Halogenoalkaan

'n Halogenoalkaan of haloalkaan is 'n alkaan waarvan een of meer waterstofatome deur halogeenatome vervang is. Die halogeenatome kan fluoor, chloor, broom of jood wees. (Astaat en tennessien is baie radio-aktief en te onstabiel om haloalkane te lewer).

Voorbeelde

Die eenvoudigste voorbeelde betref die substitusie van die waterstofatome van metaan, wat onder invloed van lig (of hitte) uit metaan en chloor vervaardig kan word:

$CH_{4}+Cl_{2}\xrightarrow {h\nu } HCl+CH_{3}Cl$ (chlorometaan)

$CH_{3}Cl+Cl_{2}\xrightarrow {h\nu } HCl+CH_{2}Cl_{2}$ (dichlorometaan)

$CH_{2}Cl_{2}+Cl_{2}\xrightarrow {h\nu } HCl+CHCl_{3}$ (trichlorometaan)

$CHCl_{3}+Cl_{2}\xrightarrow {h\nu } HCl+CCl_{4}$ (tetrachlorometaan)

Gedeeltelik gechlorineerde molekule besit 'n dipool en is dus polêre oplosmiddels, maar in die simmetriese tetrachlorometaan-molekuul hef die dipole mekaar op. Hiedie verbinding is dus nie-polêr.

Produksie

Halogenoalkane kan van feitlik alle organiese voorgangers vervaardig word. Vanuit die nywerheidsperspektief is alkane en alkene die belangrikste.

Vanuit alkane

Alkane reageer met halogene deur vrye radikale halogenering. In hierdie reaksie word 'n waterstofatoom uit die alkaan verwyder en dan vervang deur 'n halogeenatoom deur reaksie met 'n diatomiese halogeenmolekule (bv. Cl₂, Br₂). Die reaktiewe middel in hierdie reaksie is 'n vrye radikaal en die reaksie word 'n radikale kettingreaksie genoem.

Direkte halogenering van 'n alkaan is die eenvoudigste manier om 'n haloalkaan te vorm is, bv. deur metaan CH₄ met chloorgas te meng en dit aan sonlig bloot te stel:

$CH_{4}+{\color {Red}Cl_{2}}\xrightarrow {h\nu } H{\color {Red}Cl}+CH_{3}{\color {Red}Cl}$ (chlorometaan)

Die gevormde verbinding CH₃Cl is 'n haloalkaan wat chloormetaan (of soms metielchloried) genoem word. Die reaksie vind sonder lig nie plaas nie omdat dit 'n radikaalreaksie is. Die eerste stap is die verbreking van die Cl-Cl-binding en die vorming van twee los chlooratome. Hulle buitenste elektroneskil is nie vol nie en hulle is chloorradikale Cl•:

$Cl_{2}\xrightarrow {h\nu } 2Cl\bullet$

Hierdie radikale kan 'n waterstofatoom van die metaanmolekule steel. Dit lei tot die vorming van 'n metiel radikaal CH₃•

$CH_{3}-H+\bullet Cl\rightarrow CH_{3}\bullet +HCl$

Die metielradikaal kan kombineer met 'n chlooratoom en chlorometaan vorm:

$CH_{3}\bullet +\bullet Cl\rightarrow CH_{3}Cl$

Maar dit is nie die enige endreaksie wat kan gebeur. Twee metielradikale kan ook etaan vorm:

$CH_{3}\bullet +\bullet CH_{3}\rightarrow CH_{3}CH_{3}$

Of 'n chloorradikaal kan 'n tweede waterstof steel en dichloormetaan produseer:

$CH_{3}Cl+2Cl\bullet \rightarrow HCl+CH_{2}Cl_{2}$

Dit lei tot die vorming van dichloormetaan (CH₂Cl₂), trichloormetaan (oftwel chloroform) (CHCl₃) en tetrachloormetaan (CCl₄)

Halogenering deur vrye radikale produseer gewoonlik 'n mengsel van verbindings wat op verskillende posisies mono- of multi-gehalogeneerd is. Dit is moontlik om die resultate van 'n halogeneringsreaksie te voorspel gebaseer op bindingsdissosiasie-energieë en die relatiewe stabiliteit van die radikale tussengangers. 'n Ander faktor om in ag te neem, is vanuit 'n statistiese oogpunt die waarskynlikheid van reaksie by elke koolstofatoom. As gevolg van die verskillende dipoolmomente van die produkmengsel, kan dit moontlik wees om dit deur distillasie te skei.

Vanuit alkene en alkyne

In die proses van hidrohalogenering reageer 'n alkeen met 'n "droë" waterstofhalogenied (HX) soos waterstofchloried (HCl) of waterstofbromied (HBr) om 'n mono-halogenoalkaan te vorm. Die dubbele binding van die alkeen word vervang deur twee nuwe bindings, een met die halogeen en een met die waterstofatoom van die waterstofsuur. Volgens Markovnikov se reël sal die halogeen meer geneig wees om aan die meer gesubstitueerde koolstof te heg. Dit is 'n elektrofiele byvoegingsreaksie. Water moet afwesig wees, anders is daar 'n neweproduk van 'n halogenohydrien. Die reaksie moet noodwendig in 'n droë inerte oplosmiddel soos CCl₄ uitgevoer word, of direk in die gasfase. Die reaksie van alkyne is soortgelyk, met die produk 'n geminale dihalied (halogene op dieselfde koolstof atoom) of vicinale dihalied (halogene op aangrensende koolstof atome); weereens word Markovnikov se reël gevolg.

Eerste stap: Reaksie van 2-butyn met chloor om (trans) 2,3-dichloor-buteen te vorm:

Reaksie van 2-butyn met chloor om (trans) 2,3-dichloor-buteen te vorm

Tweede stap: Reaksie van 2,3-dichloorbuteen met chloor om 2,2,3,3-tetrachloorbutaan te vorm

Reaksie van 2,3-dichloorbuteen met chloor om 2,2,3,3-tetrachloorbutaan te vorm

Alkene reageer ook met halogene om halogenoalkane met twee naburige halogeenatome te vorm in 'n halogeen-byvoegingsreaksie. Alkyne reageer soortgelyk en vorm die tetrahalogeen-verbindings. Die reaksie staan soms bekend as om die halogeen te "ontkleur", aangesien die reagens gekleur is en die produk gewoonlik kleurloos en reukloos is.

Klasse

Vanuit die strukturele perspektief kan halogenoalkane geklassifiseer word volgens die verbinding van die koolstofatoom waaraan die halogeen geheg is. In primêre (1°) halogenoalkane is die koolstof wat die halogeenatoom dra slegs aan een ander alkielgroep geheg. 'n Voorbeeld is chlooretaan (CH₃CH₂Cl). In sekondêre (2°) halogenoalkane het die koolstof wat die halogeenatoom dra twee C–C bindings. In tersiêre (3°) halogenoalkane het die koolstof wat die halogeenatoom dra drie C–C bindings.

Halogenoalkane kan ook geklassifiseer word volgens die halogeen verbinding. Halogenoalkane wat koolstof bevat wat aan fluoor, chloor, broom en jodium gebind is, het onderskeidelik organofluoor-, organochloor-, organobroom- en organojodiumverbindings tot gevolg. Verbindings wat meer as een soort halogeen bevat, is ook moontlik. Verskeie klasse van die algemeen gebruikte haloalkane word op hierdie manier geklasseer, bv. chloorfluorkoolstowwe (CFK's), hidrochlorofluorkoolstowwe (HCFK's) en fluorkoolwaterstowwe (HFK's). Hierdie afkortings kom veral voor in besprekings oor die omgewingsimpak van die halogenoalkane.

Gebruike

Halogenoalkane word kommersieel gebruik en is gevolglik bekend onder baie chemiese en kommersiële name. Dit word gebruik as vlamvertragers, brandblussers, verkoelingsmiddels, dryfmiddels, oplosmiddels en farmaseutiese middels. Na die wydverspreide gebruik in die handel, is daar ook getoon dat baie halogenokoolstowwe ernstige besoedelingstowwe en gifstowwe is. Daar is byvoorbeeld getoon dat die chloorfluorkoolstowwe tot osoonuitputting lei. Metielbromied is 'n omstrede berokingsmiddel. Slegs haloalkane wat chloor, broom en jodium bevat, is 'n bedreiging vir die osoonlaag, maar gefluoreerde vlugtige halogenoalkane kan in teorie as kweekhuisgasse werk.