Chemia organiczna - pochodne węglowodorów
Chemia ogólna

 

Pochodne węglowodorów - wstęp

Chlorowcopochodne

Wprowadzenie
Nazewnictwo
Właściwości fizyczne
Otrzymywanie
Właściwości chemiczne

Pochodne węglowodorów

W poprzednich rozdziałach dowiedzieliśmy się, że węglowodory należą do podstawowych związków organicznych, że występują powszechnie i podlegają reakcjom chemicznym a czasie reakcji chemicznych powstają nowe związki organiczne. Ilość tych nowych zwišzków organicznych jest bardzo duża a zawdzięczamy to zjawisku izomerii oraz zdolności do tworzenia różnorodnych łańcuchów przez atomy węgla. Obecnie zajmiemy się tą grupą związków organicznych w których atomy wodoru w cząsteczkach węglowodorów zastąpione są atomami lub grupami atomów innych pierwiastków. Otrzymana grupa związków organicznych nosi nazwę pochodnych węglowodorów.
Cząsteczki tych połączeń zbudowane są z grupy węglowodorowej (alkilowej lub arylowej) oraz podstawnika, zwanego grupą funkcyjną.

Grupa funkcyjna - jest to atom lub grupa atomów, które w połączeniu z grupą węglowodorową tworzą cząsteczkę pochodnej węglowodorowej i nadają danej grupie połączeń charakterystyczne właściwości. Obecność jednej grupy funkcyjnej zalicza dany związek do jednofunkcyjnych pochodnych węglowodorów.

Najważniejsze grupy funkcyjne zestawiono w poniższej tabeli.

Grupa funkcyjna	Nazwa grupy funkcyjnej (Z)	Nazwa pochodnych
-F, -Cl, -Br, -I	Fluorowce (halogenki)	Fluorowcopochodne węglowodorów
-OH	Hydroksylowa	Jeżeli jest połączona z grupą alkilową - alkohole Jeżeli jest połączona z grupą arylową - fenole
	Aldehydowa	Aldehydy
	Ketonowa	Ketony
	Karboksylowa	Kwasy karboksylowe
-NH2	Aminowa	Aminy
-NO2	Nitrowa	Związki nitrowe

Z połączenia grupy funkcyjnej (Z) z grupą alkilową lub arylową otrzymujemy jednofunkcyjne pochodne, które przedstawiono w powyższej tabeli. Są to najważniejsze jednofunkcyjne pochodne, które mają praktyczne zastosowanie i z którymi wielokrotnie spotykamy się w codziennej działalności. Przykładem jest ocet który jest kwasem karboksylowym, alkohol, zmywacz do paznokci który jest ketonem o nazwie aceton, itp.

Chlorowcopochodne

Chlorowcopochodne mogą być pochodnymi alkilowymi i aromatycznymi.
Symbol chlorowcopochodnych - RX (X = F, Cl, Br, I).

Nazewnictwo

Grupa funkcyjna Z = -X (-F, -Cl, -Br, -I) w połączeniach tworzy związki typu R-X, Ar-X - halogeno(chlorowco) -pochodne

Nazwy tworzy się przez dodanie przed nazwę węglowodoru:

• liczb oznaczających położenie chlorowca

• liczebnika określającego liczbę atomów chlorowca

• nazw: fluoro-, chloro-, bromo-, jodo-.

Nazwy potoczne: halogenek + nazwa grupy alkilowej lub arylowej:

CH2-Cl	chlorometan, chlorek metylu
Cl-CH2-CH2-Cl	1,2 dwuchloroetan, chlorek etylenu
CHCl2-CH3	1,1 dwuchloroetan

dla węglowodorów aromatycznych

Właściwości fizyczne

Z powodu większej masy cząsteczkowej halogenoalkany mają znacznie wyższe temperatury wrzenia niż alkany o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Przy określonej grupie alkilowej temperatura wrzenia wzrasta ze wzrostem masy atomowej halogenu, w związku z czym temperatura wrzenia fluorku jest najniższa, a jodku najwyższa.
Halogenki alkilów mimo swej polarności nie rozpuszczają się w wodzie, prawdopodobnie dlatego, że nie mogą tworzyć wiązań wodorowych. Rozpuszczają się one natomiast w typowych rozpuszczalnikach organicznych. Chlorowcopochodne są dobrymi rozpuszczalnikami. Wprowadzenie chlorowca do łańcucha węglowodorowego obniża palność.
Jodo-, bromo- i polichloropochodne alaknów mają większą gęstość niż woda.

Otrzymywanie

Chlorowcopochodne można otrzymać w wyniku bezpośredniego chlorowcowania i innymi metodami. Metoda bezpośredniego chlorowcowania została opisana podczas prezentacji reakcji weglowodorów. Z innych metod należy wymienić:

• przyłączanie chlorowcowodorów HX i chlorowców

• wymiana grupy hydroksylowej OH

przyłączanie chlorowcopochodnych HX i chlorowców X
chlorek etylu

H₂C=CH₂ + HCl --> H₂CCl-CH₃

1,2-dwuchloroetan

H₂C=CH₂ + Cl₂ --> H₂CCl-CH₂Cl

wymiana grupy hydroksylowej OH w alkoholach

R-OH --> R-X (z udziałem HX lub PX₃)

Przykłady:

otrzymywanie bromku n-propylu (czynnikiem bromującym jest stęż.HBr lub NaBr + H₂SO₄)

CH₃CH₂CH₂OH --> CH₃CH₂CH₂Br

otrzymywanie 1-bromo-1-fenyloetanu (czynnikiem bromującym jest PBr₃)

C₆H₅CH(OH) -CH₃ --> C₆H₅CH(Br) -CH₃

Fluoropochodne otrzymuje się działając F₂ rozcieńczonym N₂ albo fluorkami metali AgF, SbF₃, CoF₂
Przykład - otrzymywanie freonów

CHCl₃ --> HCClF₂ + HCCl₂F + CHF₃

Właściwości chemiczne

Pochodne halogenowe szeregu alifatycznego charakteryzuja się dużą aktywnością chemiczną i służą do otrzymywania innych pochodnych.

Substytucja nuklefilowa S_N

W wyniku reakcji substytucji nukleofilowej S_N otrzymujemy;

• alkohole

• amin

• nitryli a dalej kwasów karboksylowych

• tioli (merkaptany)

• sulfidów (tioestrów)

Przykłady:

Otrzymywanie alkoholi

R-X + HOH --> R-OH + HX
R-X + OH^- --> R-X + X^-

Otrzymywanie amin

R-X + NH₃ --> R-NH₂
R-X + R^'-NH₂ --> R^'-NH-R
R-X + R^'-NH-R^" --> R^'-NRR^"

Otrzymywanie nitryli

R-X + CN^- --> R-CN + X^-
R-CN + H₂O --> R-COOH + NH₃

Otrzymywanie tioli

R-X + SH^- --> R-SH + X^-
R-SH --> utlenianie R-SO₃H (kwas sulfonowy

Otrzymywanie tioestrów

R-X + -SR^' --> R-SR^'

Dehydrohalogenacja

Jest to reakcja eliminacji i polega ona na równoczesnym oderwaniu atomu halogenu od atomu węgla oraz atomu wodoru od sąsiedniego atomu węgla:

Reakcja przebiega z udziałem mocnej zasady (wodorotlenek potasu w alkoholu) i podwyższonej temperaturze.
W niektórych przypadkach reakcja ta prowadzi do powstania jednego alkenu, w innych natomiast do powstania mieszaniny. Przykładem są prezentowane reakcje chemiczne chlorku n-butylu i chlorku sec-butylu. W przypadkach, w których mogą powstać oba alkeny, głównym produktem jest but-2-en, co jest zgodne z ogólnym mechanizmem reakcji. Udowodniono, że uprzywilejowanym produktem jest alken, który ma większą liczbę grup alkilowych przy atomach węgla połączonych wiązaniem podwójnym.

R₂C=CR₂ > R₂C=CHR > R₂C=CH₂ > RCH=CHR > RCH=CH₂

Zastosowanie

Chorowcopochodne są związkami chemicznymi, które znajdują zastosowanie jako półprodukty do otrzymywania ważnych związków chemicznych. Jednym takim związkiem chemicznym jest związek Grignarda.

Otrzymywanie związku Grignarda (związek metaloorganiczny)

Związek Grignarda ma ogólny wzór RMgX i ogólną nazwę halogenek alkilomagnezowy.
Jest to jeden z najbardziej użytecznych i uniwersalnych odczynników znanych chemikom organikom. Charakteryzuje się dużą reaktywnością. Reaguje m.in. z wodą, dwutlenkiem węgla i tlenem, oraz większością związków organicznych.
Wiązanie węgiel - magnez jest wiązaniem kowalencyjnym, lecz silnie polarnym, gdyż atom wegla przyciąga elektrony należące do elektrododatniego atomu magnezu, natomiast wiązanie magnez - halogen jest w zasadzie jonowe. Ten charakter wiązania nadaje związkowi Grignarda dużą reaktywność.

CH₃CH₂Br + Mg ---> CH₃CH₂MgBr

Reakcja otrzymywania odczynnika Grignarda przebiega w środowisku suchego eteru dietylowego. Reakcja zachodzi dosyć energicznie.

Z innych związków metaloorganicznych o podobnych właściwościach należy wymienć związki z metalami: litu, potasu, sodu, cynku, rteci, ołowiu, talu, itd. Każdy rodzaj związku metaloorganicznego wykazuje charakterystyczne właściwości i od nich zależy jego zastosowanie.

Reakcja Friedla-Craftsa

Ponadto chlorowcopochodne wykorzystywane są do produkcji alkilobenzenów w reakcji Friedla-Craftsa

R-X + ArH + AlCl₃ --> Ar-R

Innymi ważniejszymi chlorowcopochodnymi znajdującymi zastosowanie praktyczne są:

Chloroform (trichlorometan - CHCl3) - znany jako środek używany podczas narkozy. Obecnie do tego celu stosowany coraz rzadziej. Jest to substancja słabo rozpuszczalna w wodzie ale jest dobrym rozpuszczalnikiem żywic, tłuszczów i innych substancji. Stąd jego zastosowanie jako rozpuszczalnika. Chloroform pod wpływem wilgoci, powietrza i światła rozpada się na silnie trujący fosgen i chlorowodór.

Tetrachlorometan (czteroetylek węgla - CCl4) - stosuje się jako rozpuszczalnik do tłuszczów, olejów, żywic i wosków. Jego zaletą jest to, że jest on substancją niepalną. Jako substancja działa toksycznie i odurzająco, stąd coraz to mniejsze jego zastosowanie.

Chlorek winylu (chloroeten - CH2=CHCl) - ulega polimeryzacji, stąd jego zastosowanie do produkcji tworzywa sztucznego o nazwie polichlorek winylu (PCV).

Freony R-12 i R-11 (CCl2F2 , CCl3F) - są to bezbarwne gazy, łatwo poddające się skropleniu, niepalne i odporne termicznie oraz chemicznie. Były szeroko stosowane jako środek chłodniczy i wypełniacz pojemników dla różnego rodzaju kosmetyków. Przypuszcza się, że uwalniany do atmosfery jest jednym z czynników niszczących warstwę ozonową, stąd ograniczenie jego stosowania.

---