Fluorowcopochodne węglowodorów

Ogólna charakterystyka

Fluorowcopochodne węglowodorów otrzymywane są w wyniku reakcji przyłączenia atomów fluorowców do cząsteczki związku organicznego. Pierwiastki 17. grupy układu okresowego, które biorą udział w takich reakcjach to chlor, brom, jod czy fluor. Powstałe związki nazywane są często halogenopochodnymi węglowodorów. W zależności od liczby atomów fluorowca w cząsteczce, rozróżnia się związki jedno-, dwu-, trój- i wielofluorowcowe. Należy pamiętać, że związki chemiczne składające się jedynie z łańcucha węglowego i przyłączonych do niego fluorowców, to również halogenopochodne. W zależności od “bazowego” węglowodoru wyróżnia się:

• Fluorowcopochodne węglowodorów nasyconych – związki te wyprowadza się z odpowiednich węglowodorów, poprzez zastąpienie jednego lub więcej atomów wodoru, przez pierwiastki 17. grupy układu okresowego.
• Fluorowcopochodne węglowodorów nienasyconych – w przypadku węglowodorów nienasyconych, czyli posiadających wiązanie podwójne lub potrójne, cząsteczka fluorowca ulega addycji. Zachodzi rozerwanie wiązania nienasyconego i do atomów węgla przyłączane są atomy fluorowców lub atom wodoru i fluorowca.
• Fluorowcopochodne węglowodorów aromatycznych – związki te powstają w wyniku reakcji pierścienia benzenowego i odpowiednich fluorowców. W benzenie dochodzi do podstawienia od jednego do sześciu atomów węgla, z utworzeniem wiązań węgiel-fluorowiec.

Ponadto większość fluorowcopochodnych wykazuje izomerię związaną z różnym położeniem atomu fluorowca w cząsteczce. Im dłuższy jest łańcuch węglowy, tym większa jest ilość możliwych do utworzenia kombinacji. Z fluorowcopochodnymi wiąże się także pojęcie rzędowości atomów węgla. Biorąc pod uwagę to kryterium, wyróżnia się atomy węgla pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe. Znajomość rzędowości jest istotna w chemii organicznej, gdyż pozwala przewidywać właściwości i reaktywność związków chemicznych.

Otrzymywanie i właściwości

Otrzymywanie

Fluorowcopochodne można otrzymać na kilka różnych sposobów. Wybór metody otrzymywania jest uzależniony od substratów i wydajności całego procesu. Poniżej zostały wymienione podstawowe sposoby otrzymywania tych związków:

• Reakcja substytucji rodnikowej – zachodzi pod wpływem światła lub ogrzewania. Jest to jedna z podstawowych metod otrzymywania halogenków węglowodorów i służy przede wszystkim do pozyskiwania pochodnych metanu. Substytucja rodnikowa głównie zachodzi w obecności chloru.
• Reakcja halogenków z węglowodorami nienasyconymi – w trakcie tego procesu ma miejsce addycja cząsteczki halogenku lub wodorku odpowiedniego pierwiastka 17. grupy układu okresowego do nienasyconego wiązania w węglowodorze.
• Substytucja elektrofilowa węglowodorów aromatycznych – wykorzystywana do tworzenia fluorowcopochodnych, zawierających w cząsteczce pierścień benzenowy. Reakcja jest przeprowadzana w obecności katalizatora.
• Reakcja halogenków z alkoholami – do cząsteczki alkoholu przyłączana jest cząsteczka wodorku fluorowca. Najczęściej jest to HCl lub HBr. W wyniku tej reakcji, grupa hydroksylowa jest podmieniana odpowiednio przez atom chloru lub atom bromu (przykład reakcji substytucji). Produktem ubocznym jest cząsteczka wody.

Do najszerzej rozpatrywanych pochodnych węglowodorów nasyconych, należą halogenopochodne metanu, a szczególnie pochodne zawierające cząsteczki chloru. Przyłączenie tego pierwiastka jest przykładem łańcuchowej reakcji substytucji rodnikowej, inicjowanej przez światło słoneczne. Metan i chlor nie reagują ze sobą w ciemności. Atom chloru łączy się z jednym z atomów wodoru z cząsteczki metanu i powstaje chlorometan oraz chlorowodór. Reakcja nie kończy się na tym etapie i kolejna cząsteczka chloru reaguje z chlorometanem. Podstawienie kolejnego atomu wodoru przez chlor prowadzi do otrzymania dichlorometanu, który w następnym etapie przechodzi w trichlorometan i tetrachlorometan. Ten ostatni, nazywany także czterochlorkiem węgla jest ostatecznym produktem rodnikowego chlorowania metanu. Dalsza reakcja z chlorem nie jest możliwa. W rzeczywistości, podczas tego procesu końcowa mieszanina zawiera wszystkie cztery chlorometany. Ich stosunek ilościowy uzależniony jest od warunków prowadzenia reakcji (ich rozdział prowadzi się z zastosowaniem destylacji).

Właściwości

Specyficzne właściwości, jakimi wykazują się poszczególne fluorowcopochodne węglowodorów, bezpośrednio są uzależnione od rodzaju związku organicznego (długość łańcucha węglowego, obecność wiązań nienasyconych itp.) oraz od ilości podstawionych atomów fluorowców. Zgodnie z ogólną zasadą, im więcej fluorowców jest w cząsteczce, tym większa jest gęstość i temperatura wrzenia takiego związku.  Ponadto w przypadku izomerów, im dana cząsteczka jest bardziej rozgałęziona, tym mniejsza jest jej temperatura wrzenia i większa lotność. Najmniej aktywne są pochodne zawierające atom chloru, bardziej aktywne te posiadające brom, a najbardziej aktywne związki posiadające atomy jodu. Wszystkie z nich, w bardzo wysokich temperaturach ulegają rozkładowi. Fluorowcopochodne węglowodorów są bardzo aktywne chemicznie ze względu na obecność w cząsteczce silnie elektroujemnego pierwiastka, np. fluoru. Ulegają takim reakcjom jak np. substytucji elektrofilowej fluorowca.

Najważniejsze przykłady fluorowcopochodnych węglowodorów

Chlorek winylu

Chlorek winylu (nazwa zwyczajowa), a właściwie chloroeten lub chloroetylen, to produkt reakcji przyłączenia chlorowodoru do cząsteczki etynu, w obecności katalizatora, wysokiej temperatury i ciśnienia. Chlorek winylu to gaz, który podobnie jak inne pochodne etenu jest podatny na polimeryzację. W jej wyniku powstaje substancja wielkocząsteczkowa, polimer – polichlorek winylu, popularne PVC. Jest on trwałym i tanim surowcem o szerokim zastosowaniu w przemyśle i biznesie. Najbardziej popularne są elementy stolarki okiennej i drzwiowej wykonanej z polichlorku winylu. Poza tym wykorzystywany jest między innymi, jako materiał tworzący instalacje elektryczne, hydrauliczne czy wentylacyjne, stanowi dodatek w produkcji zabawek, oklein ściennych, kurtyn izolacyjnych, płyt, tablic reklamowych, protez w zastosowaniach medycznych i wielu innych.

Freony

Przez dziesięciolecia freony (CFC) były wykorzystywane w aerozolach oraz systemach chłodniczych lodówek czy zamrażarek. Obecnie ich stosowanie jest zakazane na całym świecie. Z chemicznego punktu widzenia są to chloro- i fluoropochodne węglowodorów nasyconych, głównie metanu lub etanu. Są wysoce lotnymi cieczami, dostarczającymi dużo energii cieplnej w trakcie zmiany stanu skupienia. Freony nie rozpuszczają się w wodzie oraz nie wykazują aktywności chemicznej z innymi związkami. Do najbardziej znanych freonów należy dichlorodifluorometan oraz 1,1,1,2 – tetrafluoroetan. Po latach intensywnego stosowania freonów w chemii gospodarczej, okazało się, że niszczą one warstwę ozonową, której utrata powoduje wzrost zagrożenia promieniowaniem słonecznym. Związki te odpowiadają za 14% efektu cieplarnianego. Niestety cząsteczki freonów są trwałe i mogą pozostać w atmosferze nawet 130 lat.

Chlorobenzen

Pośród fluorowcopochodnych węglowodorów aromatycznych o największym znaczeniu przemysłowym, wymienić należy np. chlorobenzen. Otrzymywany jest w wyniku chlorowania pierścienia benzenowego za pomocą chloru, w obecności żelaza, który katalizuje ten proces. Chlorobenzen to bezbarwna, wysoce lotna, dobrze rozpuszczalna w wodzie ciecz o szerokim zastosowaniu w branży chemicznej.  Związek ten stanowi kluczowy substrat w produkcji agrochemikaliów, a w tym między innymi herbicydów, fungicydów i innych środków ochrony roślin. Przemysł chemiczny chętnie wykorzystuje chlorobenzen w branży tworzyw sztucznych, gdzie stanowi on antyutleniający dodatek do gum lub dodatek w produkcji polianiliny. Do innych zastosowań chlorobenzenu zalicza się produkcję barwników, aktywnych składników farmaceutycznych (tzw. API), rozpuszczalników oraz związków chemicznych.

Tetrachlorometan

Tetrachlorometan (czterochlorek węgla) to w pełni chlorowana pochodna metanu. Należy do grupy halogenoalkanów. W temperaturze pokojowej jest bezbarwną cieczą o słodkawym zapachu. Jest niepalny. Słabo rozpuszcza się w wodzie, ale bardzo dobrze z rozpuszczalnikami organicznymi. Dotąd powszechnie był wykorzystywany, jako rozpuszczalnik, szczególnie w przemyśle chemicznym. Związek ten jest wysoce toksyczny i niebezpieczny dla środowiska naturalnego. Z tego względu od kilku lat dąży się do znacznego ograniczenia stosowania czterochlorku węgla. Obecnie można znaleźć go w składzie takich produktów jak rozpuszczalniki, środki czyszczące i myjące czy płyny do gaśnic (szczególnie dedykowanych do gaszenia palących się produktów naftowych).