פחמימנים הלוגנים: ייצור, תכונות כימיות, יישום

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 05:26

פחמימנים הם מחלקה גדולה מאוד של תרכובות אורגניות. הם כוללים מספר קבוצות עיקריות של חומרים, שביניהן כמעט כל אחד מהם נמצא בשימוש נרחב בתעשייה, בחיי היומיום ובטבע. חשיבות מיוחדת הם פחמימנים הלוגנים, אשר יידונו במאמר. הם לא רק בעלי חשיבות תעשייתית גבוהה, אלא גם חומרי גלם חשובים לסינתזות כימיות רבות, להשגת תרופות ותרכובות חשובות אחרות. נקדיש תשומת לב מיוחדת למבנה המולקולות, התכונות והתכונות האחרות שלהן.

פחמימנים הלוגנים: מאפיינים כלליים

מנקודת המבט של מדע הכימיה, סוג זה של תרכובות כולל את כל אותם פחמימנים שבהם אטום מימן אחד או יותר מוחלפים בהלוגן כזה או אחר. זוהי קטגוריה רחבה מאוד של חומרים, שכן הם בעלי חשיבות תעשייתית רבה. לזמן די קצר אנשיםלמד כיצד לסנתז כמעט את כל נגזרות ההלוגן של פחמימנים, שהשימוש בהם הכרחי ברפואה, בתעשייה הכימית, בתעשיית המזון ובחיי היומיום.

השיטה העיקרית להשגת תרכובות אלו היא המסלול הסינטטי במעבדה ובתעשייה, שכן כמעט אף אחת מהן לא מתרחשת בטבע. בשל נוכחותו של אטום הלוגן, הם מגיבים מאוד. זה קובע במידה רבה את היקף היישום שלהם בסינתזות כימיות כחומרי ביניים.

מכיוון שיש הרבה נציגים של פחמימנים הלוגנים, נהוג לסווג אותם לפי קריטריונים שונים. הוא מבוסס גם על מבנה השרשרת וגם על ריבוי הקשרים, וגם על ההבדל באטומי ההלוגן ובמיקומם.

נגזרות הלוגן של פחמימנים: סיווג

אפשרות ההפרדה הראשונה מבוססת על עקרונות מקובלים החלים על כל התרכובות האורגניות. הסיווג מבוסס על ההבדל בסוג שרשרת הפחמן, המחזוריות שלה. על בסיס זה, הם מבחינים:

• פחמימנים הלוגנים מוגבלים;
• unlimited;
• ארומטי;
• aliphatic;
• acyclic.

החלוקה הבאה מבוססת על סוג אטום הלוגן והתכולה הכמותית שלו במולקולה. אז, הקצו:

• נגזרות מונו;
• diderivatives;
• three-;
• tetra-;
• נגזרות פנטה וכן הלאה.

אם מדברים על סוג ההלוגן, אז שם תת-הקבוצה מורכב משתי מילים. לדוגמה, נגזרת המונוכלורו,נגזרת טרייוד, טטרברומוהלואלקן וכן הלאה.

ישנה גם אפשרות סיווג נוספת, לפיה מופרדות בעיקר נגזרות הלוגן של פחמימנים רוויים. זהו המספר של אטום הפחמן שאליו מחובר ההלוגן. אז, הקצו:

• נגזרות ראשוניות;
• secondary;
• שלישוני וכן הלאה.

ניתן לדרג כל נציג ספציפי לפי כל הסימנים ולקבוע את המקום המלא במערכת התרכובות האורגניות. כך, למשל, תרכובת עם ההרכב CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3יכול לסווג כך. זוהי נגזרת טריכלורו אליפאטית בלתי רוויה של פנטן.}

מבנה המולקולה

נוכחותם של אטומי הלוגן אינה יכולה שלא להשפיע הן על התכונות הפיזיקליות והן הכימיות, והן על התכונות הכלליות של מבנה המולקולה. הנוסחה הכללית עבור מחלקה זו של תרכובות היא R-Hal, כאשר R הוא רדיקל פחמימני חופשי מכל מבנה, והאל הוא אטום הלוגן, אחד או יותר. הקשר בין פחמן להלוגן מקוטב חזק, וכתוצאה מכך המולקולה כולה נוטה לשתי השפעות:

• אינדוקטיבי שלילי;
• מזומר חיובי.

הראשון שבהם בולט הרבה יותר, כך שאטום האל תמיד מציג את התכונות של תחליף מושך אלקטרונים.

אחרת, כל התכונות המבניות של המולקולה אינן שונות מאלו של פחמימנים רגילים. המאפיינים מוסברים על ידי מבנה השרשרת ושלההסתעפות, מספר אטומי הפחמן, חוזק התכונות הארומטיות.

המינוח של נגזרות הלוגן של פחמימנים ראויה לתשומת לב מיוחדת. מהו השם הנכון לחיבורים אלו? כדי לעשות זאת, עליך לפעול לפי כמה כללים.

1. המספור של השרשרת מתחיל מהקצה הקרוב לאטום ההלוגן. אם יש קשר מרובה כלשהו, אז הספירה לאחור מתחילה ממנו, ולא מהתחליף מושך האלקטרונים.
2. השם Hal מצוין בקידומת, יש לציין גם את מספר אטום הפחמן ממנו הוא יוצא.
3. השלב האחרון הוא לתת שם לשרשרת הראשית של האטומים (או הטבעת).

דוגמה לשם דומה: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichloropropene-1.

כמו כן, ניתן לתת את השם לפי מינוח רציונלי. במקרה זה, שם הרדיקל מבוטא, ולאחר מכן את שם ההלוגן עם הסיומת -id. דוגמה: CH₃-CH₂-CH₂Br - פרופיל ברומיד.

כמו סוגים אחרים של תרכובות אורגניות, לפחמימנים הלוגנים יש מבנה מיוחד. זה מאפשר לייצג נציגים רבים בשמות היסטוריים. לדוגמה, halothane CF₃CBrClH. נוכחותם של שלושה הלוגנים בבת אחת בהרכב המולקולה מספקת לחומר זה תכונות מיוחדות. הוא משמש ברפואה, לכן, זהו השם ההיסטורי המשמש לרוב.

שיטות סינתזה

מספיקות שיטות להשגת נגזרות הלוגן של פחמימניםמגוון. קיימות חמש שיטות עיקריות לסינתזה של תרכובות אלו במעבדה ובתעשייה.

1. הלוגנציה של פחמימנים רגילים רגילים. סכימת תגובה כללית: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. התכונות של התהליך הן כדלקמן: עם כלור וברום, הקרנה אולטרה סגולה נחוצה, עם יוד התגובה כמעט בלתי אפשרית או איטית מאוד. האינטראקציה עם פלואור פעילה מדי, ולכן לא ניתן להשתמש בהלוגן זה בצורתו הטהורה. בנוסף, בעת הלוגנציה של נגזרות ארומטיות, יש צורך להשתמש בזרזי תהליכים מיוחדים - חומצות לואיס. לדוגמה, כלוריד ברזל או אלומיניום.
2. השגת נגזרות הלוגן של פחמימנים מתבצעת גם על ידי הידרו-הלוגן. עם זאת, לשם כך, התרכובת ההתחלתית חייבת להיות בהכרח פחמימן בלתי רווי. דוגמה: R=R-R + HHal → R-R-RHal. לרוב, תוספת אלקטרופילית כזו משמשת להשגת כלוראתילן או ויניל כלוריד, שכן תרכובת זו היא חומר גלם חשוב לסינתזות תעשייתיות.
3. השפעת ההידרוגלוגים על אלכוהול. תצוגה כללית של התגובה: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. תכונה היא נוכחות חובה של זרז. דוגמאות למאיצי תהליך שניתן להשתמש בהם הם זרחן, גופרית, כלורי אבץ או ברזל, חומצה גופרתית, תמיסה של אבץ כלורי בחומצה הידרוכלורית - ריאגנט לוקאס.
4. Decarboxylation של מלחי חומצה עם חומר מחמצן. שם נוסף לשיטה הוא תגובת בורודין-הונסדיקר. השורה התחתונה היא הסרה של מולקולת פחמן דו חמצנימנגזרות כסף של חומצות קרבוקסיליות בחשיפה לחומר מחמצן - הלוגן. כתוצאה מכך נוצרות נגזרות הלוגן של פחמימנים. התגובות באופן כללי נראות כך: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. סינתזה של הלופורמים. במילים אחרות, זהו ייצור של נגזרות טריהלוגן של מתאן. הדרך הקלה ביותר לייצר אותם היא לטפל באצטון בתמיסה בסיסית של הלוגנים. כתוצאה מכך מתרחשת היווצרות מולקולות הלופורמיות. נגזרות הלוגן של פחמימנים ארומטיים מסונתזות בתעשייה באותו אופן.

יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לסינתזה של נציגים בלתי מוגבלים של המעמד הנחשב. השיטה העיקרית היא טיפול באלקנים עם מלחי כספית ונחושת בנוכחות הלוגנים, מה שמוביל ליצירת מוצר בעל קשר כפול בשרשרת.

נגזרות הלוגן של פחמימנים ארומטיים מתקבלות על ידי תגובות הלוגנציה של ארנים או אלקילרנים לשרשרת צדדית. אלו הם מוצרים תעשייתיים חשובים שכן הם משמשים כקוטלי חרקים בחקלאות.

נכסים פיזיים

התכונות הפיזיקליות של נגזרות הלוגן של פחמימנים תלויות ישירות במבנה המולקולה. נקודות הרתיחה וההיתוך, מצב הצבירה מושפעים ממספר אטומי הפחמן בשרשרת והסתעפויות אפשריות לצד. ככל שיהיו יותר, כך הציונים גבוהים יותר. באופן כללי, ניתן לאפיין את הפרמטרים הפיזיים במספר נקודות.

1. מצב מצטבר: הראשון הנמוך ביותרנציגים - גזים, לאחר С₁₂ - נוזלים, למעלה - מוצקים.
2. כמעט לכל הנציגים יש ריח ספציפי חד לא נעים.
3. מסיס מאוד גרוע במים, אבל ממיסים מצוינים עצמם. הם מתמוססים טוב מאוד בתרכובות אורגניות.
4. נקודות הרתיחה וההתכה עולות עם מספר אטומי הפחמן בשרשרת הראשית.
5. כל התרכובות מלבד נגזרות פלואור כבדות יותר ממים.
6. ככל שיש יותר סניפים בשרשרת הראשית, כך נקודת הרתיחה של החומר נמוכה יותר.

קשה לזהות הרבה קווי דמיון משותפים, כי הנציגים שונים מאוד בהרכב ובמבנה. לכן, עדיף לתת ערכים לכל תרכובת ספציפית מסדרה נתונה של פחמימנים.

מאפיינים כימיים

אחד הפרמטרים החשובים ביותר שיש לקחת בחשבון בתעשייה הכימית ובתגובות הסינתזה הוא התכונות הכימיות של פחמימנים הלוגנים. הם אינם זהים עבור כל הנציגים, שכן ישנן מספר סיבות להבדל.

1. מבנה שרשרת הפחמן. תגובות ההחלפה הפשוטות ביותר (מהסוג הנוקלאופילי) מתרחשות עם הלואלקילים משניים ושלישוניים.
2. גם סוג אטום הלוגן חשוב. הקשר בין פחמן להאל מקוטב חזק, מה שמקל על ניתוק עם שחרור רדיקלים חופשיים. עם זאת, הקשר בין יוד לפחמן מתפרק הכי קל, מה שמוסבר בשינוי קבוע (ירידה) באנרגיית הקשר בסדרה: F-Cl-Br-I.
3. נוכחות של ארומטיקשרים רדיקליים או מרובים.
4. מבנה והסתעפות של הרדיקל עצמו.

באופן כללי, אלקילים הלוגנים מגיבים בצורה הטובה ביותר עם החלפה נוקלאופילי. אחרי הכל, מטען חיובי חלקי מתרכז באטום הפחמן לאחר שבירת הקשר עם ההלוגן. זה מאפשר לרדיקל בכללותו להפוך למקבל של חלקיקים אלקטרוניים שליליים. לדוגמה:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- ואחרים.

זה מסביר את העובדה שאפשר לעבור מנגזרות הלוגן של פחמימנים כמעט לכל סוג של תרכובות אורגניות, אתה רק צריך לבחור את הריאגנט המתאים שיספק את הקבוצה הפונקציונלית הרצויה.

באופן כללי, אנו יכולים לומר שהתכונות הכימיות של נגזרות הלוגן של פחמימנים הן היכולת להיכנס לאינטראקציות הבאות.

1. עם סוגים שונים של חלקיקים נוקלאופיליים - תגובות החלפה. התוצאה יכולה להיות: אלכוהול, אתרים ואסטרים, תרכובות ניטרו, אמינים, ניטרילים, חומצות קרבוקסיליות.
2. תגובות של חיסול או דה-הידרו-הלוגנציה. כתוצאה מחשיפה לתמיסה אלכוהולית של אלקלי, מולקולת מימן הליד מתבקעת. כך נוצר אלקן, תוצרי לוואי במשקל מולקולרי נמוך - מלח ומים. דוגמה לתגובה: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _{(אלכוהול)} →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. תהליכים אלה הם אחת הדרכים העיקריות לסנתז אלקנים חשובים.התהליך מלווה תמיד בטמפרטורות גבוהות.
3. השגת אלקנים בעלי מבנה תקין בשיטת סינתזה של Wurtz. מהות התגובה היא ההשפעה על פחמימן מוחלף בהלוגן (שתי מולקולות) עם נתרן מתכתי. בתור יון אלקטרופוזיטיבי חזק, נתרן מקבל אטומי הלוגן מהתרכובת. כתוצאה מכך, רדיקלי הפחמימנים המשוחררים מחוברים זה לזה על ידי קשר, ויוצרים אלקן של מבנה חדש. דוגמה: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. סינתזה של הומולוגיות של פחמימנים ארומטיים בשיטת Friedel-Crafts. מהות התהליך היא פעולת הלואלקיל על בנזן בנוכחות אלומיניום כלוריד. כתוצאה מתגובת ההחלפה מתרחשת היווצרות של טולואן ומימן כלורי. במקרה זה, יש צורך בנוכחות של זרז. בנוסף לבנזן עצמו, ניתן לחמצן את ההומולוגיות שלו בדרך זו.
5. לקבל את הנוזל של גריינארד. מגיב זה הוא פחמימן המוחלף בהלוגן עם יון מגנזיום בהרכב. בתחילה, מגנזיום מתכתי באתר פועל על נגזרת ההלואלקיל. כתוצאה מכך, נוצרת תרכובת מורכבת עם הנוסחה הכללית RMgHal, הנקראת מגיב Greignard.
6. תגובות הפחתה לאלקן (אלקן, זירה). מתבצע בעת חשיפה למימן. כתוצאה מכך נוצרים פחמימן ותוצר לוואי, מימן הליד. דוגמה כללית: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

אלה הן האינטראקציות העיקריות שבהןנגזרות הלוגן של פחמימנים של מבנים שונים מסוגלים להיכנס בקלות. כמובן, ישנן תגובות ספציפיות שיש לקחת בחשבון עבור כל נציג בנפרד.

איזומריזם של מולקולות

איזומריזם של פחמימנים הלוגנים היא תופעה טבעית למדי. הרי ידוע שככל שיש יותר אטומי פחמן בשרשרת, כך מספר הצורות האיזומריות גבוה יותר. בנוסף, לנציגים בלתי רוויים יש קשרים מרובים, מה שגם גורם להופעת איזומרים.

יש שני זנים עיקריים של תופעה זו עבור מחלקה זו של תרכובות.

1. איזומריזם של שלד הפחמן של הרדיקל והשרשרת הראשית. זה כולל גם את מיקומו של הקשר המרובה, אם הוא קיים במולקולה. כמו בפחמימנים פשוטים, החל מהנציג השלישי, ניתן לכתוב נוסחאות של תרכובות שיש להן ביטויי נוסחה מבניים זהים אך שונים. יתרה מכך, עבור פחמימנים מוחלפים בהלוגן, מספר הצורות האיזומריות גבוה בסדר גודל מאשר עבור האלקנים המקבילים להם (אלקנים, אלקנים, ארנים וכן הלאה).
2. מיקום ההלוגן במולקולה. מקומו בשם מסומן במספר, וגם אם הוא ישתנה רק באחד, אז המאפיינים של איזומרים כאלה כבר יהיו שונים לחלוטין.

איזומריזם מרחבי לא בא בחשבון כאן, כי אטומי הלוגן הופכים את זה לבלתי אפשרי. כמו כל התרכובות האורגניות האחרות, איזומרי הלואלקיל שונים לא רק במבנה, אלא גם בתכונות הפיזיקליות והכימיות.מאפיינים.

נגזרים של פחמימנים בלתי רוויים

יש, כמובן, הרבה קשרים כאלה. עם זאת, אנו מעוניינים בנגזרות הלוגן של פחמימנים בלתי רוויים. ניתן גם לחלק אותם לשלוש קבוצות עיקריות.

1. ויניל - כאשר אטום האל ממוקם ישירות באטום הפחמן של הקשר המרובה. דוגמה למולקולה: CH₂=CCL_2.
2. עם מיקום מבודד. אטום ההלוגן והקשר המרובה ממוקמים בחלקים מנוגדים של המולקולה. דוגמה: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. נגזרות Allyl - אטום ההלוגן ממוקם לקשר הכפול דרך אטום פחמן אחד, כלומר הוא נמצא במיקום אלפא. דוגמה: CH₂=CH-CH₂-CL.

חשוב במיוחד הוא ויניל כלוריד CH₂=CHCL. הוא מסוגל לבצע תגובות פילמור ליצירת מוצרים חשובים כגון חומרי בידוד, בדים עמידים למים ועוד.

נציג נוסף של נגזרות הלוגן בלתי רוויות הוא כלורופרן. הנוסחה שלו היא CH₂=CCL-CH=CH₂. תרכובת זו היא חומר הגלם לסינתזה של סוגי גומי יקרי ערך, הנבדלים על ידי עמידות בפני אש, חיי שירות ארוכים וחדירות גז ירודה.

Tetrafluoroethylene (או טפלון) הוא פולימר בעל פרמטרים טכניים איכותיים. הוא משמש לייצור ציפוי יקר ערך של חלקים טכניים, כלים, מכשירים שונים. נוסחה - CF₂=CF₂.

ארומטיפחמימנים ונגזרותיהם

תרכובות ארומטיות הן אותן תרכובות הכוללות טבעת בנזן. ביניהם יש גם קבוצה שלמה של נגזרות הלוגן. ניתן להבחין בין שני סוגים עיקריים לפי המבנה שלהם.

1. אם אטום האל קשור ישירות לגרעין, כלומר לטבעת הארומטית, אז התרכובות נקראות הלוארנים.
2. אטום ההלוגן אינו מחובר לטבעת, אלא לשרשרת הצדדית של האטומים, כלומר הרדיקל שהולך לענף הצדדי. תרכובות כאלה נקראות arylalkyl halides.

בין החומרים הנבדקים, ישנם מספר נציגים בעלי החשיבות המעשית הגדולה ביותר.

1. Hexachlorobenzene - C₆Cl₆. מאז תחילת המאה ה-20 הוא משמש כקוטל פטריות חזק וגם כקוטל חרקים. יש לו אפקט חיטוי טוב, ולכן הוא שימש להלבשת זרעים לפני הזריעה. יש לו ריח לא נעים, הנוזל די קאוסטי, שקוף, ויכול לגרום לדמעות.
2. Benzyl Bromide С₆Н₅CH₂Br. משמש כמגיב חשוב בסינתזה של תרכובות אורגנו-מתכתיות.
3. כלורבנזן C₆H₅CL. חומר נוזלי חסר צבע עם ריח ספציפי. הוא משמש בייצור של צבעים, חומרי הדברה. זהו אחד הממיסים האורגניים הטובים ביותר.

שימוש תעשייתי

נגזרות הלוגן של פחמימנים משמשות בתעשייה ובסינתזה כימיתרחב מאוד. כבר דיברנו על נציגים בלתי רוויים וארומטיים. כעת נסמן באופן כללי את תחומי השימוש של כל התרכובות בסדרה זו.

1. בבנייה.
2. כמו ממסים.
3. בייצור בדים, גומי, גומיות, צבעים, חומרים פולימריים.
4. לסינתזה של תרכובות אורגניות רבות.
5. נגזרות פלואור (פריונים) הם חומרי קירור ביחידות קירור.
6. משמש כחומרי הדברה, קוטלי חרקים, קוטלי פטריות, שמנים, שמנים מייבשים, שרפים, חומרי סיכה.
7. עבור לייצור חומרי בידוד וכו'.