Hidrocarbonetos halogenados: produção, propriedades químicas, aplicação

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

Os hidrocarbonetos são uma classe muito grande de compostos orgânicos. Eles incluem vários grupos principais de substâncias, entre os quais quase todos são amplamente utilizados na indústria, na vida cotidiana e na natureza. De particular importância são os hidrocarbonetos halogenados, que serão discutidos no artigo. Eles não são apenas de alta importância industrial, mas também são importantes matérias-primas para muitas sínteses químicas, obtenção de medicamentos e outros compostos importantes. Vamos prestar atenção especial à estrutura de suas moléculas, propriedades e outras características.

Hidrocarbonetos halogenados: características gerais

Do ponto de vista da ciência química, esta classe de compostos inclui todos os hidrocarbonetos em que um ou mais átomos de hidrogênio são substituídos por um ou outro halogênio. Esta é uma categoria muito ampla de substâncias, pois são de grande importância industrial. Por muito pouco tempo as pessoasaprendeu a sintetizar quase todos os derivados de halogênio de hidrocarbonetos, cujo uso é necessário na medicina, na indústria química, na indústria alimentícia e na vida cotidiana.

O principal método de obtenção desses compostos é a via sintética em laboratório e indústria, pois quase nenhum deles ocorre na natureza. Devido à presença de um átomo de halogênio, eles são altamente reativos. Isso determina em grande parte o escopo de sua aplicação em sínteses químicas como intermediários.

Como existem muitos representantes de hidrocarbonetos halogenados, é costume classificá-los de acordo com diferentes critérios. Baseia-se tanto na estrutura da cadeia quanto na multiplicidade de ligações, e na diferença dos átomos de halogênio e sua posição.

Derivados de halogênio de hidrocarbonetos: classificação

A primeira opção de separação é baseada em princípios geralmente aceitos que se aplicam a todos os compostos orgânicos. A classificação é baseada na diferença do tipo de cadeia carbônica, sua ciclicidade. Com base nisso, eles distinguem:

• hidrocarbonetos halogenados limitados;
• ilimitado;
• aromático;
• alifático;
• acíclico.

A seguinte divisão é baseada no tipo de átomo de halogênio e seu conteúdo quantitativo na molécula. Então, aloque:

• derivadas mono;
• diderivadas;
• três-;
• tetra-;
• derivados penta e assim por diante.

Se falarmos sobre o tipo de halogênio, então o nome do subgrupo consiste em duas palavras. Por exemplo, o derivado de monocloro,derivado de triiodo, tetrabromohaloalceno e assim por diante.

Há também outra opção de classificação, segundo a qual são separados principalmente os derivados de halogênio de hidrocarbonetos saturados. Este é o número do átomo de carbono ao qual o halogênio está ligado. Então, aloque:

• derivadas primárias;
• secundário;
• terciário e assim por diante.

Cada representante específico pode ser classificado por todos os sinais e determinar o lugar completo no sistema de compostos orgânicos. Assim, por exemplo, um composto com a composição CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3pode classificar assim. É um derivado tricloro alifático insaturado do penteno.}

A estrutura da molécula

A presença de átomos de halogênio não pode deixar de afetar as propriedades físicas e químicas, e as características gerais da estrutura da molécula. A fórmula geral para esta classe de compostos é R-Hal, onde R é um radical hidrocarboneto livre de qualquer estrutura, e Hal é um átomo de halogênio, um ou mais. A ligação entre carbono e halogênio é fortemente polarizada, de modo que a molécula como um todo é propensa a dois efeitos:

• indutivo negativo;
• mesomérico positivo.

O primeiro deles é muito mais pronunciado, então o átomo Hal sempre exibe as propriedades de um substituinte retirador de elétrons.

Caso contrário, todas as características estruturais da molécula não são diferentes daquelas dos hidrocarbonetos comuns. As propriedades são explicadas pela estrutura da cadeia e suaramificação, o número de átomos de carbono, a força das características aromáticas.

A nomenclatura dos derivados de halogênio de hidrocarbonetos merece atenção especial. Qual é o nome correto para essas conexões? Para fazer isso, você precisa seguir algumas regras.

1. A numeração da cadeia começa na borda mais próxima do átomo de halogênio. Se houver qualquer ligação múltipla, a contagem regressiva começa a partir dela, e não do substituinte retirador de elétrons.
2. O nome Hal é indicado no prefixo, o número do átomo de carbono do qual ele parte também deve ser indicado.
3. O último passo é nomear a cadeia principal de átomos (ou anel).

Um exemplo de um nome semelhante: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dicloropropeno-1.

Além disso, o nome pode ser dado de acordo com a nomenclatura racional. Nesse caso, o nome do radical é pronunciado e, em seguida, o nome do halogênio com o sufixo -id. Exemplo: CH₃-CH₂-CH₂Br - brometo de propilo.

Como outras classes de compostos orgânicos, os hidrocarbonetos halogenados possuem uma estrutura especial. Isso permite que muitos representantes sejam designados por nomes históricos. Por exemplo, halotano CF₃CBrClH. A presença de três halogênios ao mesmo tempo na composição da molécula fornece a essa substância propriedades especiais. É usado na medicina, portanto, é o nome histórico mais usado.

Métodos de síntese

Métodos para obter derivados de halogênio de hidrocarbonetos são suficientesvariado. Existem cinco métodos principais para a síntese desses compostos no laboratório e na indústria.

1. Halogenação de hidrocarbonetos normais convencionais. Esquema geral de reação: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. As características do processo são as seguintes: com cloro e bromo, é necessária a irradiação ultravioleta, com iodo a reação é quase impossível ou muito lenta. A interação com o flúor é muito ativa, então esse halogênio não pode ser usado em sua forma pura. Além disso, ao halogenar derivados aromáticos, é necessário usar catalisadores de processo especiais - ácidos de Lewis. Por exemplo, cloreto de ferro ou alumínio.
2. A obtenção de derivados de halogênio de hidrocarbonetos também é realizada por hidrohalogenação. No entanto, para isso, o composto de partida deve necessariamente ser um hidrocarboneto insaturado. Exemplo: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Na maioria das vezes, essa adição eletrofílica é usada para obter cloretileno ou cloreto de vinila, pois esse composto é uma importante matéria-prima para sínteses industriais.
3. O efeito de hidrohalogênios em álcoois. Visão geral da reação: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Uma característica é a presença obrigatória de um catalisador. Exemplos de aceleradores de processo que podem ser utilizados são cloretos de fósforo, enxofre, zinco ou ferro, ácido sulfúrico, uma solução de cloreto de zinco em ácido clorídrico - reagente Lucas.
4. Descarboxilação de sais ácidos com um agente oxidante. Outro nome para o método é a reação de Borodin-Hunsdicker. A linha inferior é a remoção de uma molécula de dióxido de carbonode derivados de prata de ácidos carboxílicos quando expostos a um agente oxidante - halogênio. Como resultado, são formados derivados de halogênio de hidrocarbonetos. As reações em geral são assim: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Síntese de haloformas. Em outras palavras, esta é a produção de derivados trihalógenos do metano. A maneira mais fácil de produzi-los é tratar acetona com uma solução alcalina de halogênios. Como resultado, ocorre a formação de moléculas halofórmio. Derivados de halogênio de hidrocarbonetos aromáticos são sintetizados na indústria da mesma forma.

Especial atenção deve ser dada à síntese de representantes ilimitados da classe considerada. O principal método é o tratamento de alcinos com sais de mercúrio e cobre na presença de halogênios, o que leva à formação de um produto com dupla ligação na cadeia.

Os derivados de halogênio de hidrocarbonetos aromáticos são obtidos por reações de halogenação de arenos ou alquilarenos em uma cadeia lateral. São produtos industriais importantes, pois são usados como inseticidas na agricultura.

Propriedades físicas

As propriedades físicas dos derivados de halogênio de hidrocarbonetos dependem diretamente da estrutura da molécula. Os pontos de ebulição e fusão, o estado de agregação são afetados pelo número de átomos de carbono na cadeia e possíveis ramificações para o lado. Quanto mais deles, maiores as pontuações. Em geral, é possível caracterizar os parâmetros físicos em vários pontos.

1. Estado agregado: o primeiro mais baixorepresentantes - gases, subsequentes a С₁₂ - líquidos, acima - sólidos.
2. Quase todos os representantes têm um cheiro específico desagradável.
3. Muito pouco solúvel em água, mas excelentes solventes. Dissolvem-se muito bem em compostos orgânicos.
4. Os pontos de ebulição e fusão aumentam com o número de átomos de carbono na cadeia principal.
5. Todos os compostos, exceto os derivados de flúor, são mais pesados que a água.
6. Quanto mais ramificações na cadeia principal, menor o ponto de ebulição da substância.

É difícil identificar muitas semelhanças em comum, porque os representantes diferem muito em composição e estrutura. Portanto, é melhor fornecer valores para cada composto específico de uma determinada série de hidrocarbonetos.

Propriedades Químicas

Um dos parâmetros mais importantes que devem ser levados em consideração na indústria química e nas reações de síntese são as propriedades químicas dos hidrocarbonetos halogenados. Eles não são os mesmos para todos os representantes, pois há várias razões para a diferença.

1. A estrutura da cadeia de carbono. As reações de substituição mais simples (do tipo nucleofílico) ocorrem com haloalquilas secundárias e terciárias.
2. O tipo de átomo de halogênio também é importante. A ligação entre carbono e Hal é fortemente polarizada, o que facilita a quebra com a liberação de radicais livres. No entanto, a ligação entre o iodo e o carbono quebra mais facilmente, o que é explicado por uma mudança regular (diminuição) na energia de ligação na série: F-Cl-Br-I.
3. A presença de aromas aromáticosligações radicais ou múltiplas.
4. Estrutura e ramificação do próprio radical.

Em geral, alquilas halogenadas reagem melhor com substituição nucleofílica. Afinal, uma carga parcialmente positiva é concentrada no átomo de carbono após a quebra da ligação com o halogênio. Isso permite que o radical como um todo se torne um aceptor de partículas eletronegativas. Por exemplo:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NÃO₂^-;
• CN^- e outros.

Isso explica o fato de que é possível ir de derivados de halogênio de hidrocarbonetos para quase qualquer classe de compostos orgânicos, basta escolher o reagente apropriado que fornecerá o grupo funcional desejado.

Em geral, podemos dizer que as propriedades químicas dos derivados de halogênio de hidrocarbonetos são a capacidade de entrar nas seguintes interações.

1. Com vários tipos de partículas nucleofílicas - reações de substituição. O resultado pode ser: álcoois, éteres e ésteres, compostos nitro, aminas, nitrilas, ácidos carboxílicos.
2. Reações de eliminação ou desidrohalogenação. Como resultado da exposição a uma solução alcoólica de álcali, uma molécula de haleto de hidrogênio é clivada. É assim que um alceno é formado, subprodutos de baixo peso molecular - sal e água. Exemplo de reação: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(álcool) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Esses processos são uma das principais formas de sintetizar importantes alcenos. O processo é sempre acompanhado por altas temperaturas.
3. Obtenção de alcanos de estrutura normal pelo método de síntese de Wurtz. A essência da reação é o efeito sobre um hidrocarboneto substituído por halogênio (duas moléculas) com sódio metálico. Como um íon fortemente eletropositivo, o sódio aceita átomos de halogênio do composto. Como resultado, os radicais de hidrocarbonetos liberados são interligados por uma ligação, formando um alcano de uma nova estrutura. Exemplo: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Síntese de homólogos de hidrocarbonetos aromáticos pelo método de Friedel-Crafts. A essência do processo é a ação do haloalquil sobre o benzeno na presença de cloreto de alumínio. Como resultado da reação de substituição, ocorre a formação de tolueno e cloreto de hidrogênio. Neste caso, é necessária a presença de um catalisador. Além do próprio benzeno, seus homólogos também podem ser oxidados dessa maneira.
5. Pegando o líquido Greignard. Este reagente é um hidrocarboneto substituído por halogênio com um íon magnésio na composição. Inicialmente, o magnésio metálico em éter atua sobre o derivado haloalquil. Como resultado, um composto complexo com a fórmula geral RMgHal é formado, chamado reagente de Greignard.
6. Reações de redução ao alcano (alceno, arena). Realizado quando exposto ao hidrogênio. Como resultado, um hidrocarboneto e um subproduto, haleto de hidrogênio, são formados. Exemplo geral: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Estas são as principais interações em quederivados de halogênio de hidrocarbonetos de várias estruturas são capazes de entrar facilmente. Claro, existem reações específicas que devem ser consideradas para cada representante individual.

Isomeria de moléculas

Isomerismo de hidrocarbonetos halogenados é um fenômeno bastante natural. Afinal, sabe-se que quanto mais átomos de carbono na cadeia, maior o número de formas isoméricas. Além disso, representantes insaturados possuem ligações múltiplas, o que também faz com que os isômeros apareçam.

Existem duas variedades principais deste fenômeno para esta classe de compostos.

1. Isomerismo do esqueleto de carbono do radical e da cadeia principal. Isso também inclui a posição da ligação múltipla, se existir na molécula. Tal como acontece com os hidrocarbonetos simples, a partir do terceiro representante, fórmulas de compostos que têm expressões moleculares idênticas, mas diferentes fórmulas estruturais, podem ser escritas. Além disso, para hidrocarbonetos substituídos por halogênio, o número de formas isoméricas é uma ordem de grandeza maior do que para seus alcanos correspondentes (alcenos, alcinos, arenos e assim por diante).
2. A posição do halogênio na molécula. Seu lugar no nome é indicado por um número e, mesmo que mude apenas um, as propriedades de tais isômeros já serão completamente diferentes.

Isomerismo espacial está fora de questão aqui, porque os átomos de halogênio tornam isso impossível. Como todos os outros compostos orgânicos, os isômeros haloalquil diferem não apenas na estrutura, mas também nas propriedades físicas e químicas.características.

Derivados de hidrocarbonetos insaturados

Existem, é claro, muitas dessas conexões. No entanto, estamos interessados em derivados de halogênios de hidrocarbonetos insaturados. Eles também podem ser divididos em três grupos principais.

1. Vinil - quando o átomo de Hal está localizado diretamente no átomo de carbono da ligação múltipla. Exemplo de molécula: CH₂=CCL_2.
2. Com posição isolada. O átomo de halogênio e a ligação múltipla estão localizados em partes opostas da molécula. Exemplo: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Derivados de alila - o átomo de halogênio está localizado na ligação dupla através de um átomo de carbono, ou seja, está na posição alfa. Exemplo: CH₂=CH-CH₂-CL.

De particular importância é o cloreto de vinilo CH₂=CHCL. É capaz de reações de polimerização para formar produtos importantes, como materiais de isolamento, tecidos impermeáveis e muito mais.

Outro representante dos derivados de halogênio insaturados é o cloropreno. Sua fórmula é CH2=CCL-CH=CH2. Este composto é a matéria-prima para a síntese de tipos valiosos de borracha, que se distinguem pela resistência ao fogo, longa vida útil e baixa permeabilidade ao gás.

Tetrafluoretileno (ou Teflon) é um polímero que possui parâmetros técnicos de alta qualidade. É usado para a fabricação de um valioso revestimento de peças técnicas, utensílios, aparelhos diversos. Fórmula - CF₂=CF₂.

Aromáticohidrocarbonetos e seus derivados

Compostos aromáticos são aqueles compostos que incluem um anel benzênico. Entre eles, há também todo um grupo de derivados de halogênio. Dois tipos principais podem ser distinguidos por sua estrutura.

1. Se o átomo de Hal está ligado diretamente ao núcleo, ou seja, ao anel aromático, então os compostos são chamados de haloarenos.
2. O átomo de halogênio não está ligado ao anel, mas à cadeia lateral dos átomos, ou seja, o radical vai para o ramo lateral. Tais compostos são chamados de haletos de arilalquila.

Entre as substâncias consideradas, há vários representantes da maior importância prática.

1. Hexaclorobenzeno - C₆Cl₆. Desde o início do século 20, tem sido usado como um forte fungicida, bem como um inseticida. Tem um bom efeito desinfetante, por isso foi usado para vestir as sementes antes da semeadura. Possui odor desagradável, o líquido é bastante cáustico, transparente e pode causar lacrimejamento.
2. brometo de benzila С₆Н₅CH₂Br. Usado como um reagente importante na síntese de compostos organometálicos.
3. Clorobenzeno C₆H₅CL. Substância líquida incolor com odor específico. É usado na produção de corantes, pesticidas. É um dos melhores solventes orgânicos.

Uso Industrial

Os derivados de halogênio de hidrocarbonetos são usados na indústria e na síntese químicamuito amplo. Já falamos sobre representantes insaturados e aromáticos. Agora vamos denotar em geral as áreas de uso de todos os compostos desta série.

1. Em construção.
2. Como solventes.
3. Na produção de tecidos, borrachas, borrachas, corantes, materiais poliméricos.
4. Para a síntese de muitos compostos orgânicos.
5. Derivados de flúor (freons) são refrigerantes em unidades de refrigeração.
6. Usado como pesticidas, inseticidas, fungicidas, óleos, óleos secantes, resinas, lubrificantes.
7. Ir para a fabricação de materiais isolantes, etc.