Réactions d'halogénation

Une réaction d'hydrogénation se produit lorsqu'un ou plusieurs atomes de fluor, de chlore, de brome ou d'iode remplacent des réactions d'hydrogénation dans un composé organique. L'ordre de réactivité est le suivant : fluor > chlore > brome > iode. Le fluor est particulièrement agressif et peut réagir violemment avec les matières organiques. Il tend également à être le plus stable des organohalogènes et il est difficile d'enlever un atome de fluor une fois qu'il a été ajouté. Inversement, l'iode est plus difficile à ajouter à une molécule organique, mais une fois qu'un iodoorganique se forme, l'atome d'iode est facilement éliminé. L'électronégativité de l'atome d'halogène est donc une force motrice pour les réactions d'halogénation. Les réactions dépendent également de la nature de la molécule de substrat qui est halogénée.

Les halogénations se produisent selon plusieurs processus différents en fonction du substrat : les hydrocarbures saturés s'halogènent par un processus radicalaire ; les composés organiques insaturés s'halogènent par une réaction d'addition ; les composés aromatiques s'halogènent par substitution électrophile.

Les réactions d'halogénation sont importantes tant dans la synthèse chimique de masse que dans la synthèse chimique fine, et les produits et intermédiaires générés par l'halogénation sont bien représentés dans les produits pharmaceutiques, les polymères et les plastiques, les réfrigérants, les additifs pour carburants, les retardateurs de flammes, les produits agricoles, etc.

Dans le domaine pharmaceutique, par exemple, l'ajout d'atomes de fluor ou de chlore à une molécule peut augmenter son potentiel d'activité thérapeutique. En outre, les organobromés et les organoiodines sont très utiles en tant que composés intermédiaires, car ils permettent d'ajouter des groupes fonctionnels à un substrat et de synthétiser des structures plus complexes. Par exemple, les liaisons C-Cl ou C-Br peuvent être hydrolysées en alcools qui, à leur tour, peuvent être oxydés pour produire des cétones, des aldéhydes et des acides. Par des réactions d'élimination, des doubles liaisons peuvent être formées. La bromation des composés organiques est souvent une étape importante vers la formation d'un réactif de Grignard, offrant une voie synthétique pour établir des liaisons C-C. L'alkylation des cycles aromatiques par la réaction de Friedel-Crafts est largement applicable et les halogénures d'alkyle sont des réactifs essentiels pour cette réaction

Certains produits chimiques et commerciaux importants résultent de réactions d'halogénation. Dans un exemple classique, le chloroforme est fluoré pour former du chlorodifluorométhane, qui est ensuite converti en fluoroéthylène et polymérisé pour donner du PTFE. Un autre exemple est l'addition halogénée de l'éthylène avec du chlore pour former du dichloroéthane, qui est ensuite polymérisé pour donner du PVC.

Les réactions d'halogénation peuvent nécessiter un catalyseur pour augmenter l'électrophilie de l'halogène. Par exemple, les réactions de substitution électrophile de composés aromatiques nécessitent un catalyseur. Le brome et le chlore n'étant pas suffisamment électrophiles en eux-mêmes pour provoquer la substitution de l'hydrogène, ils nécessitent la présence d'un acide de Lewis. Ainsi, les catalyseurs typiques pour l'halogénation des cycles aromatiques sont, par exemple, AlCl3 ou AlBr3. En présence de l'acide de Lewis, la liaison de l'halogène devient plus polarisée et l'halogène chargé positivement est un électrophile beaucoup plus puissant.

La fluoration des aromatiques ne nécessite pas de catalyseur car le fluor est un électrophile très puissant et cette réaction peut être très énergique. Il est difficile de contrôler la quantité de substitution du fluor qui se produit et plus d'un atome de fluor peut halogéner le cycle aromatique. Pour la substitution de l'iode sur un cycle aromatique, les halogénures métalliques ne sont pas des catalyseurs efficaces, mais un oxydant tel que l'acide nitrique convertira l'iode en HIO3 et permettra l'iodation du benzène.

Les halogénations sont des réactions exceptionnellement utiles et couvrent un large champ d'utilisation en chimie de synthèse. Quelques exemples : La chloration, la bromation et l'iodation des aldéhydes et des cétones en position α est simple, bien que cette réaction avec le fluor ne soit pas possible. L'halogénation de l'α -hydrogène dans les acides carboxyliques avec le brome ou le chlore peut se produire via la réaction de Zell-Volhard-Zelinsky, mais un catalyseur tel que P ou PBr3 est nécessaire. Plus il est facile d'énoliser un substrat, plus il est facile de l'halogéner. C'est pourquoi les halogénures d'acyle, les anhydrides et les esters maloniques subissent tous une α-halogénation sans catalyseur. La réaction de réarrangement de Hoffman utilise le brome pour convertir les amides en amines. Les cycles aromatiques peuvent être bromés ou chlorés, mais nécessitent un catalyseur tel que Fe (en fait FeCl3), AlCl3 ou AlBr3. Le fluor lui-même est trop agressif pour la fluoration des aromatiques, mais il existe des réactifs tels que ClO3F qui peuvent être utilisés pour fluorer certains substrats tels que les phénols. En général, le brome et le chlore halogénent facilement les composés comportant des liaisons doubles et triples.

Bien que l'halogénation avec X2 ou HX soit utilisée, ces molécules sont souvent toxiques, corrosives et difficiles à gérer. Par exemple, le fluor et le HF sont incroyablement corrosifs, réactifs, provoquent des produits secondaires indésirables et, en général, sont difficiles à travailler et à contrôler l'exothermie de la réaction. C'est pourquoi on a mis au point des composés qui peuvent fournir un atome de fluoration mais qui sont plus stables et plus faciles à contrôler. Par exemple, le trifluorure de diéthylaminosoufre (DAST) est un solide stable qui convertit les alcools, les aldéhydes et les cétones en organofluorure correspondant et qui est beaucoup plus sûr et pratique à utiliser que les gaz de fluor ou de tétrafluorure de soufre. Des réactifs tels que SOCl2 et PCl5 sont utilisés pour produire des composés organochlorés à partir des alcools correspondants et, comme dans le cas de la fluoration, les réactions sont plus faciles à utiliser et à contrôler qu'avec le chlore élémentaire. Comme alternative au brome, le N-bromosuccinimide (NBS) est largement utilisé pour bromer un alcène.

Les halogénations peuvent être très énergétiques et sont sensibles à l'humidité et à l'air. En outre, le rendement et la sélectivité de la réaction dépendent du substrat, du réactif halogéné, de la température de réaction et d'autres variables. Cette combinaison d'exigences fait de la nécessité d'une analyse in situ et d'un contrôle précis un objectif important dans les halogénations.

Il est important de comprendre la cinétique et la thermodynamique des halogénations afin d'atteindre les objectifs en matière de produit et de sécurité, ce qui est particulièrement vrai lors de la balance d'une réaction. Les réacteurs de laboratoire automatisés tels que EasyMax et RC1 jouent un rôle important en garantissant que l'énergétique de la réaction est bien comprise et que l'effet des variables sur la performance de la réaction est bien modélisé. Les technologies spectroscopiques in situ ReactIR et ReactRaman sont très utiles pour suivre et contrôler les espèces clés de la réaction et fournir des informations cinétiques et mécanistiques. Les halogénations génèrent souvent des intermédiaires et des sous-produits et la connaissance de l'effet des variables de réaction sur la génération de ces espèces permet de garantir la performance et la sécurité de la réaction. Les ingénieurs et les chimistes utilisent la combinaison de réacteurs de laboratoire automatisés et de sondes spectroscopiques in situ pour garantir la performance et la sécurité des halogénations.

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