Hidrocarburos halogenados: producción, propiedades químicas, aplicación

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 05:23

Los hidrocarburos son una clase muy amplia de compuestos orgánicos. Incluyen varios grupos principales de sustancias, entre las cuales casi todas se usan ampliamente en la industria, la vida cotidiana y la naturaleza. De particular importancia son los hidrocarburos halogenados, que se discutirán en el artículo. No solo son de gran importancia industrial, sino que también son importantes materias primas para muchas síntesis químicas, obtención de medicamentos y otros compuestos importantes. Prestemos especial atención a la estructura de sus moléculas, propiedades y otras características.

Hidrocarburos halogenados: características generales

Desde el punto de vista de la ciencia química, esta clase de compuestos incluye todos aquellos hidrocarburos en los que uno o más átomos de hidrógeno están sustituidos por uno u otro halógeno. Esta es una categoría muy amplia de sustancias, ya que son de gran importancia industrial. Durante muy poco tiempo la genteaprendió a sintetizar casi todos los derivados halógenos de los hidrocarburos, cuyo uso es necesario en la medicina, la industria química, la industria alimentaria y la vida cotidiana.

El principal método de obtención de estos compuestos es la vía sintética en laboratorio e industria, ya que casi ninguno de ellos se da en la naturaleza. Debido a la presencia de un átomo de halógeno, son altamente reactivos. Esto determina en gran medida el alcance de su aplicación en síntesis químicas como productos intermedios.

Dado que existen muchos representantes de los hidrocarburos halogenados, se acostumbra clasificarlos de acuerdo con diferentes criterios. Se basa tanto en la estructura de la cadena y la multiplicidad de enlaces, como en la diferencia de los átomos de halógeno y su posición.

Halógenos derivados de los hidrocarburos: clasificación

La primera opción de separación se basa en principios generalmente aceptados que se aplican a todos los compuestos orgánicos. La clasificación se basa en la diferencia en el tipo de cadena de carbono, su ciclicidad. Sobre esta base, distinguen:

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

La siguiente división se basa en el tipo de átomo de halógeno y su contenido cuantitativo en la molécula. Por lo tanto, asigne:

• derivados mono;
• diderivadas;
• tres-;
• tetra-;
• derivados de penta y así sucesivamente.

Si hablamos del tipo de halógeno, entonces el nombre del subgrupo consta de dos palabras. Por ejemplo, el derivado monoclorado,derivado de triyodo, tetrabromohaloalqueno, etc.

También existe otra opción de clasificación, según la cual se separan principalmente derivados halógenos de hidrocarburos saturados. Este es el número del átomo de carbono al que está unido el halógeno. Por lo tanto, asigne:

• derivadas primarias;
• secundario;
• terciario y así sucesivamente.

Cada representante específico puede clasificarse por todos los signos y determinar el lugar completo en el sistema de compuestos orgánicos. Entonces, por ejemplo, un compuesto con la composición CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3puede clasificarse así. Es un tricloro alifático insaturado derivado del penteno.}

La estructura de la molécula

La presencia de átomos de halógeno no puede sino afectar tanto las propiedades físicas y químicas como las características generales de la estructura de la molécula. La fórmula general para esta clase de compuestos es R-Hal, donde R es un radical hidrocarbonado libre de cualquier estructura y Hal es un átomo de halógeno, uno o más. El enlace entre el carbono y el halógeno está fuertemente polarizado, por lo que la molécula en su conjunto es propensa a dos efectos:

• inductivo negativo;
• mesomérico positivo.

El primero de ellos es mucho más pronunciado, por lo que el átomo de Hal siempre exhibe las propiedades de un sustituyente atractor de electrones.

De lo contrario, todas las características estructurales de la molécula no son diferentes de las de los hidrocarburos ordinarios. Las propiedades se explican por la estructura de la cadena y suramificación, el número de átomos de carbono, la fuerza de las características aromáticas.

La nomenclatura de los derivados halogenados de los hidrocarburos merece especial atención. ¿Cuál es el nombre correcto para estas conexiones? Para hacer esto, debe seguir algunas reglas.

1. La numeración de la cadena comienza desde el borde más cercano al átomo de halógeno. Si hay algún enlace múltiple, la cuenta regresiva comienza a partir de él, y no del sustituyente atractor de electrones.
2. El nombre Hal se indica en el prefijo, también se debe indicar el número del átomo de carbono del que parte.
3. El último paso es nombrar la cadena principal de átomos (o anillo).

Un ejemplo de un nombre similar: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dicloropropeno-1.

Además, el nombre se puede dar de acuerdo con la nomenclatura racional. En este caso, se pronuncia el nombre del radical y luego el nombre del halógeno con el sufijo -id. Ejemplo: CH₃-CH₂-CH₂Br - bromuro de propilo.

Al igual que otras clases de compuestos orgánicos, los hidrocarburos halogenados tienen una estructura especial. Esto permite que muchos representantes sean designados por nombres históricos. Por ejemplo, halotano CF₃CBrClH. La presencia de tres halógenos a la vez en la composición de la molécula proporciona a esta sustancia propiedades especiales. Se usa en medicina, por lo tanto, es el nombre histórico que se usa con más frecuencia.

Métodos de síntesis

Los métodos para obtener derivados halogenados de hidrocarburos son suficientesvariado. Existen cinco métodos principales para la síntesis de estos compuestos en el laboratorio y la industria.

1. Halogenación de hidrocarburos normales convencionales. Esquema general de reacción: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Las características del proceso son las siguientes: con cloro y bromo es necesaria la irradiación ultravioleta, con yodo la reacción es casi imposible o muy lenta. La interacción con el flúor es demasiado activa, por lo que este halógeno no se puede utilizar en su forma pura. Además, cuando se halogenan derivados aromáticos, es necesario utilizar catalizadores de proceso especiales: ácidos de Lewis. Por ejemplo, cloruro de hierro o aluminio.
2. La obtención de derivados halogenados de hidrocarburos también se realiza por hidrohalogenación. Sin embargo, para ello, el compuesto de partida debe ser necesariamente un hidrocarburo insaturado. Ejemplo: R=R-R + HHal → R-R-RHal. La mayoría de las veces, dicha adición electrofílica se usa para obtener cloroetileno o cloruro de vinilo, ya que este compuesto es una materia prima importante para las síntesis industriales.
3. El efecto de los hidrohalógenos en los alcoholes. Vista general de la reacción: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Una característica es la presencia obligatoria de un catalizador. Ejemplos de aceleradores de proceso que se pueden utilizar son fósforo, azufre, zinc o cloruros de hierro, ácido sulfúrico, una solución de cloruro de zinc en ácido clorhídrico - reactivo de Lucas.
4. Descarboxilación de sales ácidas con un agente oxidante. Otro nombre para el método es la reacción de Borodin-Hunsdicker. El resultado final es la eliminación de una molécula de dióxido de carbono.de derivados de plata de ácidos carboxílicos cuando se exponen a un agente oxidante - halógeno. Como resultado, se forman derivados halógenos de hidrocarburos. Las reacciones en general se ven así: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Síntesis de haloformas. En otras palabras, se trata de la producción de derivados trihalógenos del metano. La forma más fácil de producirlos es tratar la acetona con una solución alcalina de halógenos. Como resultado, se produce la formación de moléculas de haloformo. Los derivados halógenos de los hidrocarburos aromáticos se sintetizan en la industria de la misma manera.

Debe prestarse especial atención a la síntesis de representantes ilimitados de la clase considerada. El método principal es el tratamiento de alquinos con sales de mercurio y cobre en presencia de halógenos, lo que conduce a la formación de un producto con un doble enlace en la cadena.

Los derivados halógenos de hidrocarburos aromáticos se obtienen mediante reacciones de halogenación de arenos o alquilarenos en una cadena lateral. Estos son productos industriales importantes ya que se utilizan como insecticidas en la agricultura.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas de los derivados halógenos de los hidrocarburos dependen directamente de la estructura de la molécula. Los puntos de ebullición y fusión, el estado de agregación se ven afectados por el número de átomos de carbono en la cadena y posibles ramificaciones al lado. Cuantos más de ellos, mayor será la puntuación. En general, es posible caracterizar los parámetros físicos en varios puntos.

1. Estado agregado: el primero más bajorepresentantes - gases, después de С₁₂ - líquidos, arriba - sólidos.
2. Casi todos los representantes tienen un fuerte olor específico desagradable.
3. Muy poco soluble en agua, pero excelentes disolventes en sí mismos. Se disuelven muy bien en compuestos orgánicos.
4. Los puntos de ebullición y fusión aumentan con el número de átomos de carbono en la cadena principal.
5. Todos los compuestos, excepto los derivados del flúor, son más pesados que el agua.
6. Cuantas más ramas haya en la cadena principal, menor será el punto de ebullición de la sustancia.

Es difícil identificar muchas similitudes en común, porque los representantes difieren mucho en composición y estructura. Por lo tanto, es mejor dar valores para cada compuesto específico de una serie dada de hidrocarburos.

Propiedades químicas

Uno de los parámetros más importantes a tener en cuenta en la industria química y las reacciones de síntesis son las propiedades químicas de los hidrocarburos halogenados. No son iguales para todos los representantes, ya que existen varias razones para la diferencia.

1. La estructura de la cadena carbonada. Las reacciones de sustitución más simples (del tipo nucleofílico) ocurren con haloalquilos secundarios y terciarios.
2. El tipo de átomo de halógeno también es importante. El enlace entre el carbono y Hal está fuertemente polarizado, lo que facilita su ruptura con la liberación de radicales libres. Sin embargo, el enlace entre el yodo y el carbono se rompe más fácilmente, lo que se explica por un cambio regular (disminución) en la energía del enlace en la serie: F-Cl-Br-I.
3. La presencia de aromáticosenlaces radicales o múltiples.
4. Estructura y ramificación del propio radical.

En general, los alquilos halogenados reaccionan mejor con la sustitución nucleófila. Después de todo, una carga parcialmente positiva se concentra en el átomo de carbono después de romper el enlace con el halógeno. Esto permite que el radical en su conjunto se convierta en un aceptor de partículas electronegativas. Por ejemplo:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NO₂^-;
• CN^- y otros.

Esto explica el hecho de que es posible pasar de derivados halógenos de hidrocarburos a casi cualquier clase de compuestos orgánicos, solo necesita elegir el reactivo apropiado que proporcionará el grupo funcional deseado.

En general, podemos decir que las propiedades químicas de los derivados halógenos de los hidrocarburos son la capacidad de entrar en las siguientes interacciones.

1. Con varios tipos de partículas nucleófilas - reacciones de sustitución. El resultado puede ser: alcoholes, éteres y ésteres, nitrocompuestos, aminas, nitrilos, ácidos carboxílicos.
2. Reacciones de eliminación o deshidrohalogenación. Como resultado de la exposición a una solución alcohólica de álcali, se escinde una molécula de haluro de hidrógeno. Así es como se forma un alqueno, subproductos de bajo peso molecular: sal y agua. Ejemplo de reacción: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alcohol) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Estos procesos son una de las principales formas de sintetizar alquenos importantes. El proceso siempre va acompañado de altas temperaturas.
3. Obtención de alcanos de estructura normal por el método de síntesis de Wurtz. La esencia de la reacción es el efecto sobre un hidrocarburo sustituido con halógeno (dos moléculas) con sodio metálico. Como ion fuertemente electropositivo, el sodio acepta átomos de halógeno del compuesto. Como resultado, los radicales de hidrocarburo liberados se interconectan mediante un enlace, formando un alcano de nueva estructura. Ejemplo: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Síntesis de homólogos de hidrocarburos aromáticos por el método de Friedel-Crafts. La esencia del proceso es la acción del haloalquilo sobre el benceno en presencia de cloruro de aluminio. Como resultado de la reacción de sustitución, se produce la formación de tolueno y cloruro de hidrógeno. En este caso, es necesaria la presencia de un catalizador. Además del propio benceno, sus homólogos también pueden oxidarse de esta manera.
5. Obteniendo el líquido de Greignard. Este reactivo es un hidrocarburo sustituido con halógeno con un ion de magnesio en la composición. Inicialmente, el magnesio metálico en éter actúa sobre el derivado haloalquilo. Como resultado, se forma un compuesto complejo con la fórmula general RMgHal, llamado reactivo de Greignard.
6. Reacciones de reducción a alcano (alqueno, arena). Se lleva a cabo cuando se expone al hidrógeno. Como resultado, se forman un hidrocarburo y un subproducto, haluro de hidrógeno. Ejemplo general: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Estas son las principales interacciones en las queLos derivados de halógeno de hidrocarburos de diversas estructuras pueden ingresar fácilmente. Por supuesto, hay reacciones específicas que deben tenerse en cuenta para cada representante individual.

Isomería de moléculas

La isomería de los hidrocarburos halogenados es un fenómeno bastante natural. Después de todo, se sabe que cuantos más átomos de carbono hay en la cadena, mayor es el número de formas isoméricas. Además, los representantes insaturados tienen enlaces múltiples, lo que también provoca la aparición de isómeros.

Hay dos variedades principales de este fenómeno para esta clase de compuestos.

1. Isomería del esqueleto carbonado del radical y la cadena principal. Esto también incluye la posición del enlace múltiple, si existe en la molécula. Al igual que con los hidrocarburos simples, a partir del tercer representante, se pueden escribir fórmulas de compuestos que tienen expresiones de fórmula estructural moleculares idénticas pero diferentes. Además, para los hidrocarburos sustituidos con halógeno, el número de formas isoméricas es un orden de magnitud mayor que para sus alcanos correspondientes (alquenos, alquinos, arenos, etc.).
2. La posición del halógeno en la molécula. Su lugar en el nombre está indicado por un número, e incluso si cambia solo por uno, las propiedades de tales isómeros ya serán completamente diferentes.

La isomería espacial está fuera de discusión aquí, porque los átomos de halógeno lo hacen imposible. Como todos los demás compuestos orgánicos, los isómeros de haloalquilo difieren no solo en estructura, sino también en propiedades físicas y químicas.características.

Derivados de hidrocarburos insaturados

Hay, por supuesto, muchas de esas conexiones. Sin embargo, estamos interesados en derivados halógenos de hidrocarburos insaturados. También se pueden dividir en tres grupos principales.

1. Vinilo: cuando el átomo de Hal se encuentra directamente en el átomo de carbono del enlace múltiple. Ejemplo de molécula: CH₂=CCL_2.
2. Con posición aislada. El átomo de halógeno y el enlace múltiple se encuentran en partes opuestas de la molécula. Ejemplo: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Derivados alílicos: el átomo de halógeno se encuentra en el doble enlace a través de un átomo de carbono, es decir, está en la posición alfa. Ejemplo: CH₂=CH-CH₂-CL.

De particular importancia es el cloruro de vinilo CH₂=CHCL. Es capaz de reacciones de polimerización para formar productos importantes como materiales aislantes, telas impermeables y más.

Otro representante de los derivados de halógenos insaturados es el cloropreno. Su fórmula es CH₂=CCL-CH=CH₂. Este compuesto es la materia prima para la síntesis de valiosos tipos de caucho, que se distinguen por su resistencia al fuego, su larga vida útil y su escasa permeabilidad a los gases.

El tetrafluoroetileno (o teflón) es un polímero que tiene parámetros técnicos de alta calidad. Se utiliza para la fabricación de un revestimiento valioso de piezas técnicas, utensilios, diversos electrodomésticos. Fórmula - CF₂=CF₂.

Aromáticohidrocarburos y sus derivados

Los compuestos aromáticos son aquellos compuestos que incluyen un anillo de benceno. Entre ellos también hay un grupo completo de derivados de halógeno. Se pueden distinguir dos tipos principales por su estructura.

1. Si el átomo de Hal está unido directamente al núcleo, es decir, al anillo aromático, los compuestos se denominan haloarenos.
2. El átomo de halógeno no está conectado al anillo, sino a la cadena lateral de átomos, es decir, el radical que va a la rama lateral. Estos compuestos se denominan haluros de arilalquilo.

Entre las sustancias bajo consideración, hay varios representantes de la mayor importancia práctica.

1. Hexaclorobenceno - C₆Cl₆. Desde principios del siglo XX, se ha utilizado como un fungicida fuerte, así como también como insecticida. Tiene un buen efecto desinfectante, por lo que se utilizó para preparar semillas antes de la siembra. Tiene un olor desagradable, el líquido es bastante cáustico, transparente y puede causar lagrimeo.
2. Bromuro de bencilo С₆Н₅CH₂Br. Se utiliza como reactivo importante en la síntesis de compuestos organometálicos.
3. Clorobenceno C₆H₅CL. Sustancia líquida incolora con un olor específico. Se utiliza en la producción de tintes, pesticidas. Es uno de los mejores disolventes orgánicos.

Uso industrial

Los derivados halógenos de los hidrocarburos se utilizan en la industria y en la síntesis químicamuy ancho. Ya hemos hablado de representantes insaturados y aromáticos. Ahora denotemos en general las áreas de uso de todos los compuestos de esta serie.

1. En construcción.
2. Como disolventes.
3. En la producción de tejidos, caucho, cauchos, tintes, materiales poliméricos.
4. Para la síntesis de muchos compuestos orgánicos.
5. Los derivados del flúor (freones) son refrigerantes en las unidades de refrigeración.
6. Utilizados como pesticidas, insecticidas, fungicidas, aceites, aceites secantes, resinas, lubricantes.
7. Ir a la fabricación de materiales aislantes, etc.