Hydrocarbures halogénés : production, propriétés chimiques, application

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 05:26

Les hydrocarbures sont une très grande classe de composés organiques. Ils comprennent plusieurs groupes principaux de substances, parmi lesquelles presque toutes sont largement utilisées dans l'industrie, la vie quotidienne et la nature. Les hydrocarbures halogénés, qui seront discutés dans l'article, revêtent une importance particulière. Ils sont non seulement d'une grande importance industrielle, mais sont également des matières premières importantes pour de nombreuses synthèses chimiques, l'obtention de médicaments et d'autres composés importants. Portons une attention particulière à la structure de leurs molécules, propriétés et autres caractéristiques.

Hydrocarbures halogénés: caractéristiques générales

Du point de vue de la science chimique, cette classe de composés comprend tous les hydrocarbures dans lesquels un ou plusieurs atomes d'hydrogène sont remplacés par un ou un autre halogène. Il s'agit d'une catégorie très large de substances, car elles sont d'une grande importance industrielle. Pendant assez peu de temps, les gensappris à synthétiser presque tous les dérivés halogénés des hydrocarbures, dont l'utilisation est nécessaire en médecine, dans l'industrie chimique, dans l'industrie alimentaire et dans la vie quotidienne.

La principale méthode d'obtention de ces composés est la voie de synthèse en laboratoire et dans l'industrie, car presque aucun d'entre eux n'existe dans la nature. En raison de la présence d'un atome d'halogène, ils sont très réactifs. Cela détermine en grande partie la portée de leur application dans les synthèses chimiques en tant qu'intermédiaires.

Comme il existe de nombreux représentants d'hydrocarbures halogénés, il est d'usage de les classer selon différents critères. Il est basé à la fois sur la structure de la chaîne et la multiplicité des liaisons, ainsi que sur la différence des atomes d'halogène et leur position.

Dérivés halogénés des hydrocarbures: classification

La première option de séparation est basée sur des principes généralement acceptés qui s'appliquent à tous les composés organiques. La classification est basée sur la différence de type de chaîne carbonée, sa cyclicité. Sur cette base, ils distinguent:

• hydrocarbures halogénés limités;
• illimité;
• aromatique;
• aliphatique;
• acyclique.

La division suivante est basée sur le type d'atome d'halogène et son contenu quantitatif dans la molécule. Alors, allouez:

• dérivés mono;
• didérivés;
• trois-;
• tétra-;
• dérivés penta et ainsi de suite.

Si nous parlons du type d'halogène, le nom du sous-groupe se compose de deux mots. Par exemple, le dérivé monochloro,dérivé de triiode, tétrabromohaloalcène et ainsi de suite.

Il existe également une autre option de classification, selon laquelle principalement les dérivés halogénés des hydrocarbures saturés sont séparés. C'est le numéro de l'atome de carbone auquel l'halogène est attaché. Alors, allouez:

• dérivés primaires;
• secondaire;
• tertiaire et ainsi de suite.

Chaque représentant spécifique peut être classé par tous les signes et déterminer la place complète dans le système des composés organiques. Ainsi, par exemple, un composé avec la composition CH₃ - CH₂-CH=CH-CCL_{3peut classer comme ça. C'est un dérivé trichloro aliphatique insaturé du pentène.}

La structure de la molécule

La présence d'atomes d'halogène ne peut qu'affecter à la fois les propriétés physiques et chimiques et les caractéristiques générales de la structure de la molécule. La formule générale de cette classe de composés est R-Hal, où R est un radical hydrocarbure libre de toute structure, et Hal est un atome d'halogène, un ou plusieurs. La liaison entre le carbone et l'halogène est fortement polarisée, ce qui fait que la molécule dans son ensemble est sujette à deux effets:

• inductif négatif;
• mésomérique positif.

Le premier d'entre eux est beaucoup plus prononcé, de sorte que l'atome Hal présente toujours les propriétés d'un substituant attracteur d'électrons.

Sinon, toutes les caractéristiques structurelles de la molécule ne sont pas différentes de celles des hydrocarbures ordinaires. Les propriétés s'expliquent par la structure de la chaîne et sonramification, le nombre d'atomes de carbone, la force des caractéristiques aromatiques.

La nomenclature des dérivés halogénés des hydrocarbures mérite une attention particulière. Quel est le nom correct de ces connexions ? Pour ce faire, vous devez suivre quelques règles.

1. La numérotation de la chaîne commence à partir du bord le plus proche de l'atome d'halogène. S'il existe une liaison multiple, le compte à rebours commence à partir de celle-ci et non du substituant attracteur d'électrons.
2. Le nom Hal est indiqué dans le préfixe, le numéro de l'atome de carbone dont il part doit également être indiqué.
3. La dernière étape consiste à nommer la chaîne principale d'atomes (ou anneau).

Un exemple de nom similaire: CH₂=CH-CHCL₂ - 3-dichloropropène-1.

Aussi, le nom peut être donné selon la nomenclature rationnelle. Dans ce cas, le nom du radical est prononcé, puis le nom de l'halogène avec le suffixe -id. Exemple: CH₃-CH₂-CH₂Br - bromure de propyle.

Comme les autres classes de composés organiques, les hydrocarbures halogénés ont une structure particulière. Cela permet à de nombreux représentants d'être désignés par des noms historiques. Par exemple, l'halothane CF₃CBrClH. La présence de trois halogènes à la fois dans la composition de la molécule confère à cette substance des propriétés particulières. Il est utilisé en médecine, c'est donc le nom historique qui est le plus souvent utilisé.

Méthodes de synthèse

Les méthodes d'obtention de dérivés halogénés d'hydrocarbures sont suffisantesvarié. Il existe cinq principales méthodes de synthèse de ces composés en laboratoire et dans l'industrie.

1. Halogénation des hydrocarbures normaux conventionnels. Schéma réactionnel général: R-H + Hal₂ → R-Hal + HHal. Les caractéristiques du procédé sont les suivantes: avec le chlore et le brome, une irradiation ultraviolette est nécessaire, avec l'iode, la réaction est presque impossible ou très lente. L'interaction avec le fluor est trop active, cet halogène ne peut donc pas être utilisé sous sa forme pure. De plus, lors de l'halogénation de dérivés aromatiques, il est nécessaire d'utiliser des catalyseurs de processus spéciaux - les acides de Lewis. Par exemple, chlorure de fer ou d'aluminium.
2. L'obtention de dérivés halogénés d'hydrocarbures s'effectue également par hydrohalogénation. Cependant, pour cela, le composé de départ doit nécessairement être un hydrocarbure insaturé. Exemple: R=R-R + HHal → R-R-RHal. Le plus souvent, un tel ajout électrophile est utilisé pour obtenir du chloroéthylène ou du chlorure de vinyle, car ce composé est une matière première importante pour les synthèses industrielles.
3. L'effet des hydrohalogènes sur les alcools. Vue générale de la réaction: R-OH + HHal→R-Hal + H₂O. Une caractéristique est la présence obligatoire d'un catalyseur. Des exemples d'accélérateurs de processus pouvant être utilisés sont les chlorures de phosphore, de soufre, de zinc ou de fer, l'acide sulfurique, une solution de chlorure de zinc dans l'acide chlorhydrique - réactif de Lucas.
4. Décarboxylation de sels acides avec un agent oxydant. Un autre nom pour la méthode est la réaction de Borodine-Hunsdicker. L'essentiel est l'élimination d'une molécule de dioxyde de carboneà partir de dérivés d'argent d'acides carboxyliques lorsqu'ils sont exposés à un agent oxydant - halogène. En conséquence, des dérivés halogénés d'hydrocarbures sont formés. Les réactions ressemblent généralement à ceci: R-COOAg + Hal → R-Hal + CO₂ + AgHal.
5. Synthèse d'haloformes. En d'autres termes, il s'agit de la production de dérivés trihalogénés du méthane. Le moyen le plus simple de les produire est de traiter l'acétone avec une solution alcaline d'halogènes. En conséquence, la formation de molécules haloformes se produit. Les dérivés halogénés des hydrocarbures aromatiques sont synthétisés dans l'industrie de la même manière.

Une attention particulière doit être accordée à la synthèse de représentants illimités de la classe considérée. La principale méthode est le traitement des alcynes avec du mercure et des sels de cuivre en présence d'halogènes, ce qui conduit à la formation d'un produit avec une double liaison dans la chaîne.

Les dérivés halogénés d'hydrocarbures aromatiques sont obtenus par des réactions d'halogénation d'arènes ou d'alkylarènes dans une chaîne latérale. Ce sont des produits industriels importants car ils sont utilisés comme insecticides dans l'agriculture.

Propriétés physiques

Les propriétés physiques des dérivés halogénés des hydrocarbures dépendent directement de la structure de la molécule. Les points d'ébullition et de fusion, l'état d'agrégation sont affectés par le nombre d'atomes de carbone dans la chaîne et les ramifications possibles sur le côté. Plus ils sont nombreux, plus les scores sont élevés. En général, il est possible de caractériser les paramètres physiques en plusieurs points.

1. État agrégé: le premier plus basreprésentants - gaz, après С₁₂ - liquides, au-dessus - solides.
2. Presque tous les représentants ont une forte odeur spécifique désagréable.
3. Très peu soluble dans l'eau, mais excellents solvants eux-mêmes. Ils se dissolvent très bien dans les composés organiques.
4. Les points d'ébullition et de fusion augmentent avec le nombre d'atomes de carbone dans la chaîne principale.
5. Tous les composés, à l'exception des dérivés du fluor, sont plus lourds que l'eau.
6. Plus il y a de branches dans la chaîne principale, plus le point d'ébullition de la substance est bas.

Il est difficile d'identifier de nombreuses similitudes en commun, car les représentants diffèrent grandement dans leur composition et leur structure. Par conséquent, il est préférable de donner des valeurs pour chaque composé spécifique d'une série donnée d'hydrocarbures.

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques des hydrocarbures halogénés sont l'un des paramètres les plus importants à prendre en compte dans l'industrie chimique et les réactions de synthèse. Ils ne sont pas les mêmes pour tous les représentants, car il y a plusieurs raisons à la différence.

1. La structure de la chaîne carbonée. Les réactions de substitution les plus simples (de type nucléophile) se produisent avec des halogénoalkyles secondaires et tertiaires.
2. Le type d'atome d'halogène est également important. La liaison entre le carbone et Hal est fortement polarisée, ce qui facilite sa rupture avec la libération de radicaux libres. Cependant, la liaison entre l'iode et le carbone se rompt le plus facilement, ce qui s'explique par une variation régulière (diminution) de l'énergie de la liaison dans la série: F-Cl-Br-I.
3. La présence d'arômesliaisons radicales ou multiples.
4. Structure et ramification du radical lui-même.

En général, les alkyles halogénés réagissent mieux avec la substitution nucléophile. Après tout, une charge partiellement positive est concentrée sur l'atome de carbone après avoir rompu la liaison avec l'halogène. Cela permet au radical dans son ensemble de devenir un accepteur de particules électronégatives. Par exemple:

• OH^-;
• SO₄^2-;
• NON₂^-;
• CN^- et autres.

Ceci explique le fait qu'il est possible de passer des dérivés halogénés des hydrocarbures à presque toutes les classes de composés organiques, il suffit de choisir le réactif approprié qui fournira le groupe fonctionnel désiré.

En général, on peut dire que les propriétés chimiques des dérivés halogénés des hydrocarbures sont la capacité d'entrer dans les interactions suivantes.

1. Avec divers types de particules nucléophiles - réactions de substitution. Le résultat peut être: alcools, éthers et esters, composés nitrés, amines, nitriles, acides carboxyliques.
2. Réactions d'élimination ou de déshydrohalogénation. À la suite d'une exposition à une solution alcoolique d'alcali, une molécule d'halogénure d'hydrogène est clivée. C'est ainsi qu'un alcène se forme, sous-produits de faible poids moléculaire - sel et eau. Exemple de réaction: CH₃-CH₂-CH₂-CH₂ Br + NaOH _(alcool) →CH₃-CH₂-CH=CH ₂ + NaBr + H₂O. Ces processus sont l'un des principaux moyens de synthétiser des alcènes importants. Le processus s'accompagne toujours de températures élevées.
3. Obtention d'alcanes de structure normale par la méthode de synthèse de Wurtz. L'essence de la réaction est l'effet sur un hydrocarbure substitué par un halogène (deux molécules) avec du sodium métallique. En tant qu'ion fortement électropositif, le sodium accepte les atomes d'halogène du composé. En conséquence, les radicaux hydrocarbonés libérés sont interconnectés par une liaison, formant un alcane d'une nouvelle structure. Exemple: CH₃-CH₂Cl + CH₃-CH₂ Cl + 2Na →CH₃-CH₂-CH₂-CH 3 _{+ 2NaCl.}
4. Synthèse d'homologues d'hydrocarbures aromatiques par la méthode de Friedel-Crafts. L'essence du procédé est l'action d'halogénoalkyle sur le benzène en présence de chlorure d'aluminium. À la suite de la réaction de substitution, il se produit la formation de toluène et de chlorure d'hydrogène. Dans ce cas, la présence d'un catalyseur est nécessaire. En plus du benzène lui-même, ses homologues peuvent également être oxydés de cette manière.
5. Récupérer le liquide Greignard. Ce réactif est un hydrocarbure substitué par un halogène avec un ion magnésium dans la composition. Initialement, le magnésium métallique dans l'éther agit sur le dérivé halogénoalkyle. En conséquence, un composé complexe de formule générale RMgHal est formé, appelé réactif de Greignard.
6. Réactions de réduction à l'alcane (alcène, arène). Effectué en cas d'exposition à l'hydrogène. En conséquence, un hydrocarbure et un sous-produit, l'halogénure d'hydrogène, sont formés. Exemple général: R-Hal + H₂ →R-H + HHal.

Ce sont les principales interactions dans lesquellesles dérivés halogénés d'hydrocarbures de diverses structures peuvent facilement pénétrer. Bien sûr, il y a des réactions spécifiques qui doivent être prises en compte pour chaque représentant individuel.

Isomérisme des molécules

L'isomérie des hydrocarbures halogénés est un phénomène assez naturel. Après tout, on sait que plus il y a d'atomes de carbone dans la chaîne, plus le nombre de formes isomères est élevé. De plus, les représentants insaturés ont de multiples liaisons, ce qui provoque également l'apparition d'isomères.

Il existe deux variétés principales de ce phénomène pour cette classe de composés.

1. Isomérisme du squelette carboné du radical et de la chaîne principale. Cela inclut également la position de la liaison multiple, si elle existe dans la molécule. Comme pour les hydrocarbures simples, à partir du troisième représentant, des formules de composés qui ont des expressions moléculaires identiques mais différentes peuvent être écrites. De plus, pour les hydrocarbures halogénés, le nombre de formes isomères est d'un ordre de grandeur plus élevé que pour leurs alcanes correspondants (alcènes, alcynes, arènes, etc.).
2. La position de l'halogène dans la molécule. Sa place dans le nom est indiquée par un nombre, et même s'il ne change que d'un seul, les propriétés de ces isomères seront déjà complètement différentes.

L'isomérie spatiale est hors de question ici, car les atomes d'halogène la rendent impossible. Comme tous les autres composés organiques, les isomères haloalkyle diffèrent non seulement par leur structure, mais également par leurs propriétés physiques et chimiques.caractéristiques.

Dérivés d'hydrocarbures insaturés

Il existe, bien sûr, de nombreuses connexions de ce type. Cependant, nous nous intéressons aux dérivés halogénés des hydrocarbures insaturés. Ils peuvent également être divisés en trois groupes principaux.

1. Vinyle - lorsque l'atome Hal est situé directement sur l'atome de carbone de la liaison multiple. Exemple de molécule: CH₂=CCL_2.
2. Avec position isolée. L'atome d'halogène et la liaison multiple sont situés dans des parties opposées de la molécule. Exemple: CH₂=CH-CH₂-CH₂-Cl.
3. Dérivés allyliques - l'atome d'halogène est situé sur la double liaison à travers un atome de carbone, c'est-à-dire qu'il est en position alpha. Exemple: CH₂=CH-CH₂-CL.

Le chlorure de vinyle CH₂=CHCL est particulièrement important. Il est capable de réactions de polymérisation pour former des produits importants tels que des matériaux d'isolation, des tissus imperméables, etc.

Un autre représentant des dérivés halogénés insaturés est le chloroprène. Sa formule est CH₂=CCL-CH=CH₂. Ce composé est la matière première pour la synthèse de types de caoutchouc précieux, qui se distinguent par leur résistance au feu, leur longue durée de vie et leur faible perméabilité aux gaz.

Le tétrafluoroéthylène (ou téflon) est un polymère qui possède des paramètres techniques de haute qualité. Il est utilisé pour la fabrication d'un revêtement précieux de pièces techniques, d'ustensiles, d'appareils divers. Formule - CF₂=CF₂.

Aromatiquehydrocarbures et leurs dérivés

Les composés aromatiques sont les composés qui comprennent un cycle benzénique. Parmi eux, il y a aussi tout un groupe de dérivés halogénés. Deux types principaux peuvent être distingués par leur structure.

1. Si l'atome Hal est lié directement au noyau, c'est-à-dire au cycle aromatique, alors les composés sont appelés haloarènes.
2. L'atome d'halogène n'est pas connecté au cycle, mais à la chaîne latérale d'atomes, c'est-à-dire au radical allant à la branche latérale. Ces composés sont appelés halogénures d'arylalkyle.

Parmi les substances considérées, il existe plusieurs représentants de la plus grande importance pratique.

1. Hexachlorobenzène - C₆Cl₆. Depuis le début du XXe siècle, il a été utilisé comme fongicide puissant, ainsi que comme insecticide. Il a un bon effet désinfectant, il a donc été utilisé pour habiller les graines avant le semis. Il a une odeur désagréable, le liquide est assez caustique, transparent et peut provoquer des larmoiements.
2. Bromure de benzyle С₆Н₅CH₂Br. Utilisé comme réactif important dans la synthèse de composés organométalliques.
3. Chlorobenzène C₆H₅CL. Substance liquide incolore avec une odeur spécifique. Il est utilisé dans la production de colorants, de pesticides. C'est l'un des meilleurs solvants organiques.

Utilisation industrielle

Les dérivés halogénés des hydrocarbures sont utilisés dans l'industrie et la synthèse chimiquetrès large. Nous avons déjà parlé des représentants insaturés et aromatiques. Désignons maintenant en général les domaines d'utilisation de tous les composés de cette série.

1. En construction.
2. Comme solvants.
3. Dans la production de tissus, caoutchouc, caoutchoucs, colorants, matériaux polymères.
4. Pour la synthèse de nombreux composés organiques.
5. Les dérivés du fluor (fréons) sont des fluides frigorigènes dans les unités de réfrigération.
6. Utilisé comme pesticides, insecticides, fongicides, huiles, huiles siccatives, résines, lubrifiants.
7. Aller à la fabrication de matériaux isolants, etc.