Fluorowcopochodne węglowodorów

bg‑gold

Fluorowcopochodne węglowodorów - nazewnictwo

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.

Aby lepiej zrozumieć właściwości tych związków, przeanalizuj teraz ich budowę oraz zasady nazewnictwa chlorowcopochodnych.

Polecenie 1

Czy wiesz, w jaki sposób tworzy się nazwy halogenopochodnych węglowodorów? Czy wiesz, od czego zależy kolejność numerowania atomów węgla w cząsteczkach tych pochodnych? Czy wiesz, jak nazwać związek, który zawiera nieidentyczne atomy halogenów w cząsteczce? Zapoznaj się z poniższą animacją, a następnie wykonaj zadania.

R1ZFSpAwR4Yiy

Animacja pt. Nomenklatura halogenopochodnych węglowodorów
Źródło: GroMar Sp. z o.o. Dominika Kruszewska, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

R1FphULkLDp991

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

RAFTldUHcZyIX

$C_{9} H_{16} FClBrI$

Ćwiczenie 2

R1YmMg1WVcCS5

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R10ap9YlueVq7

Ćwiczenie 3

Podaj nazwę cząsteczki z uwzględnieniem izomerii geometrycznej (E/Z).

R18x18IE0RYMI

Ilustracja — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1U4O2SVSYKyE

$(2 E)$ - $7$ -bromo- $5$ , $5$ -dichloro- $3$ -etylo- $6$ -metylokt- $2$ -en

Ćwiczenie 3

ReAukVCYCUSQg

bg‑gold

Otrzymywanie halogenków alkilowych

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

z węglowodorów nasyconych (alkanów), poprzez substytucję rodnikową;

Przykład 1

${CH}_{4} + {Cl}_{2} \overset{światło}{\to} {CH}_{3} Cl + HCl$
${CH}_{3} Cl + {Cl}_{2} \overset{światło}{\to} {CH}_{2} {Cl}_{2} + HCl$
${CH}_{2} {Cl}_{2} + {Cl}_{2} \overset{światło}{\to} {CHCl}_{3} + HCl$
${CHCl}_{3} + {Cl}_{2} \overset{światło}{\to} {CCl}_{4} + HCl$

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 substytucję 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 Cl2 w obecności FeCl3, prowadząc do powstania cząsteczki chlorobenzenu, zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest atomem chloru. Dodać cząsteczkę chlorowodoru HCl. Drugie równanie. Cząsteczka toluenu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą metylową CH3. Dodać cząsteczkę bromu Br2, które reagują w obecności FeBr3, 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 CH3. Dodać cząsteczkę bromowodoru HBr; Trzecie równanie. Cząsteczka toluenu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą metylową CH3. Dodać cząsteczkę bromu Br2, które reagują w obecności FeBr3, 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 CH3. Dodać cząsteczkę bromowodoru HBr — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

z węglowodorów nienasyconych, poprzez addycjęaddycjaaddycję $X_{2}$ do wiązań wielokrotnych;

Przykład 3

RAXoNlXycGcKz

Ilustracja przedstawiająca dwa równania reakcji. Pierwsze równanie. Cząsteczka etenu zbudowanego z dwóch grup CH2 połączonych za pomocą wiązania podwójnego. Dodać cząsteczkę bromu Br2. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka 1,2-dibromoetanu zbudowanego z dwóch grup CH2 połączonych wiązaniem pojedynczym, w których każdy atom węgla podstawiony jest jednym atomem bromu. Drugie równanie. Cząsteczka but-2-enu zbudowanego z dwóch grup CH połączonych za pomocą wiązania podwójnego i podstawiony każda jedną grupą metylową CH3. Dodać cząsteczkę chloru Cl2. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka 2,3-dichlorobutanu zbudowanego z dwóch grup CH połączonych za pomocą wiązania pojedynczego i podstawionych każda jedną grupą metylową CH3 oraz jednym atomem chloru. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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 addycję do wiązań wielokrotnych;

Przykład 4

RnsnN29RQZjQ5

Reakcja ta przebiega zgodnie z regułą 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.

Przykład 5

RseepWV0SQA9I

Ilustracja przedstawiająca dwa równania reakcji. Pierwsze równanie. Cząsteczka etanolu zbudowanego z grupy metylowej CH3 związanej z grupą CH2 połączoną z grupą hydroksylową OH. Dodać cząsteczkę chlorowodoru HCl. Strzałka w prawo, nad strzałką chlorek cynku ZnCl2, za strzałką cząsteczka 1-chloroetanu zbudowanego z grupy CH3 połączonej za pomocą wiązania pojedynczego z grupą CH2 podstawioną atomem chloru. Drugie równanie. Cząsteczka propan-2-olu zbudowanego z grupy CH podstawionej grupą OH oraz dwiema grupami metylowymi CH3. Dodać cząsteczkę bromowodoru HBr; strzałka w prawo, nad strzałką bromek cynku ZnBr2, za strzałką cząsteczka 2-bromopropanu zbudowanego z grupy CH podstawionej atomem bromu oraz dwiema grupami metylowymi CH3. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zapoznaj się z poniższym filmem oraz wykonaj ćwiczenia pod nim zawarte, aby utrwalić metody otrzymywania fluorowcopochodnych.

Polecenie 2

Czy wiesz, w jaki sposób można otrzymać fluorowcopochodne węglowodorów? Zapoznaj się z poniższym filmem, a następnie rozwiąż zadania.

RWmCascam1DcR1

Film samouczek pt. Otrzymywanie fluorowcopochodnych węglowodorów
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Piotr Dzwoniarek, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

Zaprojektuj ciąg reakcji chemicznych, w wyniku których z but- $1$ -ynu otrzymasz:

a) $3$ -bromobutan;

b) $1$ , $2$ -dibromobutan;

c) $2$ , $2$ -dibromobutan;

d) $1$ , $2$ , $2$ -tribromobutan;

e) $1$ , $1$ , $2$ , $2$ -tetrabromobutan;

f) $2$ , $3$ -dibromobutan.

Zapisz odpowiednie równania reakcji, uwzględniając warunki prowadzenia poszczególnych reakcji.

Rzt6WXmXlyplP

${CH}_{3} — {CH}_{2} — C \equiv CH + H_{2} \overset{Pt, T, p}{\to} {CH}_{3} — {CH}_{2} — CH = {CH}_{2}$
${CH}_{3} — {CH}_{2} — CH = {CH}_{2} + HBr \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — CHBr — {CH}_{3}$

${CH}_{3} — {CH}_{2} — C \equiv CH + H_{2} \overset{Pt, T, p}{\to} {CH}_{3} — {CH}_{2} — CH = {CH}_{2}$
${CH}_{3} — {CH}_{2} — CH = {CH}_{2} + {Br}_{2} \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — CHBr — {CH}_{2} Br$

${CH}_{3} — {CH}_{2} — C \equiv CH + 2 HBr \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — {CBr}_{2} — {CH}_{3}$

${CH}_{3} — {CH}_{2} — C \equiv CH + HBr \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — CBr = {CH}_{2}$
${CH}_{3} — {CH}_{2} — CBr = {CH}_{2} + {Br}_{2} \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — C {(Br)}_{2} — {CH}_{2} Br$

${CH}_{3} — {CH}_{2} — C \equiv CH + 2 {Br}_{2} \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — {CBr}_{2} — {CHBr}_{2}$

${CH}_{3} — {CH}_{2} — C \equiv CH + H_{2} \overset{Pt, T, p}{\to} {CH}_{3} — {CH}_{2} — CH = {CH}_{2}$
${CH}_{3} — {CH}_{2} — CH = {CH}_{2} + HBr \to {CH}_{3} — {CH}_{2} — CHBr — {CH}_{3}$
${CH}_{3} — {CH}_{2} — CHBr — {CH}_{3} + NaOH$ $\overset{etanol, T}{\to} {CH}_{3} — CH = CH — {CH}_{3} + NaBr + H_{2} O$
${CH}_{3} — CH = CH — {CH}_{3} + {Br}_{2} \to {CH}_{3} — CHBr — CHBr — {CH}_{} 3$

Rm6iiZ86msZVj

Ćwiczenie 4

Uzupełnij równania reakcji. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C wiązanie potrójne C H plus 1. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H B r, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, 2. H B r, 3. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H wiązanie podwójne C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, 4. H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego P t, przecinek, T, przecinek, p powyżej, strzałka w prawo 1. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H B r, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, 2. H B r, 3. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H wiązanie podwójne C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, 4. H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego
C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H wiązanie podwójne C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego plus 1. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H B r, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, 2. H B r, 3. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H wiązanie podwójne C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, 4. H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego strzałka w prawo 1. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H B r, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, 2. H B r, 3. C H indeks dolny trzy koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, wiązanie pojedyncze C H wiązanie podwójne C H indeks dolny dwa koniec indeksu dolnego, 4. H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego

Ćwiczenie 5

Zapoznaj się z poniższym tekstem, a następnie rozwiąż zadanie.

RJMiOdnb3FpSa

$X$ : $1$ , $4$ -dimetylobenzen.

$Y$ : etylobenzen.

bg‑gold

Właściwości fizyczne halogenopochodnych węglowodorów

Pojawienie się jednej grupy funkcyjnej w związkach chemicznych w bardzo znaczącym stopniu wpływa na właściwości fizyczne, takie jak: temperatura topnienia i wrzenia, gęstość czy moment dipolowy. Przeanalizuj dane w poniższej tabeli oraz spróbuj wykonać polecenie pod nią.

Tabela 1. Właściwości fizyczne wybranych węglowodorów i halogenopochodnych

Nazwa związku	Wzór związku	Temperatura wrzenia, $(p = 1013 hPa)$ , $[° C]$	Gęstość cieczy $(20 ° C)$ , $[\frac{g}{{cm}^{3}}]$
metan	${CH}_{4}$	$- 162$	gaz
jodometan	${CH}_{3} I$	$43$	$2,279$
bromometan	${CH}_{3} Br$	$5$	gaz
chlorometan	${CH}_{3} Cl$	$- 24$	gaz
dichlorometan	${CH}_{2} {Cl}_{2}$	$40$	$1,340$
trichlorometan	${CHCl}_{3}$	$61$	$1,500$
tetrachlorometan	${CCl}_{4}$	$76$	$1,630$
etan	$C_{2} H_{6}$	$- 89$	gaz
chloroetan	$C_{2} H_{5} Cl$	$12$	gaz
bromoetan	$C_{2} H_{5} Br$	$38$	$1,430$
jodoetan	$C_{2} H_{5} I$	$72$	$1,973$
propan	$C_{3} H_{8}$	$- 42$	gaz
1‑chloropropan	$C_{3} H_{7} Cl$	$47$	$0,890$
1‑bromopropan	$C_{3} H_{7} Br$	$71$	$1,353$
1‑jodopropan	$C_{3} H_{7} I$	$102$	$1,747$
butan	$C_{4} H_{10}$	$1$	gaz
$1$ ‑chlorobutan	$C_{4} H_{9} Cl$	$78$	$0,884$
$1$ ‑bromobutan	$C_{4} H_{9} Br$	$102$	$1,275$
$1$ ‑jodobutan	$C_{4} H_{9} I$	$127$	$1,617$
pentan	$C_{5} H_{12}$	$36$	$0,626$
$1$ ‑chloropentan	$C_{5} H_{11} Cl$	$106$	$0,883$
$1$ ‑bromopentan	$C_{5} H_{11} Br$	$108$	$1,223$
$1$ ‑jodopentan	$C_{5} H_{11} I$	$156$	$1,517$
benzen	$C_{6} H_{6}$	$80$	$0,874$
chlorobenzen	$C_{6} H_{5} Cl$	$132$	$1,110$
bromobenzen	$C_{6} H_{5} Br$	$156$	$1,500$
jodobenzen	$C_{6} H_{5} I$	$189$	$1,830$

Indeks górny Źródło: Czerwińska A., Czerwiński A., i in., Chemia – podręczniki dla liceum ogólnokształcącego, profilowanego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2019. Indeks górny koniec

Polecenie 3

Porównaj temperatury wrzenia poszczególnych związków z ich masami molowymi. Czy widzisz jakąś korelację pomiędzy tymi wielkościami?

R1JamVhhkbCCa

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Alkohole monohydroksylowe - budowa nazewnictwo i otrzymywanie