Przez bardzo długi czas naukowcy uważali, że obecność organicznych związków halogenopochodnych w środowisku naturalnym jest spowodowana jedynie działalnością człowieka. Jednak to nieprawda. Naukowcy ustalili obecność ponad dwóch tysięcy różnych związków zawierających fluor, chlor, brom i jod, które występują naturalnie. Zdecydowanie więcej można znaleźć w organizmach morskich (algi czy skorupiaki) niż lądowych. Co ciekawe, da się je również spotkać w znanych i ogólnie dostępnych roślinach, takich jak pomidory, ziemniaki czy mandarynki i pomarańcze. Oczywiście, powstające związki organiczne fluorowcopochodnych występują w bardzo niewielkich ilościach i w dużym rozproszeniu, przez co pozyskiwanie ich z tych źródeł jest mało efektywne i nieopłacalne, w porównaniu do laboratoryjnych metod otrzymywania.

Halogenki alkilowe na skalę laboratoryjną otrzymać można z różnego rodzaju substratów:

• z węglowodorów nasyconych (alkanów), poprzez substytucjęsubstytucjasubstytucję rodnikową;

Jest to jedna z podstawowych metod otrzymywania halogenków alkilowych i znajduje zastosowanie przede wszystkim w produkcji najprostszych halogenków (głównie pochodnych metanu). Są one otrzymywane w bezpośredniej reakcji metanu z chlorem, pod wpływem działania światła lub ogrzewania. Wówczas powstaje mieszanina chlorometanu, dichlorometanu, trichlorometanu i tetrachlorometanu, rozdzielana następnie na drodze destylacji frakcjonowanej.

W przypadku alkanów o dłuższym łańcuchu węglowym, halogenowanie może prowadzić do powstania mieszanin, których nie da się tak łatwo rozdzielić. Podczas tych reakcji produkt główny powstaje na skutek podstawienia wodoru atomem fluorowca przy węglu o wyższej rzędowości.

• z węglowodorów aromatycznych (arenów), poprzez substytucjęsubstytucjasubstytucję elektrofilową, w obecności katalizatora;

Przykład 2

RlU2wFqCrdMSF

Ilustracja przedstawiająca trzy równania reakcji. Pierwsze równanie. Cząsteczka benzenu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny reaguje z cząsteczką chloru ${\text{Cl}}_2$ w obecności ${\text{FeCl}}_3$, prowadząc do powstania cząsteczki chlorobenzenu, zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest atomem chloru. Dodać cząsteczkę chlorowodoru $\text{HCl}$. Drugie równanie. Cząsteczka toluenu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę bromu ${\text{Br}}_2$, które reagują w obecności ${\text{FeBr}}_3$, prowadząc do powstania cząsteczki $1$-bromo-$4$-metylobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym atom węgla w pozycji pierwszej podstawiony jest atomem bromu, zaś w pozycji czwartej grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę bromowodoru $\text{HBr}$; Trzecie równanie. Cząsteczka toluenu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę bromu ${\text{Br}}_2$, które reagują w obecności ${\text{FeBr}}_3$, prowadząc do powstania cząsteczki $1$-bromo-$2$-metylobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym atom węgla w pozycji pierwszej podstawiony jest atomem bromu, zaś w pozycji drugiej grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dodać cząsteczkę bromowodoru $\text{HBr}$

• z węglowodorów nienasyconych, poprzez addycjęaddycjaaddycję ${\text{X}}_2$ do wiązań wielokrotnych;

Reakcja ta umożliwia bezpośrednie otrzymywanie dihalogenopochodnych. Co więcej, może posłużyć do wykrycia obecności podwójnego wiązania węgiel‑węgiel w cząsteczce. Wymaga to zastosowania roztworu bromu (woda bromowa ma brunatną barwę), który w obecności związku nienasyconego ulega odbarwieniu.

• z węglowodorów nienasyconych, poprzez addycjęaddycjaaddycję $\text{HX}$ do wiązań wielokrotnych;

Reakcja ta przebiega zgodnie z regułą MarkownikowaReguła Markownikowaregułą Markownikowa, określającą produkt główny reakcji – w trakcie addycji atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla, który jest związany z drugim wiązaniem podwójnym i gdzie jest więcej atomów wodoru, z kolei atom halogenu przyłącza się do drugiego atomu węgla przy tym wiązaniu o mniejszej ilości atomów wodoru.

• z alkoholi, w reakcji substytucji nukleofilowej.

• Chloro- i bromopochodne węglowodorów alifatycznych można otrzymać, działając chlorem lub bromem na alkany w obecności światła lub podwyższonej temperatury – to przykład reakcji substytucji rodnikowej.

• Halogenopochodne węglowodorów alifatycznych można otrzymać, działając halogenami oraz halogenowodorami na alkeny i alkiny – to przykład reakcji addycji.

• Reakcja addycjiaddycjaaddycji halogenowodoru do alkenu przebiega zgodnie z regułą MarkownikowaReguła Markownikowaregułą Markownikowa

• Halogenopochodne węglowodorów aromatycznych można otrzymać, działając chlorem lub bromem w obecności żelaza. Następuje wymiana atomu wodoru z pierścienia benzenowego na atom chlorowca – to przykład reakcji substytucjisubstytucjasubstytucji elektrofilowej.

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.