"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Галогенопроизводные углеводородов образуются, когда один или несколько атомов водорода в молекуле углеводорода заменяются атомами фтора, хлора, брома или йода. К таким веществам относятся галогеналканы, галогеналкены и галогенарены; их строение определяет свойства и ход реакций. Полярная связь углерода с галогеном позволяет заменять галоген другой группой или отщеплять его вместе с водородом. Поэтому галогенопроизводные важны для получения спиртов и алкенов и изучения органических реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Галогенопроизводные углеводородов — органические вещества, в которых один или несколько атомов водорода заменены атомами галогенов. Их общую запись часто представляют как R–X: R — углеводородный остаток, а X — атом галогена, то есть фтора, хлора, брома или йода. Такая запись помогает выделить участок молекулы, который во многом определяет её реакции.
Галогеналканы — галогенопроизводные, в которых галоген связан с насыщенным атомом углерода, то есть с атомом, соединённым только одинарными связями. Для моногалогеналканов, содержащих один атом галогена, общая формула CₙH₂ₙ₊₁X. Она позволяет проверить состав молекулы и отличить такой класс соединений от других галогенопроизводных.
Первичный, вторичный и третичный галогеналкан — названия, зависящие от числа атомов углерода, непосредственно связанных с атомом углерода при галогене. Если таких соседей один, два или три, галогеналкан соответственно первичный, вторичный или третичный. Эта классификация нужна, чтобы описывать строение вещества и оценивать возможное направление и скорость его превращений.
Полигалогенопроизводные содержат два или более атома галогена в одной молекуле. Эти атомы могут быть одинаковыми, например два атома хлора, или разными — например хлор и бром. Число и вид галогенов отражают в формуле и названии вещества, а их расположение помогает различать соединения и их изомеры.
Получить формулу галогенопроизводного можно, заменив в формуле исходного углеводорода один или несколько атомов H на символы галогенов. При этом число атомов углерода и связей между ними обычно сохраняется, а общее число атомов водорода уменьшается на число замен. Например, из пропана C₃H₈ заменой одного H на Br получают C₃H₇Br; формула не показывает, у какого именно атома углерода находится бром, поэтому возможны разные изомеры.
Классифицировать соединения можно по двум независимым признакам: числу атомов галогена и типу связи с углеродным скелетом. Если галогенов несколько, соединение полигалогенопроизводное; если галоген связан с насыщенным атомом углерода, это галогеналкан. В галогеналкенах галоген связан непосредственно с атомом углерода двойной связи, а в галогенаренах — прямо с атомом ароматического кольца, поэтому их не следует автоматически называть галогеналканами.
В названии галоген рассматривают как заместитель, а не как часть главной цепи. Сначала выбирают самую длинную подходящую углеродную цепь, затем нумеруют её с конца, который даёт заместителям наименьшие номера; положение галогена указывают цифрой, например 2-бромпропан. Если галогенов несколько, добавляют приставки ди-, три- и соответствующие номера, а разные заместители перечисляют в названии. Номера и приставки нужны, чтобы по названию можно было однозначно восстановить строение.
Связь C–X полярна, потому что галоген притягивает общую электронную пару сильнее углерода. На атоме углерода возникает частичный положительный заряд, поэтому к нему могут присоединяться частицы, способные заменить галоген; это реакция замещения. Если же от соседнего атома углерода отщепляется водород одновременно с галогеном, образуется галогеноводород HX, а между углеродами возникает двойная связь — происходит отщепление, или элиминирование.
Какое превращение пойдёт, зависит и от строения галогеналкана, и от условий реакции. Водный раствор гидроксида натрия обычно приводит к замещению: CH₃–CHBr–CH₃ + NaOH → CH₃–CHOH–CH₃ + NaBr. Спиртовой раствор гидроксида калия при нагревании способствует отщеплению: CH₃–CHBr–CH₃ + KOH → CH₃–CH=CH₂ + KBr + H₂O. В обоих случаях исходный галогеналкан один и тот же, но среда и нагревание направляют реакцию по-разному.
Сопоставляйте тип соединения прежде всего с тем, к какому атому углерода присоединён галоген. В последнем столбце приведено общее направление реакций, а не безусловное правило: результат зависит от строения молекулы и условий. Полигалогенопроизводные выделены по числу атомов галогена, поэтому этот признак может сочетаться с принадлежностью к другим типам.
| Тип соединения | Связь атома галогена | Пример | Характерное направление реакций |
|---|---|---|---|
| Галогеналканы | Галоген при насыщенном атоме углерода | CH₃–CH₂Cl | Замещение или отщепление |
| Галогеналкены | Галоген при атоме углерода двойной связи | CH₂=C(Cl)H | Превращения зависят от положения галогена и условий |
| Галогенарены | Галоген непосредственно связан с ароматическим кольцом | C₆H₅Cl | Замещение в кольце или превращения связи C–X при специальных условиях |
| Полигалогенопроизводные | Два или более атома галогена в молекуле | CH₂Cl₂ | Направление зависит от строения и числа галогенов |
В молекуле три атома углерода образуют непрерывную цепь, а атом брома присоединён к среднему атому. Сначала устанавливаем длину главной цепи, затем определяем номер положения заместителя и число углеродных соседей атома при броме.
Ответ: 2-бромпропан, вторичный галогеналкан. Название отражает положение брома, а классификация — строение атома углерода, к которому он присоединён.
Изомерия здесь возможна из-за разного положения хлора на углеродном скелете. Сначала проверяем скелеты с тремя атомами углерода: для состава C₃ возможен только прямой пропановый скелет, поэтому достаточно поставить Cl в разные неэквивалентные положения.
Ответ: CH₃–CH₂–CH₂Cl — 1-хлорпропан; CH₃–CHCl–CH₃ — 2-хлорпропан. У них одинаковый состав, но различается положение атома хлора.
В обоих опытах исходное вещество — CH₃–CHBr–CH₃, однако различается среда. Чтобы не перепутать продукты, сначала связываем условие с типом превращения: водный раствор щёлочи способствует замещению, а спиртовой при нагревании — отщеплению.
Ответ: с водным NaOH получают пропан-2-ол, а со спиртовым KOH при нагревании — пропен. Условия реакции определяют, какой из двух возможных путей реализуется.
Ошибка: считать галоген частью главной углеродной цепи. Так думают, потому что атом галогена входит в формулу молекулы, но цепь при назывании образуют атомы углерода. Проверка: найдите непрерывную последовательность углеродных атомов, а галоген обозначьте приставкой с номером.
Ошибка: неверно нумеровать цепь и указывать неправильное положение галогена. Это часто происходит, когда выбирают направление по привычке, не сравнивая номера заместителей. Проверьте оба направления и выберите то, при котором заместители получают наименьшие возможные номера.
Ошибка: считать, что галоген при любом атоме углерода реагирует одинаково. Строение молекулы влияет на доступность атома углерода и на возможные превращения, а реагенты и условия меняют направление реакции. Проверка: учитывайте тип галогеналкана и конкретные условия, не делая вывод только по наличию связи C–X.
Ошибка: путать действие водного и спиртового растворов щёлочи. Оба раствора содержат щёлочь, поэтому легко упустить роль растворителя и условий. Перед записью уравнения уточните среду: водный раствор обычно ведёт к замещению на OH, а спиртовой при нагревании — к отщеплению и образованию алкена.
Для изучения галогенопроизводных нужны знания о строении и номенклатуре алканов, алкенов и аренов: по ним определяют углеродный скелет и положение галогена. Понятие изомерии помогает находить разные структуры с одной молекулярной формулой. Связь C–X подготавливает к изучению нуклеофильного замещения и элиминирования, а реакции галогеналканов показывают способы получения спиртов и алкенов. Знание строения также помогает обсуждать применение галогенорганических веществ и их воздействие на окружающую среду.
Чем галогенопроизводное отличается от исходного углеводорода?
В галогенопроизводном один или несколько атомов водорода в углеводороде заменены атомами галогена. Углеродный скелет при такой замене может остаться прежним, но наличие связи C–X меняет химические свойства вещества.
Как определить, является ли галогеналкан первичным, вторичным или третичным?
Посмотрите на атом углерода, непосредственно связанный с галогеном, и посчитайте, со сколькими другими атомами углерода он соединён. С одним он первичный, с двумя — вторичный, с тремя — третичный.
Как правильно назвать галогенопроизводное по систематической номенклатуре?
Выберите главную углеродную цепь и пронумеруйте её так, чтобы заместители получили наименьшие возможные номера. Галоген обозначьте приставкой фтор-, хлор-, бром- или йод- с номером положения; остальные заместители также укажите в названии.
Почему связь между углеродом и галогеном полярна?
Атомы углерода и галогена по-разному притягивают общую электронную пару. Электронная плотность смещена к галогену, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд, а на углероде — частичный положительный.
Чем отличаются реакции галогеналкана с водным и спиртовым растворами щёлочи?
В типичных условиях водный раствор щёлочи способствует замещению галогена на гидроксильную группу, и образуется спирт. Спиртовой раствор щёлочи при нагревании чаще приводит к отщеплению галогеноводорода и образованию алкена.
§ 2. Галогенопроизводные углеводородо
