Reações de halogenação

Uma reação de halogenação ocorre quando um ou mais átomos de flúor, cloro, bromo ou iodo substituem átomos de hidrogênio em compostos orgânicos. A ordem de reatividade é flúor > cloro > bromo > iodo. O flúor é especialmente agressivo e pode reagir violentamente com materiais orgânicos. Também tende a tornar o mais estável dos haloalcanos e é difícil remover um átomo de flúor depois de adicionado. Por outro lado, o iodo é mais difícil de adicionar a uma molécula orgânica, mas uma vez que um iodoorgânico se forma, o átomo de iodo é facilmente removido. Assim, a eletronegatividade do átomo de halogênio é uma força motriz para reações de halogenação. As reações também dependem da natureza da molécula de substrato que está sendo halogenada.

As halogenações ocorrem por vários processos diferentes, dependendo do substrato: hidrocarbonetos saturados halogenados por meio de um processo de radicais livres; halogenado orgânico insaturado por meio de uma reação de adição; aromáticos halogenados por substituição eletrofílica. 

As reações de halogenação são importantes tanto na síntese química a granel quanto na fina e os produtos e intermediários gerados via halogenação estão bem representados em produtos farmacêuticos, polímeros e plásticos, refrigerantes, aditivos para combustíveis, retardantes de fogo, agroprodutos, etc.

Como exemplos em produtos farmacêuticos, átomos de flúor ou cloro adicionados a uma molécula podem aumentar o potencial de sua atividade terapêutica. Além disso, organobromidas e organoiodinas são muito úteis como compostos intermediários, fornecendo um meio de adicionar grupos funcionais a um substrato, além de permitir a síntese de estruturas mais complexas. Como exemplos, as ligações C-Cl ou C-Br podem ser hidrolisadas em álcoois que, por sua vez, podem ser oxidados para produzir cetonas, aldeídos e ácidos. Por meio de reações de eliminação, ligações duplas podem ser formadas. A bromação de compostos orgânicos é frequentemente um passo importante para a formação de um reagente de Grignard, oferecendo uma via sintética para construir ligações CC. A alquilação de anéis aromáticos através da reação de Friedel-Crafts é amplamente aplicável e os haletos de alquila são reagentes críticos para esta reação

Alguns produtos químicos e produtos comerciais importantes resultam de reações de halogenação. Em um exemplo clássico, o clorofórmio é fluorado para formar clorodifluorometano, que é então convertido em fluoroetileno e polimerizado para produzir PTFE. Outro exemplo é a adição de halogenação de etileno com cloro para formar dicloroetano, que então é polimerizado para produzir PVC.

As reações de halogenação podem exigir um catalisador para aumentar a eletrofilicidade do halogênio. Por exemplo, reações de substituição eletrofílica de compostos aromáticos requerem um catalisador. Uma vez que o bromo e o cloro não são eletrofílicos o suficiente por si só para causar a substituição do hidrogênio, eles requerem a presença de um ácido de Lewis. Assim, catalisadores típicos para halogenação de anéis aromáticos são, como exemplos, AlCl3 ou AlBr3. Na presença do ácido de Lewis, a ligação do halogênio torna-se mais polarizada e o halogênio carregado positivamente aprimorado é um eletrófilo muito mais forte.

A fluoração de aromáticos não requer um catalisador porque o flúor é um eletrófilo muito forte e essa reação pode ser muito energética. É difícil controlar a quantidade de substituição de flúor que ocorre e mais de um átomo de flúor pode halogenar o anel aromático. Para que o iodo substitua em um anel aromático, os haletos metálicos não são catalisadores eficazes, mas um oxidante como o ácido nítrico converterá iodo em HIO3 e permitirá a iodização do benzeno.

As halogenações são reações excepcionalmente úteis e abrangem um amplo escopo de uso em química sintética. Alguns exemplos: Cloração, bromação e iodização de aldeídos e cetonas na posição α é direta, embora essa reação com flúor não seja possível. A halogenação do α-hidrogênio em ácidos carboxílicos com bromo ou cloro pode ocorrer através da reação de Zell-Volhard-Zelinsky, no entanto, um catalisador como P ou PBr3 é necessário. Quanto mais fácil for enolizar um substrato, mais fácil será halogená-lo. Por esta razão, halogenetos de acila, anidridos, ésteres malônicos passam por α –halogenação sem a necessidade de um catalisador. A reação de rearranjo de Hoffman usa bromo para converter amidas em aminas. Os anéis aromáticos podem ser bromados ou clorados, mas requerem um catalisador como Fe (na verdade, FeCl3) ou AlCl3 ou AlBr3. O flúor em si é agressivo demais para a fluoração de aromáticos, mas existem reagentes como o ClO3F que podem ser utilizados para fluorar certos substratos, como fenóis. Em geral, o bromo e o cloro halogenam facilmente compostos com ligações duplas e triplas.

Embora a halogenação com X2 ou HX seja usada, essas moléculas são frequentemente tóxicas, corrosivas e difíceis de gerenciar. Como exemplos, o flúor e o HF são incrivelmente corrosivos, reativos, causam produtos colaterais indesejados e, em geral, são difíceis de trabalhar e controlar a exotermia da reação. Por esse motivo, foram desenvolvidos compostos que podem fornecer um átomo de flúor, mas são mais estáveis e controláveis. Por exemplo, o trifluoreto de dietilaminoenxofre (DAST) é um sólido estável que converte álcoois, aldeídos e cetonas no organofluoreto correspondente e é muito mais seguro e conveniente de usar do que os gases flúor ou tetrafluoreto de enxofre. Reagentes como SOCl2 e PCl5 são usados para produzir compostos organoclorados a partir dos álcoois correspondentes e, como no caso do flúor, são mais fáceis de usar e controlar reações do que com cloro elementar. Como alternativa ao bromo, a N-bromosuccinimida (NBS) é amplamente utilizada para bromar um alceno. 

As halogenações podem ser muito energéticas e sensíveis à umidade e ao ar. Além disso, o rendimento e a seletividade da reação são uma função do substrato, do reagente halogenante, da temperatura da reação e de outras variáveis. Essa combinação de requisitos torna a necessidade de análise in situ e controle preciso um objetivo importante em halogenações.

Compreender a cinética e a termodinâmica das halogenações é importante para atingir os objetivos de produto e segurança e isso é especialmente verdadeiro ao ampliar uma reação.Reatores de laboratório automatizados , como EasyMax e RC1 , têm papéis importantes para garantir que a energia da reação seja bem compreendida e que o efeito das variáveis no desempenho da reação seja bem modelado. As tecnologias espectroscópicas in-situ ReactIR e ReactRaman são altamente úteis para rastrear e monitorar as principais espécies de reação, fornecendo informações cinéticas e mecanicistas. As halogenações geralmente geram intermediários e subprodutos e conhecer o efeito das variáveis de reação na geração dessas espécies ajuda a garantir o desempenho e a segurança da reação. Engenheiros e químicos usam a combinação de reatores de laboratório automatizados em conjunto com sondas espectroscópicas in situ para garantir o desempenho e a segurança das halogenações.

Explore mais tecnologia para reações de halogenação.