Hydrocarbures halogénés

Caractéristiques générales

Les hydrocarbures halogénés sont obtenus en attachant des atomes d’halogène à la molécule d’un composé organique. Les éléments du groupe 17 du tableau périodique impliqués dans de telles réactions sont le chlore , le brome, l’iode ou le fluor. Les composés résultants sont souvent appelés halocarbures . Selon le nombre d’atomes d’halogène dans une molécule, on distingue les composés mono-, di-, tri- et polyhalogénés. Il est important de se rappeler que les composés chimiques constitués uniquement d’une chaîne carbonée et d’halogènes qui y sont attachés sont également des halocarbures. Selon l’hydrocarbure ‘de base’, on peut distinguer :

• Hydrocarbures saturés halogénés – ces composés sont dérivés des hydrocarbures correspondants, en remplaçant un ou plusieurs atomes d’hydrogène par des éléments du groupe 17 du tableau périodique.
• Hydrocarbures insaturés halogénés – dans le cas des hydrocarbures insaturés, c’est-à-dire ceux avec une double ou triple liaison, la molécule halogène subit une addition. Une liaison insaturée est rompue et des atomes d’halogène ou des atomes d’hydrogène et d’halogène sont attachés aux atomes de carbone.
• Hydrocarbures aromatiques halogénés – ces composés sont formés par la réaction d’un cycle benzénique et des halogènes correspondants. Dans le benzène , un à six atomes de carbone sont substitués, avec formation de liaisons carbone-halogène.

De plus, la plupart des hydrocarbures halogénés présentent une isomérie résultant de différentes positions de l’atome d’halogène dans la molécule. Plus la chaîne carbonée est longue, plus le nombre de combinaisons possibles est grand. De plus, les hydrocarbures halogénés sont associés à la notion d’ ordre des atomes de carbone . Selon ce critère, on peut distinguer les atomes de carbone primaires, secondaires et tertiaires. Cette classification est importante en chimie organique car elle permet de prédire les propriétés et la réactivité des composés chimiques.

Préparation et propriétés

Préparation

Les hydrocarbures halogénés peuvent être obtenus de plusieurs manières différentes. Le choix de la méthode de préparation dépend des substrats et de l’efficacité du processus global. Les méthodes de base pour obtenir ces composés sont énumérées ci-dessous :

• Réaction de substitution radicale – se produit avec la lumière ou le chauffage. C’est l’une des méthodes de base pour préparer les halogénures d’hydrocarbures et est principalement utilisée pour obtenir des dérivés du méthane. La substitution radicale se produit principalement en présence de chlore.
• Réaction des halogénures avec des hydrocarbures insaturés – au cours de ce processus, une addition d’un halogénure ou d’un hydrure de l’élément correspondant du groupe 17 du tableau périodique à une liaison insaturée dans l’hydrocarbure a lieu.
• Substitution électrophile des hydrocarbures aromatiques – utilisée pour produire des hydrocarbures halogénés contenant un cycle benzénique dans leur molécule. La réaction est réalisée en présence d’un catalyseur.
• Réaction des halogénures avec les alcools – une molécule d’hydrure d’halogène est attachée à une molécule d’alcool. Les hydrures d’halogène les plus couramment utilisés sont HCl ou HBr. À la suite de cette réaction, le groupe hydroxyle est remplacé respectivement par un atome de chlore ou de brome (c’est une réaction de substitution). Le sous-produit est une molécule d’eau.

Les dérivés halogénés du méthane font partie des dérivés les plus populaires des hydrocarbures saturés, notamment ceux contenant des molécules de chlore. La fixation de cet élément est un exemple de réaction de substitution radicale en chaîne initiée par la lumière du soleil. Le méthane et le chlore ne réagissent pas entre eux dans l’obscurité. Un atome de chlore se lie à l’un des atomes d’hydrogène d’une molécule de méthane pour former du chlorométhane et du chlorure d’hydrogène. La réaction ne s’arrête pas à ce stade et une autre molécule de chlore réagit avec le chlorométhane. Le remplacement d’un autre atome d’hydrogène par du chlore donne du dichlorométhane, qui se transforme ensuite en trichlorométhane puis en tétrachlorométhane. Ce dernier, également appelé tétrachlorure de carbone, est le produit final de la chloration radicalaire du méthane. Une réaction ultérieure avec le chlore n’est pas possible. En réalité, lors de ce processus, le mélange chimique final contient les quatre chlorométhanes. Leur rapport quantitatif dépend des conditions dans lesquelles s’effectue la réaction (leur séparation s’effectue par distillation).

Propriétés

Les propriétés spécifiques présentées par les hydrocarbures halogénés individuels dépendent directement du type de composé organique (longueur de la chaîne carbonée, présence de liaisons insaturées, etc.) et du nombre d’atomes d’halogène substitués. En règle générale, plus une molécule contient d’halogènes, plus la densité et le point d’ébullition d’un tel composé sont élevés. De plus, dans le cas des isomères, plus une molécule est ramifiée, plus son point d’ébullition est bas et plus sa volatilité est élevée. Les moins actifs sont les dérivés contenant un atome de chlore, les plus actifs sont ceux contenant du brome et les plus actifs sont les composés contenant des atomes d’iode. Tous se décomposent à des températures très élevées. Les hydrocarbures halogénés sont très actifs chimiquement en raison de la présence d’un élément hautement électronégatif dans leur molécule, comme le fluor. Ils subissent des réactions telles que la substitution électrophile d’un halogène.

Les exemples les plus importants d’hydrocarbures halogénés

Chlorure de vinyle

Le chlorure de vinyle (le nom commun), anciennement appelé chloroéthène ou chloroéthylène, est le produit de la réaction d’addition entre le chlorure d’hydrogène et l’éthyne, en présence d’un catalyseur, à haute température et pression. Le chlorure de vinyle est un gaz qui, comme d’autres dérivés de l’éthène, est susceptible de polymériser, ce qui donne lieu à une substance macromoléculaire, un polymère – le polychlorure de vinyle , le populaire PVC. Il s’agit d’une matière première durable et peu coûteuse avec une large gamme d’applications industrielles et commerciales. Les composants de fenêtres et de portes en polychlorure de vinyle sont les plus populaires. De plus, il est utilisé, entre autres, comme matériau pour les systèmes électriques, de plomberie et de ventilation, comme additif dans la fabrication de jouets, de revêtements muraux, de rideaux isolants, de panneaux, de panneaux publicitaires, de prothèses dans des applications médicales et bien plus encore.

Fréons

Depuis des décennies, les fréons (ou CFC) sont utilisés dans les aérosols et les systèmes de réfrigération des réfrigérateurs ou des congélateurs. Leur utilisation est désormais interdite dans le monde entier. Chimiquement, ce sont des dérivés chlorés et fluorés d’hydrocarbures saturés, principalement du méthane ou de l’éthane. Ce sont des liquides très volatils, qui fournissent beaucoup d’énergie thermique lorsqu’ils changent d’état de la matière. Les fréons sont insolubles dans l’eau et ne présentent aucune activité chimique avec d’autres composés. Les CFC les plus connus sont le dichlorodifluorométhane et le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane. Après des années d’utilisation intensive des CFC dans les produits chimiques ménagers , il a été démontré qu’ils détruisent la couche d’ozone , dont la perte augmente les effets nocifs du rayonnement solaire. Ces composés sont responsables de 14 %de l’effet de serre. Malheureusement, les molécules de CFC sont persistantes et peuvent rester dans l’atmosphère jusqu’à 130 ans.

Chlorobenzène

Parmi les hydrocarbures aromatiques halogénés de la plus grande importance industrielle se trouve le chlorobenzène . Il est obtenu par chloration du cycle benzénique avec du chlore, en présence de fer, qui catalyse le processus. Le chlorobenzène est un liquide incolore, hautement volatil et hautement soluble dans l’eau avec une large gamme d’applications dans l’industrie chimique. Ce composé est un substrat clé dans la production de produits agrochimiques , notamment (mais sans s’y limiter) des herbicides, des fongicides et d’autres produits phytopharmaceutiques . L’ industrie chimique utilise volontiers le chlorobenzène dans l’ industrie du plastique , où il sert d’additif antioxydant pour les caoutchoucs ou d’additif dans la production de polyaniline. D’autres utilisations du chlorobenzène comprennent la production de colorants, d’ingrédients pharmaceutiques actifs (appelés API) , de solvants et de composés chimiques.

Tétrachlorométhane

Le tétrachlorométhane (tétrachlorure de carbone) est un dérivé entièrement chloré du méthane. Il appartient au groupe des halogénoalcanes. A température ambiante, c’est un liquide incolore à l’odeur sucrée. Il est ininflammable. Il est légèrement soluble dans l’eau, mais très bien soluble dans les solvants organiques. Jusqu’à récemment, il était largement utilisé comme solvant, notamment dans l’industrie chimique, mais il est très toxique et dangereux pour l’environnement. C’est pourquoi depuis plusieurs années, l’objectif est de réduire significativement l’utilisation du tétrachlorure de carbone. On le retrouve aujourd’hui dans des produits tels que des solvants, des produits de nettoyage et de lavage ou encore des liquides extincteurs (notamment dédiés à l’extinction des produits pétroliers en combustion).