5..3 Химические свойства

 

Большинство галогенопроизводных углеводородов - весьма реакционноспособные соединения, широко применяемые в разнообразных синтезах. Это определяется тем, что атом любого галогена обладает большим сродством к электрону, чем атом углерода. σ-Связь C─Halg в галогеналкилах сильно поляризована, что приводит к возникновению пониженной электронной плотности на атоме углерода и повышенной на атоме галогена. Для органических молекул характерна  так называемая поляризуемость, т.е.  cпособность увеличивать полярность связи при подходе атакующего реагента. Поляризуемость связи тем больше, чем более объемиста и подвижна электронная оболочка атомов, образующих связь. Так, если полярность связей C-F, C-Cl, C-Br и C-J довольно близка, то поляризуемость связи C-J значительно больше, чем связи  C-F. В точном  соответствии с поляризуемостью во всех реакциях нуклеофильного замещения иодпроизводные максимально активны, а фторопроизводные практически не реакционноспособны.

На реакционную способность галогена оказывает большое влияние, и строение органического радикала. При нахождении галогена у углерода с кратной связью свободная электронная пара атома галогена сопряжена с      π-электронами двойной связи:

 

Это проявляется в заметном укорачивании связи C–Cl от 0,176 до   0,169 нм вследствие дополнительного взаимодействия и в очень сильном уменьшении реакционной способности. Атомы галогена при двойной связи практически не реакционноспособны. Напротив, у атома галогена в аллильном положении реакционная способность резко увеличивается. Это объясняется тем, что способность таких соединений к диссоциации заметно повышена

Образующийся аллильный карбкатион стабилизируется вследствие смещения π-электронной плотности на положительно заряженный атом углерода. Поэтому образование такого карбкатиона энергетически значительно более выгодно, чем алкилкатиона. Все реакции замещения аллильного галогена идут по механизму S_N1 и их скорость на несколько порядков выше, чем для алкилгалогенидов. По той же причине, что и в хлористом виниле, атом галогена в бензольном ядре мало реакционноспособен, однако бензильный атом галогена, как и в бромистом аллиле, очень легко вступает в реакции нуклеофильного замещения.

 

Реакция гидролиза

 При действии свежеприготовленной гидроокиси серебра или воды в присутствии щелочей галогеналкилы  дают спирты

Для первичных и вторичных алкилгалогенидов механизм этих реакций S_N2

Отрицательно заряженная гидроксильная группа атакует положительно заряженный атом углерода со стороны, противоположной отрицательно заряженному атому брома. При наличии достаточной энергии гидроксил приближается настолько, что между ним и атомом углерода начинает образовываться связь, а связь между атомами углерода и брома начинает разрываться. В этом переходном состоянии атом углерода и все три атома водорода находятся в одной плоскости (молекула «уплощена»). Затем анион брома выталкивается и образуется молекула  метилового спирта. Такой процесс называется  реакцией нуклеофильного замещения второго порядка (S_N2): нуклеофильного потому, что атакующая частица заряжена отрицательно; второго порядка - потому что скорость реакции зависит от концентрации как бромистого метила, так и гидроксила.

У третичных алкилгалогенидов подход отрицательно заряженной частицы затруднен имеющимися объемными заместителями, и процесс идет по другому механизму:

 

Хотя и в очень малой степени, но все же происходит процесс диссоциации третичного бромистого бутила. Образующийся третичный бутилкатион  мгновенно реагирует с находящимися в растворе нуклеофильными частицами:

В этом случае скорость реакции зависит только от процесса диссоциации и, следовательно, от концентрации в реакционной смеси третичного бромистого бутила и реакция в целом называется реакцией нуклеофильного замещения первого порядка S_N1.

Реакции замещения

К реакциям замещения, протекающим по нуклеофильному механизму, относятся реакции замещения галогена на CN-группу, аминогруппу, нитрогруппу, водород и т. д.

Реакция β-элиминирования (отщепления).

При действии на алкилгалогениды спиртовыми растворами щелочей  образуются алкены

Получение магнийорганических соединений.

Реакции по бензольному кольцу

Галогены ведут себя как ориентанты первого рода, хотя и затрудняют реакции электрофильного замещения

Реакции замещения галогена в бензольном ядре.

Галоген в бензольном кольце малоподвижен, но его способность к реакциям нуклеофильного замещения резко увеличивается при наличии в ядре сильных электроноакцепторных заместителей.

 

 

Понятие об инсектицидах

 

Некоторые галогенопроизводные: 4,4′-дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ), гексахлорциклогексан (гексахлоран) и другие относятся к так называемым инсектицидам – химическим веществам, применяемым для борьбы с вредными насекомыми. Инсектициды в виде порошков или растворов вносят в почву вместе с семенами или распыляют  с самолетов. Они являются эффективным средством  борьбы с вредителями с\х растений. В то же время их применение требует большой осторожности, так как они могут уничтожить полезную микрофлору, а попадая в организм человека и животных, оказывают вредное воздействие.

 

Фреоны

 

Большое применение в технике охлаждения получили полифторхлоруглероды (фреоны).

Производные метана обозначаются двухзначными, а производные этана – трехзначными цифрами. Последняя цифра обозначает  число атомов фтора, предпоследняя водорода, причем 1 обозначает отсутствие атомов водорода, Например:

F-12:   дифтордихлорметан   CCl₂F₂

F-114:   1,1,2,2,- тетрафтордихлорэтан   CClF₂-CClF₂

Фреоны – очень устойчивые соединения, они не гидролизуются, поэтому не корродируют металлы, используются как хладоагенты, как растворители инсектофунгицидов и как промежуточные продукты в синтезе фторпроизводных.

Наиболее распространенный фреон-12 получают из СCl₄ и HF в присутствии SbF₅ как катализатора:

 

 

Важное применение получил фторотан СF₃-CHClBr – бесцветная тяжелая жидкость с запахом, напоминающим хлороформ. Это одно из самых эффективных средств для общего наркоза.

Широкое применение фреонов в технике и в быту создало угрозу для существования в стратосфере озонового слоя, защищающего Землю от жесткого ультрафиолетового излучения. Пары галогенопроизводных фотохимически расщепляются в стратосфере с образованием атомов галогенов, которые вызывают превращение озона в кислород.

 

 

 

 

 

Задачи для самопроверки

 

 

1.  К раствору 20 г кристаллической соды в 100 см³ воды прибавили 8 г этилового спирта и нагрели на водяной бане до 70 ^оС. В нагретую смесь при перемешивании внесли небольшими порциями 10 г измельченного йода. После внесения всего йода и полного обесцвечивания смеси нагрев прекратили. Через несколько часов из охлажденной смеси выделился осадок йодоформа, который промыли водой до отрицательной реакции на йодид-ион и высушили в темном месте при температуре не выше 30 ^оС. Выход целевого продукта составил 25 % от теоретического. Сколько г йодоформа было получено?

 

 

2.  Вицинальные дигалогенопроизводные можно получить действием пентагалогенида фосфора на соответсвующие кетоны или альдегиды. Определить выход 1,1-дихлорэтана, если при взаимодействии 20 г ацетальдегида со 100 г пентахлорида фосфора было получено 20 г дихлорэтана.

 

 

 

3.  В двугорлой колбе с обратным холодильником и капельной воронкой тщательно смешали  20 г нитрита серебра с 50 г мелкого песка. Затем постепенно добавили из капельной воронки 20 г 2-йодпропана. Добавление йодпропана проводили таким образом, чтобы реакционная смесь все время слабо кипела. Для доведения реакции до конца смесь прогрели еще 30 минут, затем охладили колбу, заменили обратный холодильник на нисходящий и отогнали на водяной бане 2-нитропропан. Сколько г целевого продукта получилось, если его выход составил 30%.

 

 

 

4.   Смесь, состоящую из 20 г хлористого бензила, 30 г диэтиламина и 15 г поташа, прокипятили в течение 3 часов на водяной бане в колбе с обратным холодильником. Избыток диэтиламина отогнали, к остатку добавили 120 см³ воды и перемешали до растворения минеральных солей. Диэтилбензиламин экстрагировали 40 см³ бензола и высушили над прокаленным К₂СО₃. Бензол отогнали на водяной бане, а остаток в вакууме (t_кип = 92 ^оС при 13 мм. рт. ст). Получили 8 г диэтилбензиламина. Определить выход в %.

 

 

 

 

5.   Назовите соединение по международной номенклатуре:

 

 

6.   Сравните подвижность атома галогена в реакциях щелочного гидролиза для следующих соединений: 

 

 

В ответе укажите относительную молекулярную массу соединения с наиболее подвижным атомом галогена.