Idrocarburi alogenati: produzione, proprietà chimiche, applicazione

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 05:31

Gli idrocarburi sono una classe molto ampia di composti organici. Includono diversi gruppi principali di sostanze, tra le quali quasi tutte sono ampiamente utilizzate nell'industria, nella vita quotidiana e nella natura. Di particolare importanza sono gli idrocarburi alogenati, di cui parleremo nell'articolo. Non sono solo di grande importanza industriale, ma sono anche materie prime importanti per molte sintesi chimiche, ottenendo medicinali e altri composti importanti. Prestiamo particolare attenzione alla struttura delle loro molecole, proprietà e altre caratteristiche.

Idrocarburi alogenati: caratteristiche generali

Dal punto di vista della scienza chimica, questa classe di composti comprende tutti quegli idrocarburi in cui uno o più atomi di idrogeno sono sostituiti da uno o dall' altro alogeno. Si tratta di una categoria di sostanze molto ampia, in quanto di grande importanza industriale. Per un periodo abbastanza breve genteimparato a sintetizzare quasi tutti i derivati alogeni degli idrocarburi, il cui uso è necessario in medicina, industria chimica, industria alimentare e nella vita di tutti i giorni.

Il metodo principale per ottenere questi composti è la via sintetica in laboratorio e nell'industria, poiché quasi nessuno di essi si trova in natura. A causa della presenza di un atomo di alogeno, sono altamente reattivi. Questo determina in gran parte l'ambito della loro applicazione nelle sintesi chimiche come intermedi.

Poiché ci sono molti rappresentanti di idrocarburi alogenati, è consuetudine classificarli secondo criteri diversi. Si basa sia sulla struttura della catena e sulla molteplicità dei legami, sia sulla differenza degli atomi di alogeno e sulla loro posizione.

Derivati alogeni di idrocarburi: classificazione

La prima opzione di separazione si basa su principi generalmente accettati che si applicano a tutti i composti organici. La classificazione si basa sulla differenza nel tipo di catena del carbonio, sulla sua ciclicità. Su questa base, distinguono:

• idrocarburi alogenati limitati;
• illimitato;
• aromatico;
• alifatico;
• aciclico.

La seguente divisione si basa sul tipo di atomo di alogeno e sul suo contenuto quantitativo nella molecola. Quindi, alloca:

• derivati mono;
• derivate;
• tre-;
• tetra-;
• derivati penta e così via.

Se parliamo del tipo di alogeno, il nome del sottogruppo è composto da due parole. Ad esempio, il derivato monocloro,derivato del triiodio, tetrabromoaloalchene e così via.

Esiste anche un' altra opzione di classificazione, secondo la quale vengono separati principalmente i derivati alogeni di idrocarburi saturi. Questo è il numero dell'atomo di carbonio a cui è attaccato l'alogeno. Quindi, alloca:

• derivati primari;
• secondaria;
• terziario e così via.

Ogni rappresentante specifico può essere classificato da tutti i segni e determinare il posto pieno nel sistema dei composti organici. Quindi, ad esempio, un composto con la composizione CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3può classificarsi in questo modo. È un derivato tricloro alifatico insaturo del pentene.}

La struttura della molecola

La presenza di atomi di alogeno non può che influenzare sia le proprietà fisiche e chimiche, sia le caratteristiche generali della struttura della molecola. La formula generale per questa classe di composti è R-Hal, dove R è un radicale idrocarburico libero di qualsiasi struttura e Hal è un atomo di alogeno, uno o più. Il legame tra carbonio e alogeno è fortemente polarizzato, per cui la molecola nel suo insieme è soggetta a due effetti:

• negativo induttivo;
• mesomerico positivo.

Il primo di essi è molto più pronunciato, quindi l'atomo di Hal mostra sempre le proprietà di un sostituente che si ritira elettroni.

Diversamente, tutte le caratteristiche strutturali della molecola non sono diverse da quelle degli idrocarburi ordinari. Le proprietà sono spiegate dalla struttura della catena e dalla suaramificazione, il numero di atomi di carbonio, la forza delle caratteristiche aromatiche.

La nomenclatura dei derivati alogeni degli idrocarburi merita un'attenzione particolare. Qual è il nome corretto per queste connessioni? Per fare ciò, devi seguire alcune regole.

1. La numerazione della catena inizia dal bordo più vicino all'atomo di alogeno. Se esiste un legame multiplo, il conto alla rovescia inizia da esso e non dal sostituente che ritira l'elettrone.
2. Nel prefisso è indicato il nome Hal, va indicato anche il numero dell'atomo di carbonio da cui si discosta.
3. L'ultimo passaggio consiste nel nominare la catena principale di atomi (o anello).

Un esempio di un nome simile: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dicloropropene-1.

Inoltre, il nome può essere dato secondo una nomenclatura razionale. In questo caso si pronuncia il nome del radicale, quindi il nome dell'alogeno con il suffisso -id. Esempio: CH₃-CH₂-CH₂Br - bromuro di propile.

Come altre classi di composti organici, gli idrocarburi alogenati hanno una struttura speciale. Ciò consente a molti rappresentanti di essere designati con nomi storici. Ad esempio, alotano CF₃CBrClH. La presenza di tre alogeni contemporaneamente nella composizione della molecola conferisce a questa sostanza proprietà speciali. È usato in medicina, quindi è il nome storico più usato.

Metodi di sintesi

Metodi per ottenere derivati alogeni di idrocarburi sono sufficientivario. Esistono cinque metodi principali per la sintesi di questi composti in laboratorio e nell'industria.

1. Alogenazione di idrocarburi normali convenzionali. Schema di reazione generale: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Le caratteristiche del processo sono le seguenti: con cloro e bromo è necessaria l'irradiazione ultravioletta, con iodio la reazione è quasi impossibile o molto lenta. L'interazione con il fluoro è troppo attiva, quindi questo alogeno non può essere utilizzato nella sua forma pura. Inoltre, quando si alogenano i derivati aromatici, è necessario utilizzare speciali catalizzatori di processo: gli acidi di Lewis. Ad esempio, cloruro di ferro o alluminio.
2. Anche l'ottenimento di derivati alogeni di idrocarburi viene effettuato mediante idroalogenazione. Tuttavia, per questo, il composto di partenza deve essere necessariamente un idrocarburo insaturo. Esempio: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Molto spesso, tale aggiunta elettrofila viene utilizzata per ottenere cloroetilene o cloruro di vinile, poiché questo composto è un'importante materia prima per le sintesi industriali.
3. L'effetto degli alogeni sugli alcoli. Vista generale della reazione: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Una caratteristica è la presenza obbligatoria di un catalizzatore. Esempi di acceleratori di processo utilizzabili sono fosforo, zolfo, cloruri di zinco o ferro, acido solforico, una soluzione di cloruro di zinco in acido cloridrico - reagente Lucas.
4. Decarbossilazione dei sali acidi con un agente ossidante. Un altro nome per il metodo è la reazione di Borodin-Hunsdicker. La linea di fondo è la rimozione di una molecola di anidride carbonicadai derivati d'argento degli acidi carbossilici se esposti a un agente ossidante - alogeno. Di conseguenza, si formano derivati alogeni di idrocarburi. Le reazioni in generale sono così: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Sintesi di aloformi. In altre parole, si tratta della produzione di derivati trialogeni del metano. Il modo più semplice per produrli è trattare l'acetone con una soluzione alcalina di alogeni. Di conseguenza, si verifica la formazione di molecole aloformi. I derivati alogeni degli idrocarburi aromatici sono sintetizzati nell'industria allo stesso modo.

Si dovrebbe prestare particolare attenzione alla sintesi di rappresentanti illimitati della classe considerata. Il metodo principale è il trattamento degli alchini con mercurio e sali di rame in presenza di alogeni, che porta alla formazione di un prodotto con un doppio legame nella catena.

I derivati alogeni di idrocarburi aromatici sono ottenuti mediante reazioni di alogenazione di areni o alchilareni in una catena laterale. Si tratta di prodotti industriali importanti in quanto utilizzati come insetticidi in agricoltura.

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche dei derivati alogeni degli idrocarburi dipendono direttamente dalla struttura della molecola. I punti di ebollizione e di fusione, lo stato di aggregazione sono influenzati dal numero di atomi di carbonio nella catena ed eventuali ramificazioni laterali. Più sono, più alti saranno i punteggi. In generale è possibile caratterizzare i parametri fisici in più punti.

1. Stato aggregato: il primo più bassorappresentanti - gas, successivi a С₁₂ - liquidi, sopra - solidi.
2. Quasi tutti i rappresentanti hanno un odore specifico e sgradevole.
3. Molto poco solubile in acqua, ma ottimi solventi stessi. Si dissolvono molto bene nei composti organici.
4. I punti di ebollizione e di fusione aumentano con il numero di atomi di carbonio nella catena principale.
5. Tutti i composti eccetto i derivati del fluoro sono più pesanti dell'acqua.
6. Più rami sono nella catena principale, minore è il punto di ebollizione della sostanza.

È difficile identificare molte somiglianze in comune, perché i rappresentanti differiscono molto per composizione e struttura. Pertanto, è meglio dare valori per ogni composto specifico da una data serie di idrocarburi.

Proprietà chimiche

Uno dei parametri più importanti che devono essere presi in considerazione nell'industria chimica e nelle reazioni di sintesi sono le proprietà chimiche degli idrocarburi alogenati. Non sono gli stessi per tutti i rappresentanti, poiché ci sono una serie di ragioni per la differenza.

1. La struttura della catena di carbonio. Le reazioni di sostituzione più semplici (di tipo nucleofilo) si verificano con aloalchili secondari e terziari.
2. Anche il tipo di atomo di alogeno è importante. Il legame tra carbonio e Hal è fortemente polarizzato, il che lo rende facile da rompere con il rilascio di radicali liberi. Tuttavia, il legame tra iodio e carbonio si rompe più facilmente, il che è spiegato da un regolare cambiamento (diminuzione) nell'energia del legame nella serie: F-Cl-Br-I.
3. La presenza di aromaticilegami radicali o multipli.
4. Struttura e ramificazione del radicale stesso.

In generale, gli alchili alogenati reagiscono meglio con la sostituzione nucleofila. Dopotutto, una carica parzialmente positiva si concentra sull'atomo di carbonio dopo aver rotto il legame con l'alogeno. Ciò consente al radicale nel suo insieme di diventare un accettore di particelle elettronegative. Ad esempio:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- e altri.

Questo spiega il fatto che è possibile passare da derivati alogeni di idrocarburi a quasi tutte le classi di composti organici, basta scegliere il reagente appropriato che fornirà il gruppo funzionale desiderato.

In generale, possiamo dire che le proprietà chimiche degli alogeni derivati degli idrocarburi sono la capacità di entrare nelle seguenti interazioni.

1. Con vari tipi di particelle nucleofile - reazioni di sostituzione. Il risultato può essere: alcoli, eteri ed esteri, nitrocomposti, ammine, nitrili, acidi carbossilici.
2. Reazioni di eliminazione o deidroalogenazione. Come risultato dell'esposizione a una soluzione alcolica di alcali, una molecola di alogenuro di idrogeno viene scissa. È così che si forma un alchene, sottoprodotti a basso peso molecolare: sale e acqua. Esempio di reazione: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alcool) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Questi processi sono uno dei modi principali per sintetizzare alcheni importanti. Il processo è sempre accompagnato da temperature elevate.
3. Ottenere alcani di struttura normale con il metodo di sintesi di Wurtz. L'essenza della reazione è l'effetto su un idrocarburo sostituito con alogeno (due molecole) con sodio metallico. Essendo uno ione fortemente elettropositivo, il sodio accetta atomi di alogeno dal composto. Di conseguenza, i radicali idrocarburici liberati sono interconnessi da un legame, formando un alcano di nuova struttura. Esempio: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Sintesi di omologhi di idrocarburi aromatici con il metodo Friedel-Crafts. L'essenza del processo è l'azione dell'aloalchile sul benzene in presenza di cloruro di alluminio. Come risultato della reazione di sostituzione, si verifica la formazione di toluene e acido cloridrico. In questo caso è necessaria la presenza di un catalizzatore. Oltre al benzene stesso, anche i suoi omologhi possono essere ossidati in questo modo.
5. Prendere il liquido Greignard. Questo reagente è un idrocarburo sostituito con alogeno con uno ione magnesio nella composizione. Inizialmente, il magnesio metallico in etere agisce sul derivato aloalchilico. Di conseguenza, si forma un composto complesso con la formula generale RMgHal, chiamato reagente di Greignard.
6. Reazioni di riduzione all'alcano (alchene, arena). Eseguito se esposto all'idrogeno. Di conseguenza, si formano un idrocarburo e un sottoprodotto, l'alogenuro di idrogeno. Esempio generale: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Queste sono le interazioni principali in cuisono in grado di entrare facilmente derivati alogeni di idrocarburi di varie strutture. Naturalmente, ci sono reazioni specifiche che dovrebbero essere prese in considerazione per ogni singolo rappresentante.

Isomeria delle molecole

L'isomeria degli idrocarburi alogenati è un fenomeno abbastanza naturale. Dopotutto, è noto che più atomi di carbonio nella catena, maggiore è il numero di forme isomeriche. Inoltre, i rappresentanti insaturi hanno legami multipli, che provocano anche la comparsa degli isomeri.

Ci sono due tipi principali di questo fenomeno per questa classe di composti.

1. Isomeria dello scheletro di carbonio del radicale e della catena principale. Ciò include anche la posizione del legame multiplo, se esiste nella molecola. Come per gli idrocarburi semplici, a partire dal terzo rappresentante, si possono scrivere formule di composti che hanno espressioni di formule molecolari identiche ma differenti. Inoltre, per gli idrocarburi alogeno-sostituiti, il numero di forme isomeriche è un ordine di grandezza superiore a quello dei corrispondenti alcani (alcheni, alchini, areni e così via).
2. La posizione dell'alogeno nella molecola. La sua posizione nel nome è indicata da un numero e, anche se cambia solo di uno, le proprietà di tali isomeri saranno già completamente diverse.

L'isomerismo spaziale è fuori questione qui, perché gli atomi di alogeno lo rendono impossibile. Come tutti gli altri composti organici, gli isomeri aloalchilici differiscono non solo per la struttura, ma anche per le proprietà fisiche e chimiche.caratteristiche.

Derivati di idrocarburi insaturi

Ci sono, ovviamente, molte di queste connessioni. Tuttavia, siamo interessati ai derivati alogeni di idrocarburi insaturi. Possono anche essere divisi in tre gruppi principali.

1. Vinile - quando l'atomo di Hal si trova direttamente sull'atomo di carbonio del legame multiplo. Esempio di molecola: CH₂=CCL_2.
2. Con posizione isolata. L'atomo di alogeno e il legame multiplo si trovano in parti opposte della molecola. Esempio: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Derivati allilici - l'atomo di alogeno si trova sul doppio legame attraverso un atomo di carbonio, cioè è in posizione alfa. Esempio: CH₂=CH-CH₂-CL.

Di particolare importanza è il cloruro di vinile CH₂=CHCL. È in grado di reazioni di polimerizzazione per formare prodotti importanti come materiali isolanti, tessuti impermeabili e altro ancora.

Un altro rappresentante dei derivati dell'alogeno insaturi è il cloroprene. La sua formula è CH₂=CCL-CH=CH₂. Questo composto è la materia prima per la sintesi di pregiati tipi di gomma, che si distinguono per resistenza al fuoco, lunga durata e scarsa permeabilità ai gas.

Tetrafluoroetilene (o Teflon) è un polimero che ha parametri tecnici di alta qualità. Viene utilizzato per la fabbricazione di un rivestimento pregiato di parti tecniche, utensili, elettrodomestici vari. Formula - CF₂=CF₂.

Aromaticoidrocarburi e loro derivati

I composti aromatici sono quei composti che includono un anello benzenico. Tra questi c'è anche un intero gruppo di derivati dell'alogeno. Si possono distinguere due tipi principali in base alla loro struttura.

1. Se l'atomo di Hal è legato direttamente al nucleo, cioè all'anello aromatico, i composti sono chiamati aloareni.
2. L'atomo di alogeno non è connesso all'anello, ma alla catena laterale di atomi, cioè il radicale che va al ramo laterale. Tali composti sono chiamati alogenuri arilalchilici.

Tra le sostanze in esame, ci sono diversi rappresentanti della massima importanza pratica.

1. Esaclorobenzene - C₆Cl₆. Dall'inizio del 20° secolo, è stato usato come un forte fungicida, oltre che come insetticida. Ha un buon effetto disinfettante, quindi veniva usato per condire i semi prima della semina. Ha un odore sgradevole, il liquido è piuttosto caustico, trasparente e può causare lacrimazione.
2. Bromuro di benzile С₆Н₅CH₂Br. Usato come importante reagente nella sintesi di composti organometallici.
3. Clorobenzene C₆H₅CL. Sostanza liquida incolore con un odore specifico. Viene utilizzato nella produzione di coloranti, pesticidi. È uno dei migliori solventi organici.

Uso industriale

I derivati alogeni degli idrocarburi sono utilizzati nell'industria e nella sintesi chimicamolto ampio. Abbiamo già parlato di rappresentanti insaturi e aromatici. Indichiamo ora in generale le aree di utilizzo di tutte le mescole di questa serie.

1. In costruzione.
2. Come solventi.
3. Nella produzione di tessuti, gomma, gomme, coloranti, materiali polimerici.
4. Per la sintesi di molti composti organici.
5. I derivati del fluoro (freon) sono refrigeranti nelle unità di refrigerazione.
6. Utilizzato come pesticidi, insetticidi, fungicidi, oli, oli essiccanti, resine, lubrificanti.
7. Vai alla produzione di materiali isolanti, ecc.