Кіріспе

Бір немесе бірнеше галоген атомдарын қамтитын алкандардан туындаған химиялық қосылыстар тобы. Галоалкандар (сондай-ақ галогеналькандар немесе алкил галоидтар деп те аталады) – бір немесе бірнеше галоген топшаларын қамтитын алкандар. Олар галокарбондардың жалпы классының ішкі тобы болып табылады, бірақ бұл ерекшелік көбінесе ескерілмейді. Галоалкандар коммерциялық түрде кеңінен қолданылады. Олар жалынға қарсы заттар, өрт сөндіргіштер, тоңазытқыштар, итергіш газдар, еріткіштер және фармацевтикалық препараттар ретінде пайдаланылады. Галокарбондардың коммерциялық қолданысы кеңейгеннен кейін, көптеген түрлері қауіпті ластаушы заттар және уытты екені анықталды. Мысалы, хлорфторкөмірсутектері озон қабатының бұзылуына әкеп соғады. Метилбромид – даулы күштік газ. Озон қабатына қауіп төндіретін галоалкандарға тек хлор, бром және йод кіреді, бірақ теория бойынша фторланған ұшқыш галоалкандар парниктік газдар ретінде әрекет ете алады. Табиғатта кездесетін метил йодиді озон қабатын бұзатын қасиеттері жоқ және АҚШ-тың Қоршаған ортаны қорғау агенттігі бұл қосылысты озон қабатын бұзбайтын зат деп белгіледі. Толық ақпарат алу үшін Галометанға қараңыз. Галоалкан немесе алкил галоидтары – жалпы формуласы "RX" болатын қосылыстар, мұнда R – алкил немесе алмастырылған алкил тобы, ал X – галоген (F, Cl, Br, I). Галоалкандар ғасырлар бойы белгілі. Хлорэтан 15 ғасырда алынған. Мұндай қосылыстардың жүйелі синтезі 19 ғасырда органикалық химияның дамуымен және алкандардың құрылымын түсінумен бірге қадам салып дамыды. С-галоген байланыстарын іріктеумен жасау әдістері әзірленді. Ең әмбебап әдістерге галогендерді алкендерге қосу, алкендерді гидрогалогендеу және спирттерді алкил галоидтарға түрлендіру кіреді. Бұл әдістер өте сенімді және оңай орындалатындықтан, галоалкандар өнеркәсіптік химияда қолдануға арзанға түсті, себебі галоидті басқа функционалдық топтармен алмастыруға болады. Көптеген галоалкандар адамдар жасаған болса да, олардың маңызды бөлігі биогендік болып табылады.

Сыныптар

Құрылымдық тұрғыдан алғанда, галоалкандар галоген байланысқан көміртек атомының байланыстылығы бойынша жіктелуі мүмкін. Бірінші (1°) галоалкандарда галоген атомын тасымалдайтын көміртек тек бір алкил тобымен байланысқан болады. Мысалы, хлорэтан. Екінші (2°) галоалкандарда галоген атомын тасымалдайтын көміртекте екі C–C байланысы болады. Үшінші (3°) галоалкандарда галоген атомын тасымалдайтын көміртек үш C–C байланысымен байланысқан болады. Галоалкандар 17-топтағы галоген түріне қарай, тиісті галогеналканға сәйкес жіктелуі мүмкін. Фтормен, хлормен, броммен және йодпен байланысқан көміртегі бар галоалкандар сәйкесінше органофторлы, органохлорлы, органобромды және органойодты қосылыстарды құрайды. Бірнеше түрлі галогендерді қамтитын қосылыстар да болуы мүмкін. Көп қолданылатын галоалкандардың бірнеше кластары осылай жіктеледі: хлорфторкөміртектік газдар (ХФК), гидрохлорфторкөміртектік газдар (ХКФК) және фторкөміртектік газдар (ГФК). Бұл аббревиатуралар галоалкандардың қоршаған ортаға тигізетін әсері туралы талқылауларда ерекше жиі кездеседі.

Қасиеттері

Галоалкандар әдетте түссіз, иісі жоқ және гидрофобты болу жағынан ата-аналық алкандарға ұқсайды. Хлор-, бром- және йод-алкандардың балқу және қайнау нүктелері сәйкес алкандарға қарағанда жоғары, бұл атомдық салмақ пен галогендер санына байланысты өседі. Бұл эффект молекулааралық күштердің күшеюіне байланысты – Лондон дисперсиясынан диполь-дипольдік өзара әрекеттесуге дейін, поляризацияланудың артуы нәтижесінде. Осылайша, тетрайодометан қатты зат, ал тетрахлорметан сұйық зат. Алайда, көптеген фтор-алкандар осы тенденцияға қарсы келеді және фтордың поляризациялану қабілетінің төмендеуіне байланысты, фторланбаған аналогтарына қарағанда төмен балқу және қайнау нүктелеріне ие. Мысалы, метаның балқу температурасы -182,5 °C, ал тетрафторметанның балқу температурасы -183,6 °C. Галоалкандарда C–H байланыстары аз болғандықтан, олар алкандарға қарағанда аз жанғыш, ал кейбіреулері өрт сөндіргіштерде қолданылады. Галоалкандар, олардың жоғары поляризациялануының арқасында, тиісті алкандарға қарағанда жақсы еріткіштер болып табылады. Фтордан басқа галогендерді қамтитын галоалкандар ата-аналық алкандарға қарағанда реакцияға белсендірек, және осы реакциялық қабілеті көптеген даулардың негізі болып табылады. Көптеген галоалкандар алкилдеуші заттар болып табылады, олардың ішінде алғашқы галоалкандар және ауыр галогендері барлар ең белсенді (фтор-алкандар қалыпты жағдайда алкилдеуші заттар ретінде әрекет етпейді). CFC-нің озонды қабатын бұзу қабілеті C–Cl байланысының фотолабильділігінен туындайды.

Табиғи пайда болуы

Табиғи көздер жыл сайын шамамен 4 100 000 000 кг хлорметан шығарады. Мұхиттар жыл сайын 1-ден 2 миллион тоннаға дейін бромметан шығарады деп есептеледі.

IUPAC

Галоалкандардың ресми атаулары IUPAC номенклатурасына сәйкес болуы керек, ол галогенді алканның алдына префикс ретінде қояды. Мысалы, бром қосылған этан бромэтанға, ал төрт хлор тобы бар метан тетрахлорметанға айналады. Дегенмен, осы қосылыстардың көпшілігінің бұрыннан қалыптасқан тривиальды атаулары бар, олар IUPAC номенклатурасымен бекітілген, мысалы, хлороформ (трихлорметан) және метилен хлориді (дихлорметан). Бірақ қазіргі таңда IUPAC номенклатурасы қолданылады. Сандарды жаңылыстыруды болдырмау үшін осы мақалада жүйелі атау схемасы тұрақты қолданылады.

Өндіріс

Галоалкандарды дерлік барлық органикалық заттардан алуға болады. Өнеркәсіптік тұрғыдан қарағанда, ең маңыздылары – алкандар және алкендер.

Алкандардан

Алкандар еркін радикалды халогендеу арқылы халогендермен әрекеттеседі. Бұл реакцияда алканнан сутек атомы алынып, одан кейін димолекулалық халогенмен реакция арқылы галоген атомымен алмастырылады. Еркін радикалды халогендеу көбінесе әртүрлі орындарда моно- немесе полигалогенделген қосылыстардың қоспасын тудырады.

Алкендер мен алкиндерден

Гидрогалогенирлеу кезінде алкен құрғақ сутек галиді (HX) электрофилімен, мысалы сутек хлориді немесе сутек бромидімен реакцияласып, моногалоалкан түзетін болады. Алкеннің қос байланысы екі жаңа байланысқа алмасады – біреуі галогенмен, екіншісі гидрогалоген қышқылының сутек атомымен. Марковников ережесіне сәйкес, қалыпты жағдайларда сутек ең көп сутек атомдары бар қанықпаған көміртек атомына қосылады. Бұл ереже көрші функционалдық топтардың көп байланысты поляризациялауы немесе еркін радикал механизмі арқылы жүретін сутек бромидінің кейбір қосылыстарында (мысалы, пероксидтердің және Воль-Зиглер реакциясының қатысуымен) бұзылады. Алкендер галогендермен (X2) реакцияласып, галоген қосылу реакциясы арқылы екі жақын орналасқан галоген атомдары бар галоалкандарды түзетін болады. Алкиндер де ұқсас реакцияға түсіп, тетрагалоген қосылыстарын түзетін болады. Бұл кейде галогенді "түссіздендіру" деп аталады, себебі X2 реагенті түсті, ал түзілген өнім көбінесе түссіз және иіссіз болады.

Спирттерден

Алкоголь галоалкандарға айналуы мүмкін. Гидрохаль қышқылымен тікелей реакция көбінесе таза өнім бермейді, оның орнына эфирлер түзіледі. Дегенмен, кейбір ерекшеліктері бар: иондық сұйықтықтар эфирлердің түзілуін басады немесе олардың ыдырауын күшейтеді, тұз қышқылы үшінші спирттерді хлороалкандарға айналдырады, ал біріншілік және екіншілік спирттер Льюис қышқылының активаторы, мысалы, мырыш хлоридінің қатысуымен ұқсас түрде айналады. Соңғысы Лукас сынағында қолданылады. Зертханада түрлендіруді жүзеге асыру үшін негізбен біріктірілген, күшті дезоксигендейтін және галогендейтін заттар қолданылады. "Дарценс галогендеуі" кезінде тионил хлориді пиридинмен бірге аз реактивті спирттерді хлоридтерге айналдырады. Фосфор пентахлориді де, фосфор трихлориді де ұқсас әрекет етеді, ал спирттер гидробром қышқылы немесе фосфор трибромиді (PBr3) қолданылғанда бромоалкандарға айналады. Ауыр галогендерге алдын ала дайындалған реагенттердің қажеті жоқ: фосфор мен бромды пайдалана отырып, түрлендіру үшін катализдік мөлшерде қолдануға болады; ол in situ (орында) түзіледі. Иодоалкандарды қызыл фосфор мен йодты (фосфор трийодидіне баламалы) пайдалана отырып дайындауға болады. Аталған реакциялардың бір тобы трифенилфосфиннің оттегін жою әсеріне негізделген. Апель реакциясында реагент тетрахалометан және трифенилфосфин, ал қоса өнімдер галоформ және трифенилфосфин оксиді. Мицунобу реакциясында реагенттер кез келген нуклеофил, трифенилфосфин және диазодикарбоксилат, ал қоса өнімдер трифенилфосфин оксиді және гидразодиамид.

Карбоксил қышқылдарынан

Карбоксил қышқылдарынан галоалкандарды синтездеудің екі әдісі – Хунсдикер реакциясы және Кочи реакциясы.

Биосинтез

Көптеген хлор және бромалкандар табиғатта пайда болады. Олардың негізгі жолдары хлорпероксидаза және бромпероксидаза ферменттері арқылы жүзеге асырылады.

Аминдерден Сандмейер әдісімен

Негізгі ароматты аминдер натрий нитритінің ерітіндісінде диазоний иондарын түзетін болады. Бұл ерітіндіні мыс(I) хлоридімен қыздырғанда диазоний тобы Cl-мен алмастырылады. Газ тәрізді өнімді арил галидінен оңай бөлуге болатындықтан, бұл арил галидтерін жасаудың салыстырмалы түрде жеңіл әдісі. Егер йодид жасау қажет болса, мыс хлоридінің қажеті жоқ. Калий йодидін қосып, ақырын шайқағанда галоалкан түзіледі.

Реакциялар

Галоалкандар нуклеофилдерге реактивті. Олар полярлы молекулалар: галоген байланысқан көміртек атомы аздап электропозитивті, ал галоген аздап электронегативті болады. Бұл нәтижесінде электрон тапшылығын (электрофильді) көміртек пайда болады, ол сөзсіз нуклеофилдерді тартады.

Орналастыру

Субституциялық реакциялар галогенді басқа молекуламен алмастыруды қамтиды, осылайша қаныққан көмірсутектер және галогенделген өнім қалады. Галоалкандар R+ синтоны ретінде әрекет етеді және нуклеофилдермен оңай реакцияға түседі. Гидролиз – судың байланысты үзуіне себеп болатын реакция – галоалкандардың нуклеофильдік табиғатының жақсы мысалы. Полярлы байланыс гидроксид ионын, ОН− (NaOH (aq) осы ионның көптеген көзі болып табылады) тартады. Осы ОН−, артық электрондары бар және оларды көміртегіне донациялайтын, анық теріс зарядталған нуклеофил болып табылады, нәтижесінде екеуі арасында ковалентті байланыс пайда болады. Осылайша, C–X гетеролиттік бөліну арқылы үзіліп, халид ионы, X− пайда болады. Көріп отырғанымыздай, ОН алкил тобына қосылып, спирт түзеді. (Мысалы, бромэтанның гидролизінен этанол алынады). Аммиакпен реакция нәтижесінде біріншілік аминдер пайда болады. Хлор- және бром-алкандар Финкельштейн реакциясында йодпен оңай алмастырылады. Пайда болған йод-алкандар одан әрі реакцияға оңай түседі. Натрий йодиді катализатор ретінде қолданылады. Галоалкандар иондық нуклеофилдермен (мысалы, цианид, тиоцианат, азид) реакцияға түседі; галоген тиісті топпен ауыстырылады. Бұл синтетикалық тұрғыдан өте пайдалы: хлороалкандар көбінесе арзанға қол жетімді. Мысалы, алмастыру реакцияларынан өткеннен кейін цианоалкандарды карбон қышқылдарына гидролиздей немесе литий-алюминий гидридін қолданып, біріншілік аминдерге дейін тотықсыздандыруға болады. Азоалкандарды Стаудингер тотықсыздандыруы немесе литий-алюминий гидриді арқылы біріншілік аминдерге дейін тотықсыздандыруға болады. Аминдерді алкил галогенидтерінен амин алкилдеу, Габриэль синтезі және Делепин реакциясы арқылы, яғни калий фталимидімен немесе гексаминмен нуклеофильдік алмастыру арқылы, содан кейін гидролиз арқылы дайындауға болады. Негіздің қатысуымен галоалкандар спирттерді, аминдерді және тиолдарды алкилдеп, эфирлерді, N-субституцияланған аминдерді және тиоэфирлерді түзеді. Оларды Гринард реагентімен алмастыру арқылы магний тұздары мен кеңейтілген алкил қосылысын алуға болады.

Жою

Дегидрогалогенирлеу реакцияларында галоген және іргелес протон галокарбондардан алынып тасталады, осылайша алкен пайда болады. Мысалы, этанолдағы бромэтан және натрий гидроксиді (NaOH) гидроксид ионы HO− сутек атомын бөліп алады. Содан кейін бром ионы жоғалады, нәтижесінде этен, H2O және NaBr түзіледі. Осылайша, галоалкандар алкендерге айналуы мүмкін. Сол сияқты дигалоалкандар да алкиндерге айналуы мүмкін. Ұқсас реакцияларда 1,2-дибромоқосылыстар мырыш шаңымен дебромидтеледі, нәтижесінде алкендер пайда болады, ал геминал дихалидтері күшті негіздермен реакцияласып карбендерге айналады.

Басқа

Галоалкандар элементтік магниймен еркін радикалдық реакцияға түсіп, алкил магний қосылысын береді: Гринард реагенті. Галоалкандар литий металлымен де реакцияласып, органолитий қосылыстарын түзеті. Гринард реагенттері мен органолитий қосылыстары екеуі де R-синтон ретінде қатысады. Натрий және литий сияқты сілті металдары Вурц реакциясында галоалкандардың жұптасуына мүмкіндік береді, нәтижесінде симметриялық алкандар пайда болады. Галоалкандар, әсіресе йодоалкандар, органометалл қосылыстарын алу үшін окистендіру қосылу реакцияларына түседі.

Қолданбалар

Хлорланған немесе фторланған алкендер полимерленуге түседі. Маңызды галогенді полимерлерге поливинилхлорид (ПВХ) және политетрафторэтилен (ПТФЕ немесе тефлон) жатады. Алкыл фторидтер Шамамен дәрілік препараттардың бесіден бірі фторды қамтиды, оның ішінде ең көп қолданылатын препараттар да бар. Бұл қосылыстардың көпшілігі алкыл фторидтер болып табылады. Мысалдарға 5-фторурацил, флунитразепам (Rohypnol), флуоксетин (Prozac), пароксетин (Paxil), ципрофлоксацин (Cipro), мефлокин және флуконазол кіреді. Фтормен алмастырылған эфирлер – бұл ұшқыш анестетиктер, оның ішінде коммерциялық өнімдерге метоксифлуран, энфлуран, изофлуран, севофлуран және десфлуран жатады. Алкыл хлоридтер Клороформ, дихлорметан, дихлорэтен және трихлорэтан сияқты төмен молекулалық салмақты хлорланған көмірсутектер пайдалы еріткіштер болып табылады. Жыл сайын бірнеше миллион тонна хлорланған метан өндіріледі. Хлорметан хлорсилан мен силиконға дейін синтездейтін зат. Хлордифторметан (CHClF2) тефлон жасау үшін қолданылады. Алкыл бромидтер Алкыл бромидтердің кең ауқымды қолданылуы олардың уыттылығын пайдаланады, бұл олардың қолданылуын шектейді. Метил бромиді тиімді фумигант болып табылады, бірақ оның өндірілуі мен қолданылуына қатысты дау бар. Алкыл йодидтері Алкыл йодидтерінің кең ауқымды қолданылуы белгілі емес. Метил йодиді органикалық синтезде кең таралған метилдеуші агент болып табылады. Хлорфторкөмірсутектер Хлорфторкөмірсутектер салыстырмалы түрде аз уыттылығы және жоғары булану жылуының арқасында салқындатқыштар мен пропелленттер ретінде кеңінен қолданылды. 1980 жылдардан бастап, олардың озон қабатының бұзылуына тигізетін үлесі белгілі болғаннан кейін, олардың қолданылуы шектелді және қазіргі уақытта олар негізінен ХФҚ-лармен алмастырылды.

Қоршаған ортаны қорғау

Табиғат хлорметан мен бромметанның көп мөлшерін шығарады. Көбінесе назар антропогендік көздерге – яғни, уытты заттарға, тіпті қатерлі ісік тудыратын заттарға – аударылады. Сол сияқты, адам жасаған галокарбондарды, мысалы, ірі көлемде өндірілетін құрғақ тазалау сұйықтықтарын қалпына келтіруге үлкен қызығушылық білдірілуде. Ұшқыш галокарбондар фотохимиялық жолмен ыдырайды, себебі көміртегі-галоген байланысы тұрақсыз болуы мүмкін. Кейбір микроорганизмдер галокарбондарды дегалогендеуге қабілетті. Бұл құбылыс қызығушылық тудырса да, қалпына келтіру жылдамдығы көбінесе өте төмен.

Қауіпсіздік

Алкилдеуші заттар ретінде галоалкандар потенциалды қатерлі ісік тудырушылар болып табылады. Осы үлкен класс қосылыстардың реакцияға бейімдеушілері, мысалы, көміртек тетрахлориді, әдетте үлкен қауіп төндіреді.