Галогенопохідні вуглеводні

Загальна характеристика

Галогенопохідні вуглеводні отримують в результаті приєднання атомів галогену до молекули органічної сполуки. Елементи 17 групи періодичної таблиці , які беруть участь у таких реакціях, – це хлор , бром, йод або фтор. Отримані сполуки часто називають галогенкарбонами . Залежно від кількості атомів галогену в молекулі розрізняють моно-, ди-, три- та полігалогенові сполуки. Важливо пам’ятати, що хімічні сполуки, які складаються лише з вуглецевого ланцюга та приєднаних до нього галогенів, також є галогеновуглецями. Залежно від «основного» вуглеводню можна виділити:

• Галогеновані насичені вуглеводні – ці сполуки утворюються з відповідних вуглеводнів шляхом заміни одного або кількох атомів водню на елементи з групи 17 періодичної таблиці.
• Галогеновані ненасичені вуглеводні – у випадку ненасичених вуглеводнів, тобто з подвійним або потрійним зв’язком, відбувається приєднання молекули галогену. Ненасичений зв’язок розривається, і до атомів Карбону приєднуються атоми галогену або атоми водню та галогену.
• Галогеновані ароматичні вуглеводні – ці сполуки утворюються в результаті реакції бензольного кільця та відповідних галогенів. У бензолі відбувається заміщення від одного до шести атомів вуглецю з утворенням вуглець-галогенних зв’язків.

Крім того, більшість галогеновмісних вуглеводнів демонструють ізомерію , що виникає внаслідок різного положення атома галогену в молекулі. Чим довший вуглецевий ланцюг, тим більша кількість можливих комбінацій. Крім того, галогеновмісні вуглеводні пов’язані з поняттям порядку атомів вуглецю . За цим критерієм можна виділити первинні, вторинні та третинні атоми Карбону. Ця класифікація важлива в органічній хімії , оскільки дозволяє передбачити властивості та реакційну здатність хімічних сполук.

Приготування і властивості

Підготовка

Галогеновані вуглеводні можна отримати кількома різними способами. Вибір методу підготовки залежить від субстратів і ефективності загального процесу. Основні способи отримання цих сполук перераховані нижче:

• Реакція радикального заміщення – відбувається при світлі або нагріванні. Це один з основних методів отримання галогенідів вуглеводнів і використовується в основному для отримання похідних метану. Радикальне заміщення в основному відбувається в присутності хлору.
• Реакція галогенідів з ненасиченими вуглеводнями – під час цього процесу відбувається приєднання до ненасиченого зв’язку у вуглеводні галогеніду або гідриду відповідного елемента 17 групи періодичної системи.
• Електрофільне заміщення ароматичних вуглеводнів – використовується для отримання галогенопохідних вуглеводнів, що містять у своїй молекулі бензольне кільце. Реакцію проводять у присутності каталізатора.
• Реакція галогенідів зі спиртами – до молекули спирту приєднується молекула галогенгідриду. Найбільш часто використовуваними гідридами галогенів є HCl або HBr. У результаті цієї реакції відбувається заміщення гідроксильної групи на атом хлору або брому відповідно (це реакція заміщення). Побічним продуктом є молекула води.

Галогенопохідні метану є одними з найпопулярніших похідних насичених вуглеводнів, особливо тих, що містять молекули хлору. Приєднання цього елемента є прикладом реакції радикального ланцюгового заміщення, ініційованої сонячним світлом. Метан і хлор не реагують один з одним у темряві. Атом хлору зв’язується з одним із атомів водню з молекули метану, утворюючи хлорметан і хлористий водень. На цій стадії реакція не закінчується, і інша молекула хлору реагує з хлорметаном. Заміна іншого атома водню на хлор призводить до утворення дихлорметану, який на наступному етапі змінюється на трихлорметан, а потім на тетрахлорметан. Останній, також відомий як чотирихлористий вуглець, є кінцевим продуктом радикального хлорування метану. Подальша реакція з хлором неможлива. Насправді під час цього процесу остаточна хімічна суміш містить усі чотири хлорметани. Їх кількісне співвідношення залежить від умов, у яких проводиться реакція (розділення їх здійснюється за допомогою перегонки).

Властивості

Специфічні властивості окремих галогенопохідних вуглеводнів безпосередньо залежать від типу органічної сполуки (довжини вуглецевого ланцюга, наявності ненасичених зв’язків тощо) і числа заміщених атомів галогену. Як правило, чим більше галогенів міститься в молекулі, тим вище щільність і температура кипіння такої сполуки. Крім того, у випадку ізомерів, чим більше розгалужена молекула, тим нижча температура її кипіння і вища її летючість. Найменш активними є похідні з атомом хлору, більш активними — з бромом, найбільш активними — сполуки з атомами йоду. Всі вони розкладаються при дуже високих температурах. Галогеновмісні вуглеводні дуже хімічно активні через наявність у їхній молекулі сильно електронегативного елемента, наприклад фтору. Вони вступають у такі реакції, як електрофільне заміщення галогену.

Найважливіші приклади галогенопохідних вуглеводнів

Вінілхлорид

Вінілхлорид (загальна назва), офіційно названий хлоретеном або хлоретиленом, є продуктом реакції приєднання хлористого водню до етину в присутності каталізатора при високій температурі та тиску. Вінілхлорид – це газ, який, як і інші похідні етену, схильний до полімеризації, в результаті якої утворюється високомолекулярна речовина – полімер – полівінілхлорид , популярний ПВХ. Це довговічна та недорога сировина з широким спектром промислового та комерційного застосування. Найпопулярнішими є віконні та дверні комплектуючі з полівінілхлориду. Крім того, він використовується, серед іншого, як матеріал для електричних, сантехнічних і вентиляційних систем, як добавка у виробництві іграшок, настінних покриттів, ізоляційних завіс, панелей, рекламних щитів, протезів у медицині та багато іншого.

Фреони

Десятиліттями фреони (або фреони) використовувалися в аерозолях і холодильних системах для холодильників і морозильних камер. Зараз їх використання заборонено у всьому світі. Хімічно вони є хлорованими та фторованими похідними насичених вуглеводнів, головним чином метану або етану. Вони є дуже леткими рідинами, які виділяють багато теплової енергії, змінюючи стан речовини. Фреони нерозчинні у воді і не виявляють хімічної активності з іншими сполуками. Найбільш відомі фреони дихлордифторметан і 1,1,1,2-тетрафторетан. Після багатьох років інтенсивного використання фреонів у побутових хімікатах було продемонстровано, що вони руйнують озоновий шар , втрата якого посилює шкідливий вплив сонячної радіації. Ці сполуки відповідають за 14%парникового ефекту. На жаль, молекули CFC є стійкими і можуть залишатися в атмосфері до 130 років.

Хлорбензол

Серед галогенованих ароматичних вуглеводнів найбільше промислове значення має хлорбензол . Його отримують шляхом хлорування бензольного кільця хлором у присутності заліза, яке каталізує процес. Хлорбензол — це безбарвна, легколетка, добре розчинна у воді рідина, яка широко використовується в хімічній промисловості. Ця сполука є ключовим субстратом у виробництві агрохімікатів , включаючи (але не обмежуючись ними) гербіциди, фунгіциди та інші засоби захисту рослин . Хімічна промисловість охоче використовує хлорбензол у промисловості пластмас , де він служить антиоксидантною добавкою для каучуків або добавкою у виробництві поліаніліну. Інше використання хлорбензолу включає виробництво барвників, активних фармацевтичних інгредієнтів (так званих API) , розчинників і хімічних сполук.

Тетрахлорметан

Тетрахлорметан (чотирихлористий вуглець) є повністю хлорованим похідним метану. Належить до групи галогеноалканів. При кімнатній температурі це безбарвна рідина з солодкуватим запахом. Він негорючий. Він малорозчинний у воді, але дуже добре розчинний в органічних розчинниках. До недавнього часу він широко використовувався як розчинник, зокрема в хімічній промисловості, але він дуже токсичний і небезпечний для навколишнього середовища. Ось чому протягом кількох років метою було значно скоротити використання чотирихлористого вуглецю. Сьогодні його можна знайти в таких продуктах, як розчинники, засоби для чищення та миття або рідини для вогнегасників (особливо призначені для гасіння палаючих нафтопродуктів).