4. Галогенування

Галогенуванням називається реакція введення одного або декількох атомів галогену в молекулу органічної сполуки.

Залежно від природи галогену розрізняють фторування, хлорування, бромування і йодування, а залежно від кількості галогену, що вводиться, – моно-, ди- і полігалогенування.

Методи введення галогену в органічну сполуку розділені на дві групи:

1) пряме галогенування – заміщення атома водню галогеном, а також приєднання галогенів і галогеноводнів по місцю розриву кратних зв'язків;

2) непряме галогенування – заміщення атомами галогену гідроксильної групи, кисню карбонільної групи і діазогруп органічних сполук.

Пряме галогенування. Пряме галогенування, широко поширений в органічному синтезі метод, відкритий у 1839 р. О.О.  Воскресенським, який хлоруванням бензохінону отримав трихлорбензохінон.

Механізм реакції. Залежно від умов галогенування процес протікає за різними механізмами. Так, галогенування ароматичних вуглеводнів у присутності галогенідів заліза, алюмінію, сурми, які сприяють утворенню галоген-катіона, протікає за електрофільним механізмом заміщення. На прикладі хлорування схема виглядає так:

МеС1₃ + Cl₂ → MeCl₄^– + C1⁺

Як каталізатор можуть бути використані сірчана кислота і йод:

H₂SO₄ + Cl₂  НС1 + HSO^–₄ + Cl⁺; I₂ + Сl₂ → 2С1I;

ClI → Cl^– + I⁺; I⁺ + С1₂ → С1I + Cl⁺

Заміщення водню хлором протікає через стадію утворення δ-комплексу:

Механізм галогенування гомологів бензолу у бічний ланцюг і насичених вуглеводнів носить радикально-ланцюговий характер. Під дією кванта світла або ініціаторів радикальних реакцій відбувається гомолітичний розрив зв'язку в молекулі галогену з утворенням відповідних радикалів, які далі вступають у взаємодію з вуглеводнем.

За радикальним механізмом відбувається також приєднання галогену по місцю розриву кратних зв'язків аліфатичних і ароматичних сполук.

Галогенуючі агенти. Пряме галогенування здійснюють за допомогою галогенів (Cl₂, Br₂, I₂) або змішаних галогенів (BrCl, FC1, IСl і т.д.).

Для добування фторароматичних сполук використовують реакцію заміщення атомів хлору в ароматичному ядрі фтором за допомогою фторидів кобальту і сурми (CoF₃, SbF₃, SbF₅).

Умови проведення реакцій. Порядок додавання реагентів. У лабораторній практиці найчастіше проводять реакції бромування і хлорування. В цих випадках, як правило, галогенуючий агент додають до субстрату. Додавання здійснюють малими порціями з урахуванням рівномірного виділення галогеноводню. Це усуває можливість бурхливого протікання реакції, яка може супроводжуватися викидом реакційної суміші.

Температура реакції. Реакція галогенування є екзотермічною, тому введення галогену в реакційну суміш проводять при кімнатній температурі. Для завершення процесу реакційну масу нетривалий час нагрівають.

Розчинники. Якщо субстрат є твердою речовиною, необхідною умовою здійснення процесу є використання розчинників. Для цієї мети застосовують метиловий і етиловий спирти, хлороформ, тетрахлорид вуглецю, воду й ін. Застосування того або іншого розчинника залежить від того, наскільки легко субстрат вступає в реакцію галогенування. Наприклад, у неполярних розчинниках галогени реагують з бензолом дуже повільно, в полярних, коли молекула галогену поляризується, електрофільне заміщення полегшується.

Перемішування. Ефективність перемішування визначається реакційною здатністю субстрату. Сполуки, які важко піддаються галогенуванню, особливо при проведенні реакції в гетерогенних умовах, вимагають застосування енергійного перемішування. В гомогенному середовищі з участю каталізаторів можна обмежуватися періодичним струшуванням реакційної маси.

Будова субстрату. Реакція галогенування дуже чутлива до впливу замісників у ядрі. Донорні групи (ОН, NH₂), настільки полегшують заміщення атомів водню в ядрі, що 2,4,6-трибромфенол і 2,4,6-триброманілін утворюються при дії відповідно на фенол і анілін бромистою водою при кімнатній температурі. Акцепторні замісники ускладнюють входження галогену в ядро, тому необхідно використовувати нагрівання і каталізатори.

Каталізатори реакції. Роль каталізатора в процесі галогенування надзвичайно велика. Залежно від його природи заміщення протікає або за електрофільним або за радикальним механізмами. Для введення галогену в ядро використовують хлориди або броміди заліза, алюмінію, сурми, а також сірчану кислоту і йод. При добуванні похідних, які містять атоми галогену в бічному ланцюзі, реакцію ініціюють пероксидами або світлом.

Непряме галогенУвання. серед значного числа методів непрямого введення галогену в органічну сполуку найпростішим є добування алкілгалогенідів із спиртів шляхом взаємодії останніх з галогеноводневими кислотами. Слід зазначити, що в більшості випадків використовують не вільні кислоти, а їх солі, які з сірчаною кислотою в процесі реакції утворюють відповідні галогеноводні.

Механізм реакції. Заміщення гідроксильної групи спирту галогеном протікає за нуклеофільним механізмом. Необхідною умовою реакції є попередня протонізація спирту:

R–ОН + Н⁺ → R–ОН⁺₂

R–ОН⁺₂ + Х^– → R–X + Н₂О

Галогенуючі агенти. При непрямому галогенуванні застосовують галогеноводневі кислоти і кисневмісні кислоти галогенів або їх солі з лужними металами. Для галогенування кисневмісних органічних сполук використовують також галогенопохідні фосфору (РСl₃, РВr₃, РСl₅, PBr₅, POCl₃ і т.д.), сірки (SOCl₂, SO₂C1₂), фосген СОС1₂.

Умови проведення реакцій. Порядок додавання реагентів. Використання солей галогеноводневих кислот значно спрощує синтез алкілгалогенідів, проте необхідно створювати умови для рівномірного витрачання галогеноводню, що утворюється у момент реакції галогеніду лужного металу з сірчаною кислотою. Для цього до суміші спирту і сірчаної кислоти додають малими порціями галогенід лужного металу. Позитивний результат може бути досягнутий і при додаванні по краплях сірчаної кислоти до суміші спирту і солі. У всіх випадках щоб уникнути утворення ефіру сірчаної кислоти до реакційної суміші додають воду, яка сприяє також розчиненню галогеноводню, що утворюється.

Температура реакції. Окрім збільшення швидкості процесу нагрівання реакційної суміші дозволяє також забезпечити видалення зі сфери реакції алкілгалогеніду, якщо його температура кипіння нижча 100°С, а у разі висококиплячого продукту – відгонку води. Галогенування вторинних і третинних спиртів проводять якомога при можливо більш низькій температурі щоб уникнути утворення алкенів.

Вплив природи реагуючих компонентів. Реакційна здатність галогеноводневих кислот знижується у ряді НI>НВr>НС1. Йодоводнева і бромоводнева кислоти реагують у більшості випадків легко, тоді як хлороводнева малоактивна. Підвищити реакційну здатність соляної кислоти можна додаванням ZnCl₂.

Необхідно пам'ятати, що при реакції йодування йодоводень може відновлювати йодний алкіл, що утворився до вуглеводню. Особливо легко ця реакція протікає у третинних спиртів. У таких випадках використовують спирт, йод і червоний фосфор.

Реакційна здатність спиртів знижується зі зростанням довжини ланцюга. Швидкість заміщення гідроксильної групи галогеном збільшується при переході від первинних спиртів до третинних.

Виділення продуктів галогенування. Залежно від агрегатного стану продуктів реакції прийоми виділення їх нічим не відрізняються від традиційних. У всіх випадках цільові продукти багато разів промивають водою, розчином соди, знову водою до нейтральної реакції. Рідкі речовини сушать прожареним хлоридом кальцію і переганяють. Тверді піддають перекристалізації.

Запобіжні засоби. Синтези із застосуванням галогенів і галогеноводнів необхідно проводити тільки у витяжній шафі! При роботі з бромом використання гумових рукавичок, надітих на рукави халата, обов'язково! Галогеноводень, що виділяється в процесі прямого галогенування необхідно піддавати нейтралізації содою або гідроксидами лужних і лужноземельних металів.

Ідентифікація. В ІЧ-спектрах галагенопохідних відбувається зсув смуг поглинання сусідніх з галогенами функціональних груп, за якими їх і визначають. У спектрах ПМР вплив галогену також позначається на величині хімічного зсуву сусіднього протона.