Галогенпроизводные углеводородов

Общие характеристики

Галогенпроизводные углеводородов получаются в результате реакции присоединения атомов галогенов к молекуле органического соединения. Элементами 17-й группы периодической таблицы, участвующими в таких реакциях, являются хлор, бром, йод или фтор. Полученные соединения часто называют галогенпроизводными углеводородов. В зависимости от числа атомов галогена в молекуле различают моно-, ди-, три- и полигалогенные соединения. Важно помнить, что химические соединения, состоящие только из углеродной цепи и присоединенных к ней галогенов, также являются галогенпроизводными. В зависимости от «базового» углеводорода различают:

• Галогенпроизводные насыщенных углеводородов — эти соединения получаются из соответствующих углеводородов путем замены одного или нескольких атомов водорода на элементы 17-й группы периодической таблицы.
• Галогенпроизводные ненасыщенных углеводородов — в случае ненасыщенных углеводородов, т. е. углеводородов с двойной или тройной связью, происходит присоединение молекулы галогена. Ненасыщенная связь разрывается, и к атомам углерода присоединяются атомы галогенов или атомы водорода и галогена.
• Галогенпроизводные ароматических углеводородов — эти соединения образуются в результате реакции бензольного кольца с соответствующими галогенами. В бензоле происходит замещение от одного до шести атомов углерода с образованием связей углерод-галоген.

Кроме того, большинство галогенпроизводных проявляют изомерию, связанную с различным положением атома галогена в молекуле. Чем длиннее углеродная цепь, тем большее число комбинаций может быть образовано. С галогенпроизводными связано и понятие порядка расположения атомов углерода. С учетом этого критерия различают первичные, вторичные и третичные атомы углерода. Знание ординарности важно в органической химии для прогнозирования свойств и реакционной способности химических соединений.

Получение и свойства

Получение

Галогенпроизводные можно получить несколькими различными способами. Выбор метода получения зависит от субстратов и эффективности всего процесса. Ниже перечислены основные способы получения этих соединений:

• Реакция радикального замещения — происходит под действием света или нагревания. Он является одним из основных методов получения галогенидов углеводородов и в первую очередь применяется для извлечения производных метана. Радикальное замещение происходит в основном в присутствии хлора.
• Реакция галогенидов с ненасыщенными углеводородами — в ходе этого процесса происходит присоединение молекулы галогенида или гидрида соответствующего элемента 17-й группы периодической таблицы к ненасыщенной связи в углеводороде.
• Электрофильное замещение ароматических углеводородов применяется для образования галогенпроизводных, содержащих в молекуле бензольное кольцо. Реакция протекает в присутствии катализатора.
• Реакция галогенидов со спиртами — молекула галогенводорода присоединяется к молекуле спирта. Чаще всего это HCl или HBr. В результате этой реакции гидроксильная группа замещается атомом хлора или брома, соответственно (пример реакции замещения). Побочным продуктом является молекула воды.

К числу наиболее широко рассматриваемых производных насыщенных углеводородов относятся галогенпроизводные метана, в частности, содержащие молекулы хлора. Присоединение этого элемента является примером цепной реакции радикального замещения, инициированной солнечным светом. Метан и хлор не реагируют друг с другом в темноте. Атом хлора соединяется с одним из атомов водорода из молекулы метана с образованием хлорметана и хлороводорода. На этом реакция не заканчивается, и еще одна молекула хлора вступает в реакцию с хлорметаном. Замещение очередного атома водорода хлором приводит к получению дихлорметана, который на следующем этапе переходит в трихлорметан и тетрахлорметан. Последний, известный также как четыреххлористый углерод, является конечным продуктом радикального хлорирования метана. Дальнейшая реакция с хлором невозможна. Фактически в ходе этого процесса конечная смесь содержит все четыре хлорметана. Их количественное соотношение зависит от условий, в которых протекает реакция (их разделение осуществляется с помощью дистилляции).

Свойства

Специфические свойства конкретных галогенпроизводных углеводородов напрямую зависят от типа органического соединения (длины углеродной цепи, наличия ненасыщенных связей и т. д.) и количества замещенных атомов галогенов. Как правило, чем больше галогенов в молекуле, тем выше плотность и температура кипения такого соединения.  Кроме того, в случае изомеров, чем более разветвленной является молекула, тем ниже ее температура кипения и выше летучесть. Наименее активными являются производные, содержащие атом хлора, более активными — брома, а наиболее активными — соединения с атомами йода. Все они при очень высоких температурах разлагаются. Галогенпроизводные углеводородов очень химически активны благодаря наличию в молекуле сильно электроотрицательного элемента, например фтора. В них протекают такие реакции, как электрофильное замещение галогена.

Основные примеры галогенпроизводных углеводородов

Винилхлорид

Винилхлорид (общее название), фактически хлорэтан или хлорэтилен, представляет собой продукт реакции присоединения хлористого водорода к молекуле этина в присутствии катализатора, высокой температуры и давления. Винилхлорид представляет собой газ, который, как и другие производные этена, подвержен полимеризации. В результате получается макромолекулярное вещество, полимер — поливинилхлорид, популярный ПВХ. Это прочное и недорогое сырье, имеющее широкий спектр применения в промышленности и бизнесе. Наиболее популярными являются оконные и дверные столярные элементы из поливинилхлорида. Кроме того, он применяется, в частности, как материал для электрических, сантехнических и вентиляционных систем, как добавка при производстве игрушек, обоев, теплоизоляционных штор, панелей, рекламных щитов, протезов в медицине и многого другого.

Фреоны

В течение десятилетий фреоны применялись в аэрозолях и системах охлаждения холодильников и морозильников. В настоящее время их применение запрещено во всем мире. По химическому составу они представляют собой хлор- и фторсодержащие производные насыщенных углеводородов, в основном метана или этана. Они являются высоколетучими жидкостями, выделяющими большое количество тепловой энергии при изменении состояния вещества. Фреоны нерастворимы в воде и не обладают химической активностью с другими соединениями. К числу наиболее известных фреонов принадлежат дихлордифторметан и 1,1,1,2 — тетрафторэтан. После многих лет интенсивного использования фреонов в бытовой химии было доказано, что они разрушают озоновый слой, потеря которого увеличивает угрозу солнечной радиации. Эти соединения ответственны за 14% парникового эффекта. К сожалению, молекулы фреона являются стойкими и могут оставаться в атмосфере до 130 лет.

Хлорбензол

Среди галогенпроизводных ароматических углеводородов, имеющих наибольшее промышленное значение, следует упомянуть, например, хлорбензол. Его получают хлорированием бензольного кольца хлором в присутствии железа — который катализирует процесс. Хлорбензол — бесцветная, летучая, хорошо растворимая в воде жидкость, имеющая широкий спектр применения в химической промышленности.  Это соединение является ключевым субстратом в производстве агрохимикатов, включая, в частности, гербициды, фунгициды и другие средства защиты растений. В химической промышленности хлорбензол широко применяется в производстве пластмасс, где он является антиоксидантной добавкой для каучуков или добавкой при производстве полианилина. Другие области применения хлорбензола — производство красителей, активных фармацевтических ингредиентов (так называемых API), растворителей и химических соединений.

Тетрахлорметан

Тетрахлорметан (четыреххлористый углерод) — полностью хлорированное производное метана. Он относится к группе галогеноалканов. При комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость со сладковатым запахом. Негорюч. Плохо растворяется в воде, но очень хорошо — в органических растворителях. До настоящего времени широко применялся в качестве растворителя, особенно в химической промышленности. Это соединение является высокотоксичным и опасным для окружающей среды. По этой причине уже несколько лет ведется поиск путей значительного сокращения использования четыреххлористого углерода. Сегодня его можно встретить в рецептуре таких продуктов, как растворители, чистящие и моющие средства, жидкости для огнетушителей (специально предназначенные для тушения горящих нефтепродуктов).