Реакции галогенирования

Реакция галогенирования происходит, когда один или несколько атомов фтора, хлора, брома или йода заменяют атомы водорода в органическом соединении. Порядок реакционной способности – фтор > хлор > бром > йод. Фтор особенно агрессивен и может бурно реагировать с органическими материалами. Он также имеет тенденцию производить наиболее стабильные органогалогены, и его трудно удалить после добавления атома фтора. И наоборот, йод сложнее добавить в органическую молекулу, но как только образуется йодоорганик, атом йода легко удаляется. Таким образом, электроотрицательность атома галогена является движущей силой для реакций галогенирования. Реакции также зависят от природы молекулы субстрата, которая подвергается галогенированию.

Галогенирование происходит в результате нескольких различных процессов в зависимости от субстрата: насыщенные углеводороды галогенируют в процессе свободных радикалов; ненасыщенные органические вещества галогенат в результате реакции присоединения; Ароматические углеводороды галогенатируются путем электрофильного замещения. 

Реакции галогенирования важны как в объемном, так и в тонком химическом синтезе, а продукты и промежуточные продукты, полученные с помощью галогенирования, широко представлены в фармацевтике, полимерах и пластмассах, хладагентах, топливных добавках, антипиренах, сельскохозяйственных продуктах и т. д.

Например, в фармацевтике можно привести атомы фтора или хлора, добавленные к молекуле, которые могут увеличить потенциал ее терапевтической активности. Кроме того, обромиды и йоорганические соединения очень полезны в качестве промежуточных соединений, обеспечивая средства для добавления функциональных групп к субстрату, а также позволяя синтезировать более сложные структуры. Например, связи C-Cl или C-Br могут быть гидролизованы до спиртов, которые, в свою очередь, могут быть окислены с образованием кетонов, альдегидов и кислот. Благодаря реакциям элиминации могут образовываться двойные связи. Бромирование органических соединений часто является важным шагом на пути к образованию реагента Гриньяра, предлагающего синтетический путь для создания связей С-С. Алкилирование ароматических колец с помощью реакции Фриделя-Крафтса широко применимо, и алкилгалогениды являются критически важными реагентами для этой реакции

Некоторые важные коммерческие химические вещества и продукты образуются в результате реакций галогенирования. В классическом примере хлороформ фторируется с образованием хлордифторметана, который затем превращается во фторэтилен и полимеризуется с образованием ПТФЭ. Другим примером является добавление галогенирования этилена хлором с образованием дихлорэтана, который затем полимеризуется с образованием ПВХ.

Для реакций галогенирования может потребоваться катализатор для повышения электрофильности галогена. Например, для реакций электрофильного замещения ароматических соединений требуется катализатор. Поскольку бром и хлор сами по себе недостаточно электрофильны, чтобы вызвать замену водорода, они требуют присутствия кислоты Льюиса. Таким образом, типичными катализаторами для галогенирования ароматических колец являются, например, AlCl3 или AlBr3. В присутствии кислоты Льюиса связь галогена становится более поляризованной, и усиленный положительно заряженный галоген является гораздо более сильным электрофилом.

Фторирование ароматических углеводородов не требует катализатора, потому что фтор является сильным электрофилом, и эта реакция может быть очень энергичной. Трудно контролировать количество происходящего замещения фтора, и более одного атома фтора могут галогенизировать ароматическое кольцо. Для замены йода в ароматическом кольце галогениды металлов не являются эффективными катализаторами, но окислитель, такой как азотная кислота, преобразует йод в HIO3 и обеспечивает йодирование бензола.

Галогенации являются исключительно полезными реакциями и охватывают широкую сферу применения в синтетической химии. Несколько примеров: хлорирование, бромирование и йодирование альдегидов и кетонов в α-положении являются прямыми, хотя такая реакция с фтором невозможна. Галогенирование α-водорода в карбоновых кислотах с бромом или хлором может происходить в результате реакции Целля-Фольхарда-Зелинского, однако необходим катализатор, такой как P или PBr3. Чем проще энолизировать подложку, тем легче ее галогенировать. По этой причине ацилгалогениды, ангидриды, малоновые эфиры подвергаются α-галогенированию без необходимости использования катализатора. В реакции перегруппировки Хоффмана используется бром для превращения амидов в амины. Ароматические кольца могут быть бромированными или хлорированными, но для них требуется катализатор, такой как Fe (на самом деле FeCl3) или AlCl3 или AlBr3. Фтор сам по себе слишком агрессивен для фторирования ароматических углеводородов, но существуют реагенты, такие как ClO3F, которые можно использовать для фторирования определенных субстратов, таких как фенолы. Как правило, бром и хлор легко галогенируют соединения с двойными и тройными связями.

Хотя используется галогенирование с X2 или HX, эти молекулы часто токсичны, коррозионны и трудно поддаются лечению. Например, фтор и HF невероятно коррозионны, реакционноспособны, вызывают нежелательные побочные продукты и в целом с ними трудно работать и контролировать экзотермию реакции. По этой причине были разработаны соединения, которые могут содержать атом фтора, но при этом являются более стабильными и контролируемыми. Например, трифторид диэтиламиносеры (DAST) представляет собой стабильное твердое вещество, которое преобразует спирты, альдегиды и кетоны в соответствующие фторидорганические соединения и гораздо безопаснее и удобнее в использовании, чем газообразные фтор или тетрафторид серы. Такие реагенты, как SOCl2 и PCl5, используются для получения хлорорганических соединений из соответствующих спиртов и, как и в случае с фтором, проще в использовании и управлении реакциями, чем с элементарным хлором. В качестве альтернативы брому N-бромсукцинимид (NBS) широко используется для бромирования алкена. 

Галогенации могут быть очень энергичными и чувствительными к влаге и воздуху. Кроме того, выход и селективность реакции зависят от субстрата, галогенирующего реагента, температуры реакции и других переменных. Такое сочетание требований делает необходимость анализа in situ и точного контроля важной задачей при галогенировании.

Понимание кинетики и термодинамики галогенирования важно для достижения целей продукта и безопасности, и это особенно верно при масштабировании реакции.Автоматизированные лабораторные реакторы , такие как EasyMax и RC1 , играют важную роль в обеспечении четкого понимания энергетики реакции и тщательном моделировании влияния переменных на производительность реакции. Спектроскопические технологии in-situ ReactIR и ReactRaman очень полезны для отслеживания и мониторинга ключевых реакционных веществ, предоставляя как кинетическую, так и механистическую информацию. Галогенации часто генерируют промежуточные и побочные продукты, и знание влияния переменных реакции на образование этих веществ помогает обеспечить эффективность и безопасность реакции. Инженеры и химики используют комбинацию автоматизированных лабораторных реакторов в сочетании со спектроскопическими зондами in situ для обеспечения производительности и безопасности галогенирования.

Узнайте больше о технологиях реакций галогенирования.