Gehalogeneerde koolwaterstoffen

Algemene karakteristieken

Gehalogeneerde koolwaterstoffen worden verkregen door het hechten van halogeenatomen aan het molecuul van een organische verbinding. De elementen uit groep 17 van het periodiek systeem die bij dergelijke reacties betrokken zijn, zijn chloor , broom, jodium of fluor. De resulterende verbindingen worden vaak halokoolstoffen genoemd. Afhankelijk van het aantal halogeenatomen in een molecuul worden mono-, di-, tri- en polygehalogeneerde verbindingen onderscheiden. Het is belangrijk om te onthouden dat chemische verbindingen die alleen uit een koolstofketen en daaraan verbonden halogenen bestaan, ook halogeenkoolwaterstoffen zijn. Afhankelijk van de ‘basis’ koolwaterstof kunnen we onderscheiden:

• Gehalogeneerde verzadigde koolwaterstoffen – deze verbindingen zijn afgeleid van de overeenkomstige koolwaterstoffen , door een of meer waterstofatomen te vervangen door elementen uit groep 17 van het periodiek systeem.
• Gehalogeneerde onverzadigde koolwaterstoffen – in het geval van onverzadigde koolwaterstoffen, dat wil zeggen die met een dubbele of drievoudige binding, ondergaat het halogeenmolecuul een additie. Een onverzadigde binding wordt verbroken en halogeenatomen of waterstof- en halogeenatomen worden aan de koolstofatomen gehecht.
• Gehalogeneerde aromatische koolwaterstoffen – deze verbindingen worden gevormd door de reactie van een benzeenring en de overeenkomstige halogenen. In benzeen worden één tot zes koolstofatomen vervangen, waarbij koolstof-halogeenbindingen ontstaan.

Bovendien vertonen de meeste gehalogeneerde koolwaterstoffen isomerie als gevolg van verschillende posities van het halogeenatoom in het molecuul. Hoe langer de koolstofketen, hoe groter het aantal mogelijke combinaties. Bovendien worden gehalogeneerde koolwaterstoffen geassocieerd met het concept van de volgorde van koolstofatomen . Volgens dit criterium kunnen we primaire, secundaire en tertiaire koolstofatomen onderscheiden. Deze classificatie is belangrijk in de organische chemie omdat het de voorspelling van de eigenschappen en reactiviteit van chemische verbindingen mogelijk maakt.

Bereiding en eigenschappen

Voorbereiding

Gehalogeneerde koolwaterstoffen kunnen op verschillende manieren worden verkregen. De keuze van de bereidingsmethode hangt af van de substraten en de efficiëntie van het totale proces. De basismanieren om deze verbindingen te verkrijgen worden hieronder opgesomd:

• Radicale substitutiereactie – treedt op bij licht of verwarming. Het is een van de basismethoden voor de bereiding van koolwaterstofhalogeniden en wordt voornamelijk gebruikt om methaanderivaten te verkrijgen. Radicale substitutie vindt vooral plaats in aanwezigheid van chloor.
• Reactie van halogeniden met onverzadigde koolwaterstoffen – tijdens dit proces vindt een toevoeging plaats van een halogenide of een hydride van het overeenkomstige element uit groep 17 van het periodiek systeem aan een onverzadigde binding in de koolwaterstof.
• Elektrofiele substitutie van aromatische koolwaterstoffen – gebruikt om gehalogeneerde koolwaterstoffen te produceren die een benzeenring in hun molecuul bevatten. De reactie wordt uitgevoerd in aanwezigheid van een katalysator.
• Reactie van halogeniden met alcoholen – een halogeenhydridemolecuul is aan een alcoholmolecuul gehecht. De meest gebruikte halogeenhydriden zijn HCl of HBr. Als resultaat van deze reactie wordt de hydroxylgroep vervangen door respectievelijk een chloor- of broomatoom (het is een substitutiereactie). Het bijproduct is een watermolecuul.

Gehalogeneerde methaanderivaten behoren tot de meest populaire derivaten van verzadigde koolwaterstoffen, vooral die welke chloormoleculen bevatten. De aanhechting van dit element is een voorbeeld van een radicale ketensubstitutiereactie die door zonlicht wordt geïnitieerd. Methaan en chloor reageren in het donker niet met elkaar. Een chlooratoom bindt zich met een van de waterstofatomen van een methaanmolecuul en vormt chloormethaan en waterstofchloride. De reactie eindigt in dit stadium niet en een ander chloormolecuul reageert met chloormethaan. De vervanging van een ander waterstofatoom door chloor resulteert in dichloormethaan, dat in de volgende stap verandert in trichloormethaan en vervolgens in tetrachloormethaan. Dit laatste, ook bekend als tetrachloorkoolstof, is het eindproduct van de radicaalchlorering van methaan. Verdere reactie met chloor is niet mogelijk. In werkelijkheid bevat het uiteindelijke chemische mengsel tijdens dit proces alle vier de chloormethanen. Hun kwantitatieve verhouding hangt af van de omstandigheden waaronder de reactie wordt uitgevoerd (hun scheiding wordt uitgevoerd met behulp van destillatie).

Eigenschappen

De specifieke eigenschappen van individuele gehalogeneerde koolwaterstoffen zijn rechtstreeks afhankelijk van het type organische verbinding (lengte van de koolstofketen, aanwezigheid van onverzadigde bindingen, enz.) en het aantal gesubstitueerde halogeenatomen. Als algemene regel geldt dat hoe meer halogenen er in een molecuul zitten, hoe hoger de dichtheid en het kookpunt van een dergelijke verbinding. Bovendien geldt in het geval van isomeren dat hoe meer vertakt een molecuul is, hoe lager het kookpunt en hoe hoger de vluchtigheid ervan. De minst actieve zijn derivaten die een chlooratoom bevatten, actiever zijn die met broom, en de meest actieve zijn verbindingen met jodiumatomen. Ze ontleden allemaal bij zeer hoge temperaturen. Gehalogeneerde koolwaterstoffen zijn zeer chemisch actief vanwege de aanwezigheid van een zeer elektronegatief element in hun molecuul, zoals fluor. Ze ondergaan reacties zoals elektrofiele substitutie van een halogeen.

De belangrijkste voorbeelden van gehalogeneerde koolwaterstoffen

Vinylchloride

Vinylchloride (de algemene naam), formeel chlooretheen of chloorethyleen genoemd, is het product van de additiereactie tussen waterstofchloride en ethyn, in aanwezigheid van een katalysator, bij hoge temperatuur en druk. Vinylchloride is een gas dat, net als andere etheenderivaten, gevoelig is voor polymerisatie, met als resultaat een macromoleculaire substantie, een polymeer – polyvinylchloride , het populaire PVC. Het is een duurzame en goedkope grondstof met een breed scala aan industriële en zakelijke toepassingen. De meest populaire zijn raam- en deurcomponenten gemaakt van polyvinylchloride. Daarnaast wordt het onder meer gebruikt als materiaal voor elektrische, sanitaire en ventilatiesystemen, als additief bij de vervaardiging van speelgoed, wandbekleding, isolatiegordijnen, panelen, reclameborden, prothesen in medische toepassingen en nog veel meer.

Freonen

Freonen (of CFK’s) worden al tientallen jaren gebruikt in spuitbussen en koelsystemen voor koelkasten en diepvriezers. Het gebruik ervan is nu wereldwijd verboden. Chemisch gezien zijn het gechloreerde en gefluoreerde derivaten van verzadigde koolwaterstoffen, voornamelijk methaan of ethaan. Het zijn zeer vluchtige vloeistoffen die veel warmte-energie opleveren als ze de toestand van de materie veranderen. Freonen zijn onoplosbaar in water en vertonen geen chemische activiteit met andere verbindingen. De meest bekende CFK’s zijn dichloordifluormethaan en 1,1,1,2-tetrafluorethaan. Na jarenlang intensief gebruik van CFK’s in huishoudelijke chemicaliën is aangetoond dat ze de ozonlaag vernietigen, waarvan het verlies de schadelijke effecten van zonnestraling vergroot. Deze verbindingen zijn verantwoordelijk voor 14%van het broeikaseffect. Helaas zijn CFK-moleculen persistent en kunnen ze wel 130 jaar in de atmosfeer blijven.

Chloorbenzeen

Tot de gehalogeneerde aromatische koolwaterstoffen van het grootste industriële belang behoort chloorbenzeen . Het wordt verkregen door chlorering van de benzeenring met chloor, in aanwezigheid van ijzer, dat het proces katalyseert. Chloorbenzeen is een kleurloze, zeer vluchtige, goed in water oplosbare vloeistof met een breed scala aan toepassingen in de chemische industrie. Deze verbinding is een belangrijk substraat bij de productie van landbouwchemicaliën , waaronder (maar niet beperkt tot) herbiciden, fungiciden en andere gewasbeschermingsmiddelen . De chemische industrie gebruikt chloorbenzeen graag in de kunststofindustrie , waar het dient als antioxidantadditief voor rubbers of als additief bij de productie van polyaniline. Andere toepassingen van chloorbenzeen zijn onder meer de productie van kleurstoffen, actieve farmaceutische ingrediënten (zogenaamde API’s) , oplosmiddelen en chemische verbindingen.

Tetrachloormethaan

Tetrachloormethaan (tetrachloorkoolstof) is een volledig gechloreerd derivaat van methaan. Het behoort tot de halogeenalkaangroep. Bij kamertemperatuur is het een kleurloze vloeistof met een zoete geur. Het is niet-ontvlambaar. Het is enigszins oplosbaar in water, maar zeer goed oplosbaar in organische oplosmiddelen. Tot voor kort werd het op grote schaal gebruikt als oplosmiddel, vooral in de chemische industrie, maar het is zeer giftig en gevaarlijk voor het milieu. Daarom is het al enkele jaren het doel om het gebruik van tetrachloorkoolstof aanzienlijk te verminderen. Tegenwoordig is het te vinden in producten zoals oplosmiddelen, schoonmaak- en wasmiddelen of brandblusvloeistoffen (vooral bestemd voor het blussen van brandende aardolieproducten).