2004/2005
WYKA
AD 2. HALOGENKI ALKILOWE
I INNE ZWI
ZKI HALOORGANICZNE
1. Rodnikowe chlorowanie alkanów
2. Rodnikowe bromowanie alkanów. Postulat Hammonda
3. Halogenopochodne organiczne jako substraty
4. Halogenopochodne organiczne jako produkty
5. Halogenopochodne w przyrodzie
Rodnikowe chlorowanie alkanów (Rysunek 1)
Wez
my na początek najprostszy przykład: chlorowanie metanu. Proces nie zatrzymuje się
na etapie pochodnej monochlorowej, lecz biegnie dalej, dając mieszaninę produktów o
różnym stopniu schlorowania. Przez dobór odpowiedniej proporcji substratów i warunków re-
akcji można jednak forsować tworzenie się jednego produktu w przewadze. Tak np.
Rodnikowe halogenowanie alkanów
Chlorowanie
h½
HCl
CH4 Cl2 CH3Cl +
+
Cl2
CH2Cl2 HCl
+
Cl2
Wielość produktów
HCl
CHCl3 +
Cl2
CCl4 HCl
+
Cl
Dichloro-,
h½
CH3CH2CH2CH3 Cl2 CH3CH2CH2Cl CH3CH2CHCH3 trichloro-,
+ +
+
tetrachloro-,
1-Chlorobutan 2-Chlorobutan i.t.d.
Butan
butan
30:70
CH3 CH3 CH3
Dichloro-,
h½
trichloro-,
Cl2 CH3CHCH2Cl CH3CCH3 tetrachloro-,
CH3CHCH3 + + +
i.t.d.
Cl
2-Metylopropan butan
1-Chloro-2- 2-Chloro-2-
metylopropan metylopropan
65:35
R
H H
R C H
R C H R C H
R
H R
pierwszorzędowy < drugorzędowy < trzeciorzędowy
1.0 3.5 5.0
Reaktywność atomów wodoru
Energia dysocjacji: tert C-H - 390 kJ/mol (93 kcal/mol)
sec C-H - 401 kJ/mol (96 kcal/mol)
C-H - 420 kJ/mol (100 kcal/mol)
R
H H
R C.
R C. R C.
R
H R
pierwszorzędowy < drugorzędowy < trzeciorzędowy
Stabilność rodników
Rysunek 1
1
2004/2005
otrzymuje się chlorek metylu, chlorek metylenu, chloroform i tetrachlorek węgla na skalę
przemysłową. Gdy chloruje się alkan wyższy liczba produktów rośnie. Powstają izomery
monopodstawione i izomeryczne produkty o różnej liczbie atomów chloru. Czyli powstają o
wiele bardziej złożone mieszaniny niż w procesie chlorowania metanu. Omówmy dwa
przykłady. Pierwszy  chlorowanie butanu. Z produktów monochlorowania powstaje około
30% 1-chlorobutanu i około 70% 2-chlorobutanu. Tym produktom towarzyszą produkty
polichlorowania. Chlorobutan powstaje przez podstawienie pierwszorzędowych atomów
wodoru, 2-chlorobutan przez podstawienie drugorzędowych atomów wodoru. Wydaje się
więc, że drugorzędowe atomy wodoru są zatem bardziej reaktywne. Drugi przykład  to
chlorowanie izobutanu, gdzie mamy do czynienia z atomami wodoru pierwszorzędowymi i
atomem wodoru trzeciorzędowym. Stosunek produktów monochlorowania wynosi tu 65:35.
Są oczywiście też produkty polichlorowania. Patrząc na tę proporcję 65:35 w pierwszej chwili
wydaje się, że atom trzeciorzędowy jest mniej reaktywny.
Przyjrzyjmy się tym jednak tym liczbom uważnie. Można z nich wyliczyć stosunek
reaktywności poszczególnych typów atomów wodoru w cząsteczce w reakcji chlorowania.
Butan ma sześć atomów wodoru pierwszorzędowych i cztery atomy wodoru drugorzędowe
(Rysunek 1) Każdy atom wodoru pierwszorzędowy jest zatem odpowiedzialny za 5%
produktu, każdy atom wodoru drugorzędowy za 17.5% produktu. Stosunek reaktywności
wynosi więc jak 17.5:5, czyli równa się około 3.5 na korzyść atomu(ów) wodoru(ów)
drugorzędowego(ych). Wez
my teraz izobutan. Dziewięć atomów wodoru pierwszorzędowych
i jeden atom trzeciorzędowy. Każdy atom pierwszorzędowy jest odpowiedzialny za 7.2%
produktu, atom trzeciorzędowy za 35% produktu. Stosunek reaktywności wynosi więc 35:7.2,
czyli około 5 na korzyść atomu trzeciorzędowego.
Jaki jest powód tych różnic w reaktywności? Tkwi on w energii dysocjacji różnych
typów wiązań C H, czyli energii, którą należy włożyć, aby dane wiązanie zerwać. Najwięcej
energii trzeba włożyć w rozerwanie wiązania pierwszorzędowego (Rysunek 1), a najmniej w
rozerwanie wiązania trzeciorzędowego. Ponieważ trzeba najmniej energii włożyć w zerwanie
wiązania trzeciorzędowego, powstały rodnik trzeciorzędowy jest najbardziej stabilny. Wobec
tego i trzeciorzędowe atomy wodoru są odrywane najłatwiej, czyli są najbardziej reaktywne.
Wartości podane pochodzą z podręcznika McMurry ego. W innych podręcznikach są
one nieco inne. Powody różnic w wartości tych danych mogą być wielorakie. Przede
wszystkim wartości energii dysocjacji wiązań zależą od związku, w którym dane wiązanie
badamy, bo niezbędny nakład energii zależy od sąsiedztwa molekularnego. Czasami podaje
się energię dysocjacji wiązania dla danego konkretnego związku czasem energie uśrednione
dla dużej serii związków. Ale i dla tej samej molekuły podawane energie dysocjacji wiązań
mogą być różne. Zależą od metody oznaczania oraz od poczynionych założeń. Są to jednak
różnice nieistotne z punktu głównego toku rozumowania.
Rodnikowe bromowanie alkanów (Rysunek 2)
Bromowanie izobutanu dostarcza 99% 2-bromo-2-metylopropanu i tylko 1% 1-bromo-
2-metylopropanu, czyli mamy proporcję 99:1 (chlorowanie: 65:35). W przeciwieństwie do
chlorowania bromowanie alkanów jest zwykle znacznie bardziej selektywne. Skąd ta różnica?
Reakcją kontrolującą szybkość i wynik końcowy (rodzaj produktów rodnikowego
halogenowania alkanów jest atak atomu (rodnika) halogenu na alkan. Reakcja alkanu z
rodnikiem chlorowym jest lekko egzoergiczna, a z rodnikiem bromowym jest lekko
endoergiczna. Co to znaczy? W pierwszym przypadku suma energii wiązań produktów jest
2
2004/2005
Rodnikowe halogenowanie alkanów
Bromowanie
CH3 CH3 CH3
h½
CH3CHCH3 + Br2 CH3CCH3 CH3CHCH2Br
+
Br
2-Metylopropan
2-Bromo-2- 1-Bromo-2-
metylopropan metylopropan
(>99%) (<1%)
CH3 CH3
o
"H < 0 dla X=Cl
.
H3C C H X. H3C C
H X
+ + o
"H > 0 dla X=Br
CH CH
Rysunek 2
mniejsza niż suma energii wiązań substratów, a w drugim  odwrotnie, suma energii wiązań
produktów jest większa niż suma energii wiązań substratów.
Postulat Hammonda (Rysunek 3)
Postulat Hammonda dotyczy wyobrażenia struktury stanu przejściowego. Stan przej-
ściowy jest to konfiguracja układu substrat reagent, w której są ściśle spełnione wszystkie
wymagania efektywnej kolizji. Jest to hipotetyczny opis atomów w punkcie o najwyższej
energii na drodze reakcji. Postulat Hammonda mówi, że struktura stanu przejściowego
przypomina strukturę najbliższego stabilnego indywiduum. Stan przejściowy reakcji egzo-
ergicznej przypomina strukturę substratu. Stan przejściowy reakcji endoergicznej przypomina
strukturÄ™ produktu.
Reakcje egzo- i endoergiczne
Stan przejściowy Stan przejściowy
Substrat
Produkt
Produkt
Substrat
Postęp reakcji
Postęp reakcji
Reakcja egzoergiczna
Reakcja endoergiczna
[Cl H R] [Br H R]
[Cl H R] [Br H R]
Postulat Hammonda
1. Struktura stanu przejściowego przypomina strukturę najbliższego
stabilnego indywiduum
2. Stan przejściowy reakcji egzoergicznej przypomina strukturę
substratu
3. Stan przejściowy reakcji endoergicznej przypomina strukturę
produktu
Rysunek 3
3
Energia
Energia
2004/2005
Tłumaczenie selektywności bromowania
Reakcja rodnikowego chlorowania jest reakcją egzoergiczną. Zatem stan przejściowy
tworzenia rodnika jest podobny do substratu czyli do węglowodoru. Natomiast reakcja alkanu
z rodnikiem bromowym jest lekko endoergiczna i jej stan przejściowy abstrakcji atomu
wodoru przez rodnik bromowy jest bardziej podobny do produktu, czyli do rodnika
alkilowego niż do substratu czyli alkanu. Stąd też w przypadku bromowania różnice między
takimi stanami przejściowymi są większe niż w przypadku chlorowania, i dlatego
selektywność bromowania jest większa niż selektywność chlorowania.
Halogenopochodne organiczne jako substraty (Rysunek 4)
Użytecznymi substratami są halogenki alkilowe pierwszorzędowe. Dlaczego przede
wszystkim te? Bo dają względnie jednoznaczne reakcje SN2. Pierwszorzędowe halogenki
alkilowe są substratami w szeregu reakcji, dających wiele różnych pochodnych.
Reakcje SN2 pierwszorzędowych
halogenków alkilowych
RCH2SR'
Tioeter
O
RCH2OCR'
RCH2I
Jodoalkan Ester
R'S-
-
I
O
R'CO-
-
OH
RCH2OH RCH2OR'
RCH2X -
Alkohol
R'O- Eter
1o haloalkan
X=Cl lub Br
N3-
-C CR'
RCH2N3 RCH2C CR'
-
NH3 CN
Azydek Alkilowany
acetylen
+
RCH2NH3 RCH2C N
Kation Nitryl
Rysunek 4
amoniowy
Halogenopochodne organiczne jako produkty
Użyteczne jako produkty końcowe są między innymi polihalogenowane
węglowodory. Chlorofluorowęglowodory, w języku angielskim precyzyjnie chlorofluoro-
węgle (CFC) (Rysunek 4), w handlu zwane freonami, są związkami zawierającymi tylko
atomy chloru, fluoru i węgla. Dwa najpowszechniejsze  to CCl3F i CCl2F2. Do niedawna
były powszechnie stosowane w wielu procesach technicznych jako (i) propelenty, (ii) media
termiczne w urządzeniach chłodniczych i termoregulatorowych, (iii) środki gazowe do
wytwarzania plastikowych pianek. Jako środki gaśnicze najskuteczniejsze są tzw halony,
polihalogenowe węglowodory zawierające brom. Z powodu szkodliwości dla środowiska
naturalnego freony zastępuje się hydrochlorofluorowęglami (HCFC i hydrofluorowęglami
(HFC), bardziej przyjaznymi dla środowiska.
4
2004/2005
Powodem wycofywania freonów i halonów jest ich niszczący wpływ na warstwę
ozonową. Atmosfera zawiera niewielkie ilości ozonu O3, głównie w górnych warstwach,
gdzie jest małe ciśnienie. Gdyby ozon skompresować do ciśnienia panującego przy
powierzchni ziemi, utworzyłby on warstewkę grubości 3 mm. Chociaż niewielka, ma
niezwykłe znaczenie dla życia na powierzchni ziemi, gdyż ozon pochłania
wysokoenergetyczne kosmiczne promieniowanie ultrafioletowe, uszkadzające żywe
organizmy jak promieniowanie UV-B i zabijające żywe organizmy jak promieniowanie UV-
C. W przenośni mówi się, że warstwa ozonowa jest piętą Achillesa biosfery, gdyż jej brak
uniemożliwia życie na powierzchni ziemi.
Na początku lat siedemdziesiątych zaczęto rozpoznawać mechanizmy powstawania i
rozpadu ozonu, W uproszczeniu możemy powiedzieć tak. Cząsteczka ozonu powstaje z
cząsteczki tlenu pod wpływem tlenu atomowego. Jest to odwracalny proces równowagowy i
cząsteczka ozonu rozpada się powoli na cząsteczkę tlenu i tlen atomowy. Różne molekuły o
Chlorofluorowęgle - dziura ozonowa
Hydrochlorofluorowęgle, hydrofluorowęgle
C Cl3F, CCl2F2
Chlorofluorowęgle CFCs
Hydrochlorofluorowęgle HCFCs HCCl2CF3
Hydro fluorowęgle H FCs HCFCF3
2
..
.O.
O3 + 2 O2 samorzutny proces powolny
..
..
.. h½
.CF
Cl CF3 Cl. +
.. .. 3
.. .. ..
+
Cl. + O3 Cl O. O2 proces katalityczny
.. .. ..
.. .. .. ..
.O.
Cl O. + O2 + Cl.
.. .. .. ..
..
.O.
O3 + 2 O2
..
Paul Crutzen
Paul Crutzen
Mario Molina F.Sherwood Rowland
Mario Molina F.Sherwood Rowland
Prognozowane straty ozonu (wielkość dziury ozonowej)
zgodnie z ustaleniami poszczególnych konferencji światowych
Rysunek 5
5
..
..
..
..
..
..
2004/2005
charakterze rodników odgrywają jednak rolę katalizatorów i znacząco przyspieszają proces
zarówno powstawania, jak i rozpadu ozonu. Np. przy powierzchni ziemi rolę rodnikowych
katalizatorów tworzenia ozonu odgrywają tlenki azotu NO. W górnych warstwach atmosfery
pod wpływem promieniowania ultrafioletowego z chlorofluorowęgli powstają atom Cl.
Przebiegają wówczas następujące reakcje. Atom chloru utlenia się pod wpływem ozonu do
tlenku chloru. Z naturalnego procesu rozpadu ozonu powstaje atom tlenu. Ten atom tlenu jest
natychmiast przechwytywany przez tlenek chloru (Rysunek 5 ). Tworzy siÄ™ czÄ…steczka tlenu i
regeneruje się atom chloru. Dodanie stronami równań daje po uproszczeniu zapis rozpadu
dwóch cząsteczek ozonu na trzy cząsteczki tlenu. Tyle, że naturalny proces rozpadu ozonu
jest przyspieszany przez przesuwanie równowagi w kierunku rozpadu, gdyż usuwany jest tlen
i regenerowany katalizator. Jeden atom chloru jest w stanie przeprowadzić rozpad 100 000
czÄ…steczek ozonu. Brom jest jeszcze bardziej wydajny.
Rozpoznanie tego groz
nego procesu ubytku ozonu zawdzięczamy trzem uczonym
Paulowi CUTZENOWI, Mario MOLINIE i Sherwoodowi ROWLANDOWI, którzy w 1995 r.
otrzymali za swoje prace nagrodę Nobla, a tytuł tej nagrody brzmiał  za pracę w dziedzinie
chemii atmosfery, szczególnie nad tworzeniem i rozkładem ozonu . Krucjalna praca
ukazała się w 1974 r. a już 1978 r. drastycznie zmniejszyła się produkcja CFC. Do aerozoli
zaczęto stosować pompki i gazy takie jak propan i butan, a media termiczne  zastąpiono
HCFC i HFC. Od początku lat osiemdziesiątych rozpoczęto monitorowanie warstwy
ozonowej nad ziemiÄ….
W r. 1987 pod auspicjami Agendy Ochrony Środowiska ONZ odbyła się światowa
konferencja w Montrealu, na której podpisano tzw. Protokół Montrealski, który póz
niej
ratyfikowały 184 państwa. Protokół ograniczał produkcję i konsumpcję substancji
uszkadzających warstwę ozonową. Co pewien okres czasu odbywają się następne konferencje
światowe, na których wprowadza się poprawki do Protokołu Montrealskiego. Ostatnia odbyła
się w Pekinie w r. 1999. Rysunek 5 pokazuje straty ozonu (wielkość dziury ozonowej)
przewidywane (symulowane) po wprowadzeniu w życie ograniczeń produkcji konsumpcji
substancji uszkadzających warstwę ozonową, ograniczeń wypracowanych na kolejnych
konferencjach. Po wprowadzeniu ograniczeń wypracowanych w r. 1997 w Montrealu
wielkość dziury ozonowej powinna stać się równa wielkości z początków monitorowania tego
zjawiska.
Halogenopochodne, zwłaszcza aromatyczne, są często pestycydami (łac. pestis 
zaraza, pomór). Sławne wśród nich jest tzw. DDT (Rysunek 6) DDT to powszechny skrót
półsystematycznej nazwy chemicznej pierwszego syntetycznego pestycydu
dichlorodifenylotrichloroetanu. Nazwa systematyczna tego zwiÄ…zku  to 1,1,1-trichloro-2,2-
bis(p-chlorofenylo)etan. Epopeja ta zaczyna siÄ™ w r. 1939, kiedy Paul Müller, szwajcarski
chemik, odkrywa, że DDT znacząco zmniejsza populację zwykłych much domowych i
moskitów. Fakt ten zostaje szybko wykorzystany, i DDT już w czasie II drugiej wojny
światowej jest stosowane w Italii do zwalczania wszy, nosicieli tyfusu i w rejonie Pacyfiku do
zwalczania moskitów, nosicieli malarii. W 1948 r. Paul Müller otrzymuje nagrodÄ™ Nobla w
dziedzinie fizjologii i medycyny. Po drugiej wojnie światowej DDT jest stosowane w Stanach
Zjednoczonych entuzjastycznie w rolnictwie, gdzie zwalcza różne insekty zagrażające
plantacjom, między innymi stonkę ziemniaczaną. DDT jest związkiem trwałym i bardzo
tanim, 22 centy za funt. Jednakże ta jego zaleta trwałości, szybko okazała się wadą. Mimo, że
jest to zwiÄ…zek organiczny, jest niebiodegradowalny, nie ulega metabolizmowi, tzn. nie ma
mechanizmów biologicznych przekształcających go w inne związki. Jest trwały chemicznie, i
w warunkach naturalnych czas jego połowicznego rozkładu wynosi 10 lat. Akumuluje się
6
2004/2005
Epopeja DDT
..
H Paul Muller
Cl C Cl
Cl Cl
Cl
Dichlorodifenylotrichloroetan
Rysunek 6
zatem w otoczeniu. Co gorsze, akumuluje się w żywych organizmach, gdyż nie rozpuszcza
się w wodzie, a więc nie jest usuwany z wydalinami fizjologicznym. Następuje jego
biomagnifikacja. W r. 1973 Stany Zjednoczone zakazujÄ… produkcji DDT. Jednak w krajach
ubogich, gdzie malaria jest endemiczna, DDT używa się nadal jako środka ratującego życie.
Halogenopochodne w przyrodzie (Rysunek 7)
Około 35 lat temu znanych było tylko około 30 naturalnie występujących związków
halogenoorganicznych. Przykłady tych dawno znanych halogenopochodnych organicznych, w
których znajdujemy wszystkie cztery halogeny, pokazuje Rysunek 5. A więc np. jest to
hormon tyroksyna, antybiotyk chloromycyna (detreomycyna), barwnik zwierzęcy purpura
tyryjska oraz toksyna roślinna kwas fluorooctowy (np. w Acacia georginae,
północnowschodnia Australia; trifluorooctan sodu należy do rodentycydów, czyli środków
zwalczających gryzonie). Panował pogląd, że proste halogenopochodne nie zawierające
innych grup funkcyjnych oprócz halogenu w przyrodzie nie występują jako produkty
naturalne, lecz znalazły się z środowisku naturalnym w wyniku przemysłowej działalności
człowieka.
Dzisiaj znanych jest przeszło trzy tysiące naturalnych związków typu, o którym
mówimy, w tym i prostych pochodnych. I okazało się, że niektóre z prostych pochodnych
halogenowych występują w przyrodzie w masowych ilościach. Np. pożary lasów, wybuchy
wulkanów (Popocatepetl, Meksyk, 5 465 m n.p.m., stale czynny wulkan) i glony morskie
7
2004/2005
Przykłady halogenopochodnych naturalnych
Znane dawno
I I
HO O CH2 CH COOH O2N CH2 CH CH2OH
NH2 NH
I I
tyroksyna chloromycyna
CO CHCl2
O H
Br
C N
H2C COOH
N C
Br F
H O
purpura tyryjska kwas fluorooctowy
Masowo wystepujÄ…ce np. CH3Cl
Nowo odkryte
H3C
H
HN
N CH3
HN
Br
O O
O
HN
O
O CH3
CH3
jasplakinolid
Rysunek 7
dostarczają do atmosfery aż do 5 milionów ton CH3Cl na rok, podczas gdy przemysłowa
działalność człowieka dostarcza rocznie tylko 26 000 ton.
Stwierdzono, ze wiele organizmów wydziela halogenopochodne jako element systemu
obronnego przeciw swoim naturalnym wrogom. Są to substancje odstraszające od żerownia,
czyli deterenty, substancje żrące, czy też naturalne pestycydy. Np. deterenty, halogeno-
pochodne organiczne o odrażającym smaku, wydzielają korale, gąbki, zające morskie.
Zadaniem tych związków jest odstraszyć od żerowania naturalnych wrogów, ryby i
rozgwiazdy. Nawet człowiek ma mechanizmy obronne przeciw infekcjom, polegające na
halogenowaniu. W systemie odpornościowym mamy enzym peroksydazę, która katalizuje
halogenowanie substancji organicznych grzybów i bakterii. Halogenowanie to zabija
patogeny.
Wiele halogenozwiązków organicznych wykryto w wyniku tzw. "Sea Grant
research", czyli w wyniku finansowania badań morskich, prowadzonych na uniwersytetach
8
2004/2005
kalifornijskich. Spośród tych związków w pierwszym rzędzie wymienia się wyodrębniony z
pewnych gąbek jasplakinolid, potencjalny środek przeciw rakowi prostaty, w tej chwili
komercyjnie dostępny do badań nad podziałami komórek. Przerywa on formowanie
aktynowych mikrotubuli, które są niezbędne w podziałach komórek. Ponieważ do tej pory
zbadano tylko kilkaset różnych gatunków organizmów morskich, a jest ich przeszło 500 000,
ta epopeja halogenopochodnych organicznych dopiero siÄ™ zaczyna.
9