Halogenierungsreaktionen

Eine Fluorierungsreaktion findet statt, wenn ein oder mehrere Fluor-, Chlor-, Brom- oder Jodatome Wasserstoffatome in einer organischen Verbindung ersetzen. Die Reihenfolge der Reaktivität ist Fluor > Chlor > Brom > Jod. Fluor ist besonders aggressiv und kann heftig mit organischen Materialien reagieren. Es neigt auch dazu, das stabilste der Organohalogene zu sein, und es ist schwierig, ein einmal hinzugefügtes Fluoratom zu entfernen. Umgekehrt ist es schwieriger, Jod an ein organisches Molekül hinzuzufügen, aber sobald sich ein Jodorganikum gebildet hat, lässt sich das Jodatom leicht entfernen. Die Elektronegativität des Halogenatoms ist also eine treibende Kraft für Halogenierungsreaktionen. Die Reaktionen hängen auch von der Art des Substratmoleküls ab, das halogeniert werden soll.

Halogenierungen erfolgen je nach Substrat durch verschiedene Prozesse: Gesättigte Kohlenwasserstoffe halogenieren über einen radikalischen Prozess; ungesättigte organische Stoffe halogenieren über eine Additionsreaktion; Aromaten halogenieren über eine elektrophile Substitution.

Halogenierungsreaktionen sind sowohl in der Massen- als auch in der Feinchemikaliensynthese wichtig, und die durch Halogenierung erzeugten Produkte und Zwischenprodukte sind in Arzneimitteln, Polymeren und Kunststoffen, Kühlmitteln, Kraftstoffadditiven, Flammschutzmitteln, Agrarprodukten usw. gut vertreten.

In der Pharmazie zum Beispiel können Fluor- oder Chloratome, die einem Molekül hinzugefügt werden, das Potenzial für dessen therapeutische Aktivität erhöhen. Darüber hinaus sind Organobromide und Organoiodine als Zwischenprodukte sehr nützlich, da sie die Möglichkeit bieten, einem Substrat funktionelle Gruppen hinzuzufügen, und die Synthese komplexerer Strukturen ermöglichen. So kann beispielsweise eine C-Cl- oder C-Br-Bindung zu Alkoholen hydrolysiert werden, die wiederum zu Ketonen, Aldehyden und Säuren oxidiert werden können. Durch Eliminierungsreaktionen können Doppelbindungen gebildet werden. Die Bromierung organischer Verbindungen ist häufig ein wichtiger Schritt zur Bildung eines Grignard-Reagenzes, das einen synthetischen Weg zum Aufbau von C-C-Bindungen bietet. Die Alkylierung von aromatischen Ringen über die Friedel-Crafts-Reaktion ist breit anwendbar, und Alkylhalogenide sind entscheidende Reagenzien für diese Reaktion.

Einige wichtige kommerzielle Chemikalien und Produkte sind das Ergebnis von Halogenierungsreaktionen. Ein klassisches Beispiel ist die Fluorierung von Chloroform zu Chlordifluormethan, das anschließend in Fluorethylen umgewandelt und zu PTFE polymerisiert wird. Ein weiteres Beispiel ist die Additionshalogenierung von Ethylen mit Chlor zu Dichlorethan, das dann zu PVC polymerisiert wird.

Halogenierungsreaktionen können einen Katalysator erfordern, um die Elektrophilie des Halogens zu erhöhen. Ein Beispiel: Elektrophile Substitutionsreaktionen von aromatischen Verbindungen erfordern einen Katalysator. Da Brom und Chlor allein nicht elektrophil genug sind, um die Substitution des Wasserstoffs zu bewirken, benötigen sie die Anwesenheit einer Lewis-Säure. Typische Katalysatoren für die Halogenierung von aromatischen Ringen sind beispielsweise AlCl3 oder AlBr3. In Gegenwart der Lewis-Säure wird die Bindung des Halogens stärker polarisiert und das verstärkt positiv geladene Halogen ist ein viel stärkeres Elektrophil.

Die Fluorierung von Aromaten erfordert keinen Katalysator, weil Fluor ein so starkes Elektrophil ist und diese Reaktion sehr energiereich sein kann. Es ist schwierig, die Menge der Fluorsubstitution zu kontrollieren, und mehr als ein Fluoratom kann den aromatischen Ring halogenieren. Für die Substitution von Jod an einem aromatischen Ring sind die Metallhalogenide keine wirksamen Katalysatoren, aber ein Oxidationsmittel wie Salpetersäure wandelt Jod in HIO3 um und ermöglicht die Jodierung von Benzol.

Halogenierungen sind außerordentlich nützliche Reaktionen, die in der synthetischen Chemie ein breites Anwendungsspektrum haben. Ein paar Beispiele: Die Chlorierung, Bromierung und Jodierung von Aldehyden und Ketonen in der α-Position ist unkompliziert, obwohl diese Reaktion mit Fluor nicht möglich ist. Die Halogenierung des α-Wasserstoffs in Carbonsäuren mit Brom oder Chlor kann über die Zell-Volhard-Zelinsky-Reaktion erfolgen, wobei jedoch ein Katalysator wie P oder PBr3 erforderlich ist. Je einfacher es ist, ein Substrat zu enolisieren, desto einfacher ist es, es zu halogenieren. Aus diesem Grund werden Acylhalogenide, Anhydride und Malonsäureester alle ohne Katalysator einer α-Halogenierung unterzogen. Bei der Hoffman-Umlagerungsreaktion wird Brom verwendet, um Amide in Amine umzuwandeln. Aromatische Ringe können bromiert oder chloriert werden, erfordern aber einen Katalysator wie Fe (eigentlich FeCl3) oder AlCl3 oder AlBr3. Fluor selbst ist zu aggressiv für die Fluorierung von Aromaten, aber es gibt Reagenzien wie ClO3F, die für die Fluorierung bestimmter Substrate wie Phenole verwendet werden können. Im Allgemeinen halogenieren Brom und Chlor leicht Verbindungen mit Doppel- und Dreifachbindungen.

Obwohl die Halogenierung mit X2 oder HX verwendet wird, sind diese Moleküle oft giftig, korrosiv und schwer zu handhaben. So sind beispielsweise Fluor und HF unglaublich korrosiv, reaktiv, verursachen unerwünschte Nebenprodukte und sind im Allgemeinen schwierig zu handhaben und die Exothermie der Reaktion zu kontrollieren. Aus diesem Grund wurden Verbindungen entwickelt, die ein Fluoratom liefern können, aber stabiler und kontrollierbarer sind. So ist beispielsweise Diethylaminosulfurtrifluorid (DAST) ein stabiler Feststoff, der Alkohole, Aldehyde und Ketone in das entsprechende Organofluorid umwandelt und weitaus sicherer und bequemer zu verwenden ist als Fluor oder Schwefeltetrafluoridgase. Reagenzien wie SOCl2 und PCl5 werden für die Herstellung von Organochlorverbindungen aus den entsprechenden Alkoholen verwendet und sind, wie im Falle von Fluor, einfacher zu verwenden und die Reaktionen zu kontrollieren als mit elementarem Chlor. Als Alternative zu Brom wird häufig N-Bromsuccinimid (NBS) verwendet, um ein Alken zu bromieren.

Halogenierungen können sehr energiereich sein und sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Luft. Darüber hinaus sind die Reaktionsausbeute und die Selektivität eine Funktion des Substrats, des Halogenierungsreagenzes, der Reaktionstemperatur und anderer Variablen. Diese Kombination von Anforderungen macht die Notwendigkeit einer In-situ-Analyse und einer präzisen Kontrolle zu einem wichtigen Ziel bei Halogenierungen.

Das Verständnis der Kinetik und Thermodynamik von Halogenierungen ist wichtig, um die Produkt- und Sicherheitsziele zu erreichen, und dies gilt insbesondere beim Scale-up einer Reaktion.Automatisierte Laborreaktoren wie EasyMax und RC1 spielen eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, sicherzustellen, dass die Reaktionsenergetik gut verstanden wird und dass die Auswirkungen der Variablen auf die Reaktionsleistung gut modelliert werden. Die In-situ-Spektroskopie-Technologien ReactIR und ReactRaman sind äußerst nützlich für die Verfolgung und Überwachung wichtiger Reaktionsspezies und liefern sowohl kinetische als auch mechanistische Informationen. Bei Halogenierungen entstehen häufig Zwischen- und Nebenprodukte, und die Kenntnis der Auswirkungen von Reaktionsvariablen auf die Entstehung dieser Spezies trägt dazu bei, die Reaktionsleistung und Sicherheit zu gewährleisten. Ingenieure und Chemiker nutzen die Kombination aus automatisierten Laborreaktoren in Verbindung mit spektroskopischen In-situ-Sonden, um die Leistung und Sicherheit von Halogenierungen zu gewährleisten.

Entdecken Sie weitere Technologien für Halogenierungsreaktionen.