jód nebo fluor. Výsledné sloučeniny se často označují jako halogenované uhlovodíky . V závislosti na počtu atomů halogenu v molekule se rozlišují mono-, di-, tri- a polyhalogenované sloučeniny. Je důležité si uvědomit, že chemické sloučeniny skládající se pouze z uhlíkového řetězce a na něj navázaných halogenů jsou také halogenované uhlovodíky. V závislosti na „základním“ uhlovodíku můžeme rozlišit:

• Halogenované nasycené uhlovodíky – tyto sloučeniny jsou odvozeny od odpovídajících uhlovodíků nahrazením jednoho nebo více atomů vodíku prvky ze skupiny 17 periodické soustavy prvků.
• Halogenované nenasycené uhlovodíky – u nenasycených uhlovodíků, tj. s dvojnou nebo trojnou vazbou, dochází k adici molekuly halogenu. Nenasycená vazba je přerušena a atomy halogenu nebo atomy vodíku a halogenu jsou připojeny k atomům uhlíku.
• Halogenované aromatické uhlovodíky – tyto sloučeniny vznikají reakcí benzenového kruhu a příslušných halogenů. V benzenu je substituován jeden až šest atomů uhlíku za vzniku vazeb uhlík-halogen.

Navíc většina halogenovaných uhlovodíků vykazuje izomerii vyplývající z různých poloh atomu halogenu v molekule. Čím delší uhlíkový řetězec, tím větší počet možných kombinací. Kromě toho jsou halogenované uhlovodíky spojeny s konceptem pořadí atomů uhlíku . Podle tohoto kritéria rozlišujeme primární, sekundární a terciární atomy uhlíku. Tato klasifikace je důležitá v organické chemii , protože umožňuje predikci vlastností a reaktivity chemických sloučenin.

Příprava a vlastnosti

Příprava

Halogenované uhlovodíky lze získat několika různými způsoby. Volba způsobu přípravy závisí na podkladech a účinnosti celého procesu. Základní způsoby získávání těchto sloučenin jsou uvedeny níže:

• Radikálová substituční reakce – nastává při světle nebo zahřátí. Je jednou ze základních metod přípravy halogenidů uhlovodíků a používá se především k získání derivátů methanu. K radikální substituci dochází hlavně v přítomnosti chlóru.
• Reakce halogenidů s nenasycenými uhlovodíky – při tomto procesu dochází k adici halogenidu nebo hydridu odpovídajícího prvku ze skupiny 17 periodické tabulky k nenasycené vazbě v uhlovodíku.
• Elektrofilní substituce aromatických uhlovodíků – používá se k výrobě halogenovaných uhlovodíků obsahujících ve své molekule benzenový kruh. Reakce se provádí v přítomnosti katalyzátoru.
• Reakce halogenidů s alkoholy – na molekulu alkoholu je navázána molekula halogenhydridu. Nejčastěji používané halogenhydridy jsou HCl nebo HBr. V důsledku této reakce je hydroxylová skupina nahrazena atomem chloru nebo atomu bromu (jde o substituční reakci). Vedlejším produktem je molekula vody.

Halogenované deriváty methanu patří mezi nejoblíbenější deriváty nasycených uhlovodíků, zejména těch, které obsahují molekuly chloru. Připojení tohoto prvku je příkladem radikální řetězové substituční reakce iniciované slunečním zářením. Metan a chlór spolu ve tmě nereagují. Atom chloru se váže s jedním z atomů vodíku z molekuly methanu za vzniku chlormethanu a chlorovodíku. Reakce v této fázi nekončí a další molekula chloru reaguje s chlormethanem. Nahrazením jiného atomu vodíku chlorem vzniká dichlormethan, který se v dalším kroku mění na trichlormethan a následně tetrachlormethan. Posledně jmenovaný, také známý jako tetrachlormethan, je konečným produktem radikálové chlorace methanu. Další reakce s chlórem není možná. Ve skutečnosti během tohoto procesu konečná chemická směs obsahuje všechny čtyři chlormethany. Jejich kvantitativní poměr závisí na podmínkách, za kterých se reakce provádí (jejich oddělení se provádí destilací).

Vlastnosti

Specifické vlastnosti jednotlivých halogenovaných uhlovodíků jsou přímo závislé na typu organické sloučeniny (délka uhlíkového řetězce, přítomnost nenasycených vazeb atd.) a počtu substituovaných atomů halogenu. Obecně platí, že čím více halogenů je v molekule, tím vyšší je hustota a bod varu takové sloučeniny. Dále v případě izomerů platí, že čím více je molekula rozvětvená, tím nižší je její bod varu a tím vyšší je její těkavost. Nejméně aktivní jsou deriváty obsahující atom chloru, aktivnější jsou ty s bromem a nejaktivnější jsou sloučeniny s atomy jódu. Všechny se rozkládají při velmi vysokých teplotách. Halogenované uhlovodíky jsou velmi chemicky aktivní díky přítomnosti vysoce elektronegativního prvku v jejich molekule, jako je fluor. Podléhají reakcím, jako je elektrofilní substituce halogenu.

Nejdůležitější příklady halogenovaných uhlovodíků

Vinylchlorid

Vinylchlorid (obecný název), formálně pojmenovaný chlorethen nebo chlorethylen, je produktem adiční reakce mezi chlorovodíkem a ethynem, v přítomnosti katalyzátoru, při vysoké teplotě a tlaku. Vinylchlorid je plyn, který stejně jako ostatní deriváty ethenu podléhá polymeraci, jejímž výsledkem je makromolekulární látka, polymer – polyvinylchlorid , oblíbené PVC. Jedná se o trvanlivou a nízkonákladovou surovinu se širokou škálou průmyslových a obchodních aplikací. Nejoblíbenější jsou okenní a dveřní komponenty vyrobené z polyvinylchloridu. Kromě toho se používá mimo jiné jako materiál pro elektrické, vodovodní a ventilační systémy, jako přísada při výrobě hraček, obkladů stěn, izolačních závěsů, panelů, reklamních tabulí, protéz v lékařských aplikacích a mnoho dalšího.

Freony

Po desetiletí se freony (neboli CFC) používají v aerosolech a chladicích systémech pro chladničky nebo mrazničky. Jejich používání je nyní celosvětově zakázáno. Chemicky se jedná o chlorované a fluorované deriváty nasycených uhlovodíků, především metanu nebo ethanu. Jsou to vysoce těkavé kapaliny, které při změně skupenství hmoty poskytují velké množství tepelné energie. Freony jsou nerozpustné ve vodě a nevykazují žádnou chemickou aktivitu s jinými sloučeninami. Nejznámějšími CFC jsou dichlordifluormethan a 1,1,1,2-tetrafluorethan. Po letech intenzivního používání freonů v domácích chemikáliích bylo prokázáno, že ničí ozónovou vrstvu , jejíž ztráta zvyšuje škodlivé účinky slunečního záření. Tyto sloučeniny jsou zodpovědné za 14 %skleníkového efektu. Molekuly CFC jsou bohužel perzistentní a mohou zůstat v atmosféře až 130 let.

Chlorbenzen

Mezi halogenované aromatické uhlovodíky největšího průmyslového významu patří chlorbenzen . Získává se chlorací benzenového kruhu chlorem v přítomnosti železa, které tento proces katalyzuje. Chlorbenzen je bezbarvá, vysoce těkavá, ve vodě vysoce rozpustná kapalina se širokým spektrem použití v chemickém průmyslu. Tato sloučenina je klíčovým substrátem při výrobě agrochemikálií , včetně (ale nejen) herbicidů, fungicidů a dalších přípravků na ochranu rostlin . Chemický průmysl bez problémů využívá chlorbenzen v plastikářském průmyslu , kde slouží jako antioxidační přísada do kaučuků nebo přísada při výrobě polyanilinu. Mezi další použití chlorbenzenu patří výroba barviv, aktivních farmaceutických přísad (tzv. API) , rozpouštědel a chemických sloučenin.

Tetrachlormethan

Tetrachlormethan (tetrachlormethan) je plně chlorovaný derivát methanu. Patří do skupiny halogenalkanů. Při pokojové teplotě je to bezbarvá kapalina se sladkou vůní. Je nehořlavý. Je mírně rozpustný ve vodě, ale je velmi dobře rozpustný v organických rozpouštědlech. Donedávna byl široce používán jako rozpouštědlo, zejména v chemickém průmyslu, ale je vysoce toxický a nebezpečný pro životní prostředí. Již několik let je proto cílem výrazně snížit používání tetrachlormethanu. Dnes jej lze nalézt v produktech, jako jsou rozpouštědla, čisticí a mycí prostředky nebo kapaliny do hasicích přístrojů (zejména určené k hašení hořících ropných produktů).