Halogenacijske reakcije

Halogenacijska reakcija se pojavi, ko eden ali več atomov fluora, klora, broma ali joda nadomesti vodikove atome v organski spojini. Vrstni red reaktivnosti je fluor > klor > brom > jod. Fluor je še posebej agresiven in lahko silovito reagira z organskimi materiali. Prav tako se nagiba k temu, da je najbolj stabilen od organohalogenov in težko je odstraniti atom fluora, ko je enkrat dodan. Nasprotno pa je jod težje dodati organski molekuli, toda ko se oblikuje jodoorganski, se atom joda zlahka odstrani. Tako je elektronegativnost halogenskega atoma gonilna sila za halogenacijske reakcije. Reakcije so odvisne tudi od narave molekule substrata, ki se halogenira.

Halogenacije se pojavljajo z več različnimi procesi, odvisno od substrata: nasičeni ogljikovodiki halogenat s postopkom prostih radikalov; nenasičene organske halogenate z reakcijo adiciranja; aromati halogenat z elektrofilno substitucijo. 

Halogenacijske reakcije so pomembne tako pri razsuti kot pri fini kemijski sintezi, izdelki in vmesni produkti, ki nastanejo s halogeniranjem, pa so dobro zastopani v farmacevtskih izdelkih, polimerih in plastiki, hladilnih sredstvih, aditivih za gorivo, zaviralcih gorenja, agroproizvodih itd.

Kot primer v farmacevtskih izdelkih, lahko atomi fluora ali klora, dodani molekuli, povečajo potencial za njeno terapevtsko delovanje. Poleg tega so organobromidi in organojodi zelo koristni kot vmesne spojine, ki zagotavljajo sredstva za dodajanje funkcionalnih skupin substratu in omogočajo sintezo bolj zapletenih struktur. Na primer, vezi C-Cl ali C-Br se lahko hidrolizirajo v alkohole, ki se lahko oksidirajo, da nastanejo ketoni, aldehidi in kisline. Z izločacijskimi reakcijami lahko nastanejo dvojne vezi. Bromiranje organskih spojin je pogosto pomemben korak k oblikovanju Grignardovega reagenta, ki ponuja sintetično pot za izgradnjo vezi C-C. Alkilacija aromatskih obročev s Friedel-Craftsovo reakcijo je široko uporabna in alkilhalogenidi so kritični reagenti za to reakcijo

Nekatere pomembne komercialne kemikalije in izdelki so posledica reakcij halogeniranja. V klasičnem primeru se kloroform fluorira, da nastane klorodifluorometan, ki se nato pretvori v fluoretilen in polimerizira, da nastane PTFE. Drug primer je dodajanje halogeniranja etilena s klorom, da nastane dikloroetan, ki se nato polimerizira, da nastane PVC.

Halogenacijske reakcije lahko zahtevajo katalizator za povečanje elektrofilnosti halogena. Na primer, elektrofilne substitucijske reakcije aromatskih spojin zahtevajo katalizator. Ker brom in klor sami po sebi nista dovolj elektrofilna, da bi povzročila zamenjavo vodika, potrebujeta prisotnost Lewisove kisline. Tako so tipični katalizatorji za halogeniranje aromatskih obročev na primer AlCl3 ali AlBr3. V prisotnosti Lewisove kisline postane vez halogena bolj polarizirana in izboljšan pozitivno nabit halogen je veliko močnejši elektrofil.

Fluoriranje aromatov ne zahteva katalizatorja, ker je fluor tako močan elektrofil in ta reakcija je lahko zelo energična. Težko je nadzorovati količino substitucije fluora, ki se pojavi, in več kot en atom fluora lahko halogenira aromatski obroč. Da bi jod nadomestil na aromatskem obroču, kovinski halogenidi niso učinkoviti katalizatorji, vendar bo oksidant, kot je dušikova kislina, pretvoril jod v HIO3 in omogočil jodiranje benzena.

Halogenacije so izjemno uporabne reakcije in zajemajo široko področje uporabe v sintetični kemiji. Nekaj primerov: Kloriranje, bromiranje in jodiranje aldehidov in ketonov v α-položaju je enostavno, čeprav reakcija s fluorom ni mogoča. Halogeniranje α-vodika v karboksilnih kislinah z bromom ali klorom se lahko pojavi prek Zell-Volhard-Zelinsky reakcije, vendar je potreben katalizator, kot je P ali PBr3. Lažje je enolizirati substrat, lažje ga je halogenirati. Zaradi tega so acilhalogenidi, anhidridi, malonski estri podvrženi α halogeniranju brez potrebe po katalizatorju. Hoffmanova reakcija preureditve uporablja brom za pretvorbo amidov v amine. Aromatski obroči so lahko bromirani ali klorirani, vendar potrebujejo katalizator, kot je Fe (pravzaprav FeCl3) ali AlCl3 ali AlBr3. Sam fluor je preagresiven za fluoriranje aromatov, vendar obstajajo reagenti, kot je ClO3F, ki se lahko uporabijo za fluoriranje nekaterih substratov, kot so fenoli. Na splošno brom in klor zlahka halogenirata spojine z dvojnimi in trojnimi vezmi.

Čeprav se uporablja halogenacija z X2 ali HX, so te molekule pogosto strupene, jedke in težko obvladljive. Na primer, fluor in HF sta neverjetno jedka, reaktivna, povzročata neželene stranske produkte in na splošno z njima težko delati in nadzorovati reakcijsko eksotermnost. Iz tega razloga so bile razvite spojine, ki lahko zagotovijo atom fluora, vendar so bolj stabilne in nadzorovane. Na primer, dietilaminožveplov trifluorid (DAST) je stabilna trdna snov, ki pretvarja alkohole, aldehide in ketone v ustrezen organofluorid in je veliko varnejša in primernejša za uporabo kot fluor ali žveplovi tetrafluoridni plini. Reagenti, kot sta SOCl2 in PCl5, se uporabljajo za proizvodnjo organoklorovih spojin iz ustreznih alkoholov in, kot v primeru fluora, lažji za uporabo in nadzor reakcij kot pri elementarnem kloru. Kot alternativa bromu se N-bromosukcinimid (NBS) pogosto uporablja za bromiranje alkena. 

Halogenacije so lahko zelo energijske in občutljive na vlago in zrak. Poleg tega sta reakcijski donos in selektivnost funkcija substrata, halogenirajočega reagenta, reakcijske temperature in drugih spremenljivk. Zaradi te kombinacije zahtev je potreba po analizi in situ in natančnem nadzoru pomemben cilj pri halogeniranju.

Razumevanje kinetike in termodinamike halogenacij je pomembno za doseganje ciljev izdelka in varnosti, kar še posebej velja pri povečanju reakcije.Avtomatizirani laboratorijski reaktorji , kot sta EasyMax in RC1 , imajo pomembno vlogo pri zagotavljanju, da je reakcijska energija dobro razumljena in da je učinek spremenljivk na reakcijsko zmogljivost dobro modeliran. ReactIR in ReactRaman in situ spektroskopske tehnologije so zelo uporabne za sledenje in spremljanje ključnih reakcijskih vrst, ki zagotavljajo tako kinetiko kot mehanistične informacije. Halogenacije pogosto ustvarjajo intermediate in stranske produkte, poznavanje učinka reakcijskih spremenljivk na nastajanje teh vrst pa pomaga pri zagotavljanju učinkovitosti in varnosti reakcije. Inženirji in kemiki uporabljajo kombinacijo avtomatiziranih laboratorijskih reaktorjev v povezavi s spektroskopskimi sondami in situ, da zagotovijo učinkovitost in varnost halogeniranja.

Raziščite več tehnologij za halogenacijske reakcije.