Halogénované uhľovodíky

Všeobecné charakteristiky

Halogénované uhľovodíky sa získavajú ako výsledok naviazania atómov halogénu na molekulu organickej zlúčeniny. Prvky zo skupiny 17 periodickej tabuľky , ktoré sa zúčastňujú takýchto reakcií, sú chlór , bróm, jód alebo fluór. Výsledné zlúčeniny sa často označujú ako halogénované uhľovodíky . V závislosti od počtu atómov halogénu v molekule sa rozlišujú mono-, di-, tri- a polyhalogénované zlúčeniny. Je dôležité si uvedomiť, že chemické zlúčeniny pozostávajúce iba z uhlíkového reťazca a halogénov, ktoré sú k nemu pripojené, sú tiež halogénované uhľovodíky. V závislosti od „základného“ uhľovodíka môžeme rozlíšiť:

• Halogénované nasýtené uhľovodíky – tieto zlúčeniny sú odvodené od zodpovedajúcich uhľovodíkov nahradením jedného alebo viacerých atómov vodíka prvkami zo skupiny 17 periodickej tabuľky.
• Halogénované nenasýtené uhľovodíky – v prípade nenasýtených uhľovodíkov, teda tých s dvojitou alebo trojitou väzbou, dochádza k adícii molekuly halogénu. Nenasýtená väzba je prerušená a atómy halogénu alebo atómy vodíka a halogénu sú pripojené k atómom uhlíka.
• Halogénované aromatické uhľovodíky – tieto zlúčeniny vznikajú reakciou benzénového kruhu a príslušných halogénov. V benzéne je nahradených jeden až šesť atómov uhlíka za vzniku väzieb uhlík-halogén.

Okrem toho väčšina halogénovaných uhľovodíkov vykazuje izomériu , ktorá je výsledkom rôznych polôh atómu halogénu v molekule. Čím dlhší je uhlíkový reťazec, tým väčší je počet možných kombinácií. Okrem toho sú halogénované uhľovodíky spojené s koncepciou poradia atómov uhlíka . Podľa tohto kritéria rozlišujeme primárne, sekundárne a terciárne atómy uhlíka. Táto klasifikácia je dôležitá v organickej chémii , pretože umožňuje predpovedať vlastnosti a reaktivitu chemických zlúčenín.

Príprava a vlastnosti

Príprava

Halogénované uhľovodíky možno získať niekoľkými rôznymi spôsobmi. Výber spôsobu prípravy závisí od podkladov a účinnosti celého procesu. Základné spôsoby získania týchto zlúčenín sú uvedené nižšie:

• Radikálna substitučná reakcia – vyskytuje sa pri svetle alebo zahrievaní. Je to jedna zo základných metód prípravy halogenidov uhľovodíkov a používa sa predovšetkým na získanie derivátov metánu. K radikálovej substitúcii dochádza hlavne v prítomnosti chlóru.
• Reakcia halogenidov s nenasýtenými uhľovodíkmi – pri tomto procese dochádza k adícii halogenidu alebo hydridu zodpovedajúceho prvku zo 17. skupiny periodickej tabuľky na nenasýtenú väzbu v uhľovodíku.
• Elektrofilná substitúcia aromatických uhľovodíkov – používa sa na výrobu halogénovaných uhľovodíkov obsahujúcich vo svojej molekule benzénový kruh. Reakcia sa uskutočňuje v prítomnosti katalyzátora.
• Reakcia halogenidov s alkoholmi – na molekulu alkoholu je naviazaná molekula halogénhydridu. Najbežnejšie používané halogénhydridy sú HCl alebo HBr. V dôsledku tejto reakcie je hydroxylová skupina nahradená atómom chlóru alebo brómu (ide o substitučnú reakciu). Vedľajším produktom je molekula vody.

Halogénované deriváty metánu patria medzi najobľúbenejšie deriváty nasýtených uhľovodíkov, najmä tých, ktoré obsahujú molekuly chlóru. Pripojenie tohto prvku je príkladom radikálnej reťazovej substitučnej reakcie iniciovanej slnečným žiarením. Metán a chlór spolu v tme nereagujú. Atóm chlóru sa viaže s jedným z atómov vodíka z molekuly metánu za vzniku chlórmetánu a chlorovodíka. Reakcia v tomto štádiu nekončí a ďalšia molekula chlóru reaguje s chlórmetánom. Nahradením ďalšieho atómu vodíka chlórom vzniká dichlórmetán, ktorý sa v ďalšom kroku mení na trichlórmetán a potom na tetrachlórmetán. Ten, tiež známy ako tetrachlórmetán, je konečným produktom radikálovej chlorácie metánu. Ďalšia reakcia s chlórom nie je možná. V skutočnosti počas tohto procesu konečná chemická zmes obsahuje všetky štyri chlórmetány. Ich kvantitatívny pomer závisí od podmienok, za ktorých sa reakcia uskutočňuje (ich separácia sa uskutočňuje pomocou destilácie).

Vlastnosti

Špecifické vlastnosti jednotlivých halogénovaných uhľovodíkov sú priamo závislé od typu organickej zlúčeniny (dĺžka uhlíkového reťazca, prítomnosť nenasýtených väzieb a pod.) a počet substituovaných atómov halogénu. Vo všeobecnosti platí, že čím viac halogénov je v molekule, tým vyššia je hustota a teplota varu takejto zlúčeniny. Okrem toho v prípade izomérov, čím je molekula rozvetvenejšia, tým je jej bod varu nižší a jej prchavosť vyššia. Najmenej aktívne sú deriváty obsahujúce atóm chlóru, aktívnejšie sú deriváty s brómom a najaktívnejšie sú zlúčeniny s atómami jódu. Všetky sa rozkladajú pri veľmi vysokých teplotách. Halogénované uhľovodíky sú veľmi chemicky aktívne vďaka prítomnosti vysoko elektronegatívneho prvku v ich molekule, ako je fluór. Podstupujú reakcie, ako je elektrofilná substitúcia halogénu.

Najdôležitejšie príklady halogénovaných uhľovodíkov

Vinylchlorid

Vinylchlorid (všeobecný názov), formálne nazývaný chlóretén alebo chlóretylén, je produktom adičnej reakcie medzi chlorovodíkom a etínom v prítomnosti katalyzátora pri vysokej teplote a tlaku. Vinylchlorid je plyn, ktorý podobne ako iné deriváty eténu podlieha polymerizácii, ktorej výsledkom je makromolekulárna látka, polymér – polyvinylchlorid , populárny PVC. Je to trvanlivá a nízkonákladová surovina so širokým rozsahom priemyselných a obchodných aplikácií. Najpopulárnejšie sú okenné a dverové komponenty vyrobené z polyvinylchloridu. Okrem iného sa používa okrem iného ako materiál pre elektrické, vodovodné a ventilačné systémy, ako prísada pri výrobe hračiek, obkladov stien, izolačných závesov, panelov, reklamných tabúľ, protéz v medicínskych aplikáciách a mnoho ďalších.

freóny

Po desaťročia sa freóny (alebo CFC) používali v aerosóloch a chladiacich systémoch pre chladničky alebo mrazničky. Ich používanie je teraz celosvetovo zakázané. Chemicky sú to chlórované a fluórované deriváty nasýtených uhľovodíkov, najmä metánu alebo etánu. Sú to vysoko prchavé kvapaliny, ktoré pri zmene skupenstva hmoty poskytujú veľa tepelnej energie. Freóny sú nerozpustné vo vode a nevykazujú žiadnu chemickú aktivitu s inými zlúčeninami. Najznámejšie CFC sú dichlórdifluórmetán a 1,1,1,2-tetrafluóretán. Po rokoch intenzívneho používania freónov v domácich chemikáliách bolo preukázané, že ničia ozónovú vrstvu , ktorej strata zvyšuje škodlivé účinky slnečného žiarenia. Tieto zlúčeniny sú zodpovedné za 14 %skleníkového efektu. Bohužiaľ, molekuly CFC sú perzistentné a môžu zostať v atmosfére až 130 rokov.

Chlórbenzén

Medzi halogenované aromatické uhľovodíky s najväčším priemyselným významom patrí chlórbenzén . Získava sa chloráciou benzénového kruhu chlórom v prítomnosti železa, ktoré tento proces katalyzuje. Chlórbenzén je bezfarebná, vysoko prchavá, vo vode vysoko rozpustná kvapalina so širokým spektrom použitia v chemickom priemysle. Táto zlúčenina je kľúčovým substrátom pri výrobe agrochemikálií vrátane (okrem iného) herbicídov, fungicídov a iných prípravkov na ochranu rastlín . Chemický priemysel bez problémov využíva chlórbenzén v plastikárskom priemysle , kde slúži ako antioxidačná prísada do kaučukov alebo prísada pri výrobe polyanilínu. Ďalšie použitia chlórbenzénu zahŕňajú výrobu farbív, aktívnych farmaceutických zložiek (tzv. API) , rozpúšťadiel a chemických zlúčenín.

tetrachlórmetán

Tetrachlórmetán (tetrachlórmetán) je plne chlórovaný derivát metánu. Patrí do skupiny halogénalkánov. Pri izbovej teplote je to bezfarebná kvapalina so sladkým zápachom. Je nehorľavý. Je mierne rozpustný vo vode, ale je veľmi dobre rozpustný v organických rozpúšťadlách. Donedávna bol široko používaný ako rozpúšťadlo najmä v chemickom priemysle, ale je vysoko toxický a nebezpečný pre životné prostredie. Už niekoľko rokov je preto cieľom výrazne znížiť používanie tetrachlórmetánu. Dnes ho možno nájsť v produktoch, ako sú rozpúšťadlá, čistiace a pracie prostriedky alebo kvapaliny do hasiacich prístrojov (špeciálne určené na hasenie horiacich ropných produktov).