Halogeneringsreaktioner

En halogeneringsreaktion opstår, når et eller flere fluor-, klor-, brom- eller jodatomer erstatter hydrogenatomer i organisk forbindelse. Reaktivitetsrækkefølgen er fluor > klor > brom > jod. Fluor er særligt aggressivt og kan reagere voldsomt med organiske materialer. Det har også en tendens til at gøre de mest stabile af organohalogenerne, og det er vanskeligt at fjerne et fluoratom, når det først er tilsat. Omvendt er jod sværere at tilføje til et organisk molekyle, men når først et jodorganisk dannes kan jodatomet let fjernes. Således er halogenatomets elektronegativitet en drivkraft for halogeneringsreaktioner. Reaktionerne afhænger også af arten af det substratmolekyle, der halogeneres.

Halogeneringer forekommer ved flere forskellige processer afhængigt af substratet: mættede kulbrinter halogenater via en proces med frie radikaler; umættede organiske halogenater via en additionsreaktion; aromatiske halogenater via elektrofil substitution. 

Halogeneringsreaktioner er vigtige i både bulk- og finkemisk syntese, og de produkter og mellemprodukter, der genereres via halogenering, er godt repræsenteret i lægemidler, polymerer og plast, kølemidler, brændstofadditiver, brandhæmmere, landbrugsprodukter osv.

Som eksempler i lægemidler kan fluor- eller kloratomer tilsat et molekyle øge potentialet for dets terapeutiske aktivitet. Desuden er organobromider og organioder meget nyttige som mellemliggende forbindelser, der giver et middel til at tilføje funktionelle grupper til et substrat, samt muliggør syntese af mere komplekse strukturer. Som eksempler kan en C-Cl- eller C-Br-binding hydrolyseres til alkoholer, som igen kan oxideres til at give ketoner, aldehyder og syrer. Gennem eliminationsreaktioner kan der dannes dobbeltbindinger. Bromering af organiske forbindelser er ofte et vigtigt skridt i retning af at danne et Grignard-reagens, der tilbyder en syntetisk vej til at opbygge CC-bindinger. Alkyleringen af aromatiske ringe via Friedel-Crafts-reaktionen er bredt anvendelig, og alkylhalogenider er kritiske reagenser for denne reaktion

Nogle vigtige kommercielle kemikalier og produkter skyldes halogeneringsreaktioner. I et klassisk eksempel fluoreres chloroform til dannelse af chlordifluormethan, som derefter omdannes til fluorethylen og polymeriseres for at give PTFE. Et andet eksempel er tilsætning af halogenering af ethylen med klor til dannelse af dichlorethan, som derefter polymeriseres for at give PVC.

Halogeneringsreaktioner kan kræve en katalysator for at øge halogenets elektrofilicitet. Som et eksempel kræver elektrofile substitutionsreaktioner af aromatiske forbindelser en katalysator. Da brom og klor ikke er elektrofile nok i sig selv til at forårsage substitution af brint, kræver de tilstedeværelsen af en Lewis-syre. Således er typiske katalysatorer til halogenering af aromatiske ringe som eksempler AlCl3 eller AlBr3. I nærvær af Lewis-syren bliver bindingen af halogenet mere polariseret, og det forbedrede positivt ladede halogen er en langt stærkere elektrofil.

Fluorering af aromater kræver ikke en katalysator, fordi fluor er så stærk en elektrofil, og denne reaktion kan være meget energisk. Det er vanskeligt at kontrollere mængden af fluorsubstitution, der forekommer, og mere end ét fluoratom kan halogenere den aromatiske ring. For at jod kan erstatte på en aromatisk ring, er metalhalogeniderne ikke effektive katalysatorer, men et oxidationsmiddel såsom salpetersyre vil omdanne jod til HIO3 og muliggøre iodisering af benzen.

Halogeneringer er usædvanligt nyttige reaktioner og omfatter et bredt anvendelsesområde inden for syntetisk kemi. Et par eksempler: Klorering, bromering og jodisering af aldehyder og ketoner i α-positionen er ligetil, selvom den reaktion med fluor ikke er mulig. Halogenering af α-hydrogenet i carboxylsyrer med brom eller klor kan forekomme via Zell-Volhard-Zelinsky-reaktionen, men en katalysator som P eller PBr3 er nødvendig. Jo lettere det er at enolisere et substrat, jo lettere er det at halogenere det. Af denne grund gennemgår acylhalogenider, anhydrider, maloniske estere alle α -halogenering uden behov for en katalysator. Hoffmans omlejringsreaktion bruger brom til at omdanne amider til aminer. Aromatiske ringe kan bromeres eller kloreres, men kræver en katalysator såsom Fe (faktisk FeCl3) eller AlCl3 eller AlBr3. Fluor i sig selv er for aggressivt til fluorerende aromater, men der er reagenser som ClO3F, der kan bruges til at fluorere visse substrater såsom phenoler. Generelt halogenerer brom og klor let forbindelser med dobbelt- og tredobbeltbindinger.

Selvom der anvendes halogenering med X2 eller HX, er disse molekyler ofte giftige, ætsende og vanskelige at håndtere. Som eksempler er fluor og HF utroligt ætsende, reaktive, forårsager uønskede biprodukter og er generelt svære at arbejde med og kontrollere reaktionens ekstermicitet. Af denne grund er der udviklet forbindelser, der kan give et fluoratom, men som er mere stabile og kontrollerbare. Som et eksempel er diethylaminosvovltrifluorid (DAST) et stabilt fast stof, der omdanner alkoholer, aldehyder og ketoner til det tilsvarende organofluorid og er langt sikrere og praktisk at bruge end fluor- eller svovltetrafluoridgasser. Reagenser som SOCl2 og PCl5 anvendes til fremstilling af organiske klorforbindelser fra de tilsvarende alkoholer og, som i tilfældet med fluor, lettere at bruge og kontrollere reaktioner end med elementært chlor. Som et alternativ til brom bruges N-bromosuccinimid (NBS) i vid udstrækning til at brominere en alken. 

Halogeneringer kan være meget energiske og er følsomme over for fugt og luft. Derudover er reaktionsudbytte og selektivitet en funktion af substratet, halogenerende reagens, reaktionstemperatur og andre variabler. Denne kombination af krav gør behovet for in situ-analyse og præcis kontrol til et vigtigt mål i forbindelse med halogeneringer.

Det er vigtigt at forstå halogeneringernes kinetik og termodynamik for at nå produkt- og sikkerhedsmålene, og det gælder især, når man skalerer en reaktion op.Automatiserede laboratoriereaktorer som EasyMax og RC1 har vigtige roller i at sikre, at reaktionsenergien er velforstået, og at effekten af variabler på reaktionsevnen er godt modelleret. ReactIR og ReactRaman in-situ spektroskopiske teknologier er yderst nyttige til sporing og overvågning af vigtige reaktionsarter, der giver både kinetik og mekanistisk information. Halogeneringer genererer ofte mellemprodukter og biprodukter, og at kende effekten af reaktionsvariabler på genereringen af disse arter hjælper med at sikre reaktionsevne og sikkerhed. Ingeniører og kemikere bruger kombinationen af automatiserede laboratoriereaktorer sammen med in situ spektroskopiske sonder for at sikre halogeneringernes ydeevne og sikkerhed.

Udforsk mere teknologi til halogeneringsreaktioner.