Reazioni di alogenazione

Una reazione di alogenazione si verifica quando uno o più atomi di fluoro, cloro, bromo o iodio sostituiscono gli atomi di idrogeno nel composto organico. L'ordine di reattività è fluoro > cloro > bromo > iodio. Il fluoro è particolarmente aggressivo e può reagire violentemente con i materiali organici. Tende anche a rendere il più stabile degli organoalogenati ed è difficile rimuovere un atomo di fluoro una volta aggiunto. Al contrario, lo iodio è più difficile da aggiungere a una molecola organica, ma una volta che si forma uno iodoorganico, l'atomo di iodio viene facilmente rimosso. Quindi l'elettronegatività dell'atomo di alogeno è una forza trainante per le reazioni di alogenazione. Le reazioni dipendono anche dalla natura della molecola di substrato che viene alogenata.

Le alogenazioni avvengono attraverso diversi processi a seconda del substrato: idrocarburi saturi alogenati tramite un processo di radicali liberi; sostanze organiche insature alogenate tramite una reazione di addizione; alogenati aromatici tramite sostituzione elettrofila. 

Le reazioni di alogenazione sono importanti sia nella sintesi chimica di massa che in quella fine e i prodotti e gli intermedi generati tramite alogenazione sono ben rappresentati in prodotti farmaceutici, polimeri e plastiche, refrigeranti, additivi per combustibili, ritardanti di fiamma, prodotti agricoli, ecc.

Ad esempio nei prodotti farmaceutici, gli atomi di fluoro o cloro aggiunti a una molecola possono aumentare il potenziale della sua attività terapeutica. Inoltre, gli organobromuri e gli organoiodi sono molto utili come composti intermedi, fornendo un mezzo per aggiungere gruppi funzionali a un substrato, oltre a consentire la sintesi di strutture più complesse. Ad esempio, un legame C-Cl o C-Br può essere idrolizzato in alcoli che, a loro volta, possono essere ossidati per produrre chetoni, aldeidi e acidi. Attraverso le reazioni di eliminazione, si possono formare doppi legami. La bromurazione dei composti organici è spesso un passo importante verso la formazione di un reagente di Grignard, che offre un percorso sintetico per costruire legami C-C. L'alchilazione degli anelli aromatici attraverso la reazione di Friedel-Crafts è ampiamente applicabile e gli alogenuri alchilici sono reagenti critici per questa reazione

Alcune importanti sostanze chimiche e prodotti commerciali derivano da reazioni di alogenazione. In un classico esempio, il cloroformio viene fluorurato per formare clorodifluorometano, che viene poi convertito in fluoroetilene e polimerizzato per produrre PTFE. Un altro esempio è l'alogenazione addizionale dell'etilene con il cloro per formare dicloroetano, che poi viene polimerizzato per produrre PVC.

Le reazioni di alogenazione possono richiedere un catalizzatore per aumentare l'elettrofilia dell'alogeno. Ad esempio, le reazioni di sostituzione elettrofila dei composti aromatici richiedono un catalizzatore. Poiché il bromo e il cloro non sono abbastanza elettrofili da soli da causare la sostituzione dell'idrogeno, richiedono la presenza di un acido di Lewis. Pertanto, i catalizzatori tipici per l'alogenazione degli anelli aromatici sono, ad esempio, AlCl3 o AlBr3. In presenza dell'acido di Lewis, il legame dell'alogeno diventa più polarizzato e l'alogeno potenziato caricato positivamente è un elettrofilo molto più forte.

La fluorurazione degli aromatici non richiede un catalizzatore perché il fluoro è un elettrofilo così forte e questa reazione può essere molto energetica. È difficile controllare la quantità di sostituzione del fluoro che si verifica e più di un atomo di fluoro può alogenare l'anello aromatico. Per sostituire lo iodio su un anello aromatico, gli alogenuri metallici non sono catalizzatori efficaci, ma un ossidante come l'acido nitrico convertirà lo iodio in HIO3 e consentirà la iodizzazione del benzene.

Gli alogenati sono reazioni eccezionalmente utili e comprendono un ampio campo di utilizzo nella chimica sintetica. Alcuni esempi: la clorurazione, la bromurazione e la iodazione di aldeidi e chetoni in posizione α è semplice, anche se la reazione con il fluoro non è possibile. L'alogenazione dell'idrogeno α negli acidi carbossilici con bromo o cloro può avvenire tramite la reazione di Zell-Volhard-Zelinsky, tuttavia è necessario un catalizzatore come P o PBr3. Più è facile enolizzare un substrato, più è facile alogenarlo. Per questo motivo, gli alogenuri acilici, le anidridi, gli esteri malonici subiscono tutti α alogenazione senza bisogno di un catalizzatore. La reazione di riarrangiamento di Hoffman utilizza il bromo per convertire le ammidi in ammine. Gli anelli aromatici possono essere bromurati o clorurati ma richiedono un catalizzatore come Fe (in realtà FeCl3) o AlCl3 o AlBr3. Il fluoro stesso è troppo aggressivo per fluorurare gli aromatici, ma ci sono reagenti come il ClO3F che possono essere utilizzati per fluorurare alcuni substrati come i fenoli. In generale, il bromo e il cloro alogenano facilmente composti con doppi e tripli legami.

Sebbene venga utilizzata l'alogenazione con X2 o HX, queste molecole sono spesso tossiche, corrosive e difficili da gestire. Ad esempio, il fluoro e l'HF sono incredibilmente corrosivi, reattivi, causano prodotti collaterali indesiderati e, in generale, sono difficili da lavorare e controllare l'esotermicità della reazione. Per questo motivo, sono stati sviluppati composti in grado di fornire un atomo di fluoro ma più stabili e controllabili. Ad esempio, il trifluoruro di dietilamminozolfo (DAST) è un solido stabile che converte alcoli, aldeidi e chetoni nell'organofluoruro corrispondente ed è molto più sicuro e comodo da usare rispetto ai gas fluoro o tetrafluoruro di zolfo. Reagenti come SOCl2 e PCl5 sono utilizzati per la produzione di composti organoclorurati dagli alcoli corrispondenti e, come nel caso del fluoro, sono più facili da usare e controllare le reazioni rispetto al cloro elementare. In alternativa al bromo, la N-bromosuccinimide (NBS) è ampiamente utilizzata per bromurare un alchene. 

Gli alogenati possono essere molto energetici e sono sensibili all'umidità e all'aria. Inoltre, la resa e la selettività della reazione sono una funzione del substrato, del reagente alogenante, della temperatura di reazione e di altre variabili. Questa combinazione di requisiti rende la necessità di analisi in situ e di un controllo preciso un obiettivo importante nelle alogenazioni.

Comprendere la cinetica e la termodinamica delle alogenazioni è importante per raggiungere gli obiettivi di prodotto e di sicurezza e questo è particolarmente vero durante l'aumento di scala di una reazione.I reattori da laboratorio automatizzati come EasyMax e RC1 hanno un ruolo importante nel garantire che l'energia di reazione sia ben compresa e che l'effetto delle variabili sulle prestazioni di reazione sia ben modellato. Le tecnologie spettroscopiche in situ ReactIR e ReactRaman sono molto utili per tracciare e monitorare le specie di reazione chiave, fornendo informazioni sia cinetiche che meccanicistiche. Gli alogenati spesso generano intermedi e sottoprodotti e conoscere l'effetto delle variabili di reazione sulla generazione di queste specie aiuta a garantire le prestazioni e la sicurezza della reazione. Ingegneri e chimici utilizzano la combinazione di reattori da laboratorio automatizzati in combinazione con sonde spettroscopiche in situ per garantire le prestazioni e la sicurezza delle alogenazioni.

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