鹵化

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鹵化是一种化工单元过程,是向有机化合物分子中引入卤素原子的过程,最常用的是向分子中引入卤素原子,形成“卤烃”,由于卤烃相当活泼,很容易被其他原子或“基”置换,因此常用于有机合成制造中间体的过程。鹵化也可以指無機化合物(例如金屬)引入卤素原子的过程。

鹵化的途徑和化學劑量和其化學結構的特性、有機化合物的官能基或鹵化的鹵族元素都有關係。卤素是五种元素的总称,因此卤化也分为氟化、氯化、溴化和碘化。碘比氯和溴要贵上很多,因而化工生产中最常用的是氯化法和溴化法。常用的氯化剂是氯气氯化氢。因为氟气氧化性太强,通常会将反应物直接氧化分解,因而氟化一般用相应的氟化剂

鹵化的例子有乙炔氯化氢氯化,可以生成氯乙烯,成为制造塑料聚氯乙烯的原料;被氯化生成六氯苯等。

脫鹵反應(Dehalogenation)是鹵化的逆反應,就是從分子中移除鹵族元素,最常見的是脫鹵化氫反應[1]

有機化合物的鹵化: 各種類的反應[编辑]

有機化合物鹵化有很多反應途徑,包括自由基鹵化酮基鹵化親電子鹵化鹵化加成反應

自由基鹵化[编辑]

典型得飽和碳氫化合物沒有加上鹵族元素但透過自由基鹵化,而是藉由鹵族元素取代氫原子。鹵化完類在區域化學上常常被決定於相對可使用較弱的C-H鍵結。這反應傾向二席和三級碳的位置因為越穩定的結構樂會導致自由基和躍遷能階產生反應。自由基鹵化被使用在工業製造甲烷氯化物。:[2]

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

烯、炔的加成鹵化[编辑]

不飽和化合物,特別是,行加成鹵化:

RCH=CHR' + X2 → RCHX-CHXR'

烯類的加成鹵化會產生中間產物鹵離子。特別地,這個中間產物可以把它分離出來。 [3]

Structure of a bromonium ion

芳香化合物的鹵化[编辑]

芳香化合物的鹵化是親電子的鹵化反應:[4]

RC6H5 + X2 → HX + RC6H4X

此鹵化機制受鹵族元素的影響,比較有親電的特性以及為比較強的鹵化劑,比起來是比較弱的鹵化劑,但是它們當中反應最弱的。此脫氫鹵化的機制遵循反轉趨勢:碘是最容易從有機物中移除而有機氟化物則有最高穩定度。

其他的鹵化方法[编辑]

Hunsdiecker反應,是從羧酸中提出短鍊鹵化物,其第一個會產生銀鹽,其之後會和鹵族元素氧化:

RCO2Ag + Br2 → RBr + CO2 + AgBr

Sandmeyer反應是從芳香鹵化物重氮鹽中得到,此化合物是從苯胺中得到。

Hell–Volhard–Zelinsky halogenation是縮酸中的α上碳進行鹵化。

有機化合物的鹵化: 依鹵族元素歸類[编辑]

氟化[编辑]

氟和飽和或不飽和的有機化合物反應,反應快速,容易爆炸。此反應需要在專業環境下進行。實際應用中,有機化合物常用電化學進行鹵化。最近發現可用氟化氫在阴极當作氟的來源,這方法叫作電化學氟化(ECF)。除了用電化學產生氟,還有各種氟化試劑的應用像是二氟化氙氟化鈷

氯化[编辑]

氯化會產生放熱反應。所有的飽和或不飽和化合物會和氯直接產生反應。此組成常需要紫外光幫忙裂解氯原子。氯化在工業上常用來製造1,2 - 二氯乙烷(PVC)還有當作溶劑的乙烷。另一種是用氯化氫結合進行氧氯化,此效果必直接氯化(用Cl2)來的好。 [2]

氧氯化[编辑]

氧氯化是混合氯化氫 (HCl)和 (O2)讓碳氫化合物氯化,這個方法工業上很愛用因為氯化氫比氯便宜。[5]最常用的反應物是以烯:

CH2=CH2 + 2 HCl + ½ O2 → ClCH2CH2Cl + H2O

此反應一開始由氯化銅 (CuCl2 ,一種從1,2-二氯乙烷產生的催化劑),有時候CuCl2會在二氧化矽中做為助催化劑幫助產生KCl, LaCl3, 或 AlCl3。除了二氧化矽,也可以用礬土矽藻土浮石作為輔助反應。因為這些反應會放出高能量(238 kJ/mol) ,催化溫度上得受到控制以免熱烈解。催化對於碳氫化合物的雙鍵氯化扮演很重要的角色,因為CuCl2是其中提供氯原子雙鍵的化合物之一。反應是如下:

CH2=CH2 + 2 CuCl2 → 2 CuCl + ClH2C-CH2Cl

氯化鈷依序會由氯化亞銅和氧反應再來和氯化氫反應而產生:

½ O2 + 2 CuCl → CuOCuCl2
2 HCl + CuOCuCl2 → 2 CuCl2 + H2O

氧氯化在製造1,2 - 二氯乙烷方面是很重要的,之後可以做出氯乙烯,其反應是如下:

ClCH2CH2Cl → CH2=CHCl + HCl
2 HCl + CH2=CH2 + ½ O2 → ClCH2CH2Cl + H2O

HCl由以上步驟循環反應進行氧氯化,反應物會自己產生也是工業上愛用氧氯化而不是氯化的原因。[6]

溴化[编辑]

溴化比氯化還具有選擇性因為反應放出的能量比較少,一般的溴化是加成Br2到烯類上面,自然界中比較常有飽和碳氫化合物和芳香化合物的溴化,形成有機溴化化合物。常用的催化劑是溴過氧化物酶,其是利用秀和氧的結合形成氧化劑。 溴化的一個例子是可以在三氯乙烯中進行有機合成做出麻醉劑halothane: [7]

Halothane synthesis

有機溴化合物是自然界中最常見的鹵化化合物,它的形成是透過溴過氧化物酶進行催化。海洋被估計每年會是放1-2百萬噸的溴仿和56,000噸的溴甲烷。[8]

碘化[编辑]

碘是反應最弱的鹵化物,最不情願和大部分的有機化合物反應。把碘加到烯類上面是用一種分析的方法叫作碘質,它是用來測量脂肪的不飽和程度的一種方法。碘仿反應包刮會降解甲基酮。

無機化學[编辑]

除了氬、氖、氦以外的元素都會直接和反應形成氟化物。氯的選擇性較強,但仍可以和大部分的金屬元素和較重的非金屬元素反應。按照趨勢,溴的活性較弱,而碘的活性最弱。可能的反應像金的氯化產生氯化金。在工業上金屬直接氯化較不重要,因為比較容易金屬氧化物和鹵化氫反應來進行鹵化。像三氯化磷一氯化硫的生產,是較大規模直接進行無機化合物鹵化的例子[9]

另見[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ Yoel Sasson "Formation of Carbon–Halogen Bonds (Cl, Br, I)" in Patai's Chemistry of Functional Groups, 2009, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/9780470682531.pat0011
  2. ^ 2.0 2.1 M. Rossberg et al. “Chlorinated Hydrocarbons” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry 2006, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a06_233.pub2
  3. ^ T. Mori, R. Rathore. X-Ray structure of bridged 2,2'-bi(adamant-2-ylidene) chloronium cation and comparison of its reactivity with a singly bonded chloroarenium cation. Chem. Commun. 1998, (8): 927–928. doi:10.1039/a709063c. 
  4. ^ Illustrative procedure for chlorination of an aromatic compound: Edward R. Atkinson, Donald M. Murphy, and James E. Lufkin (1951). "dl-4,4',6,6'-Tetrachlorodiphenic Acid". Org. Synth.; Coll. Vol. 4: 872. 
  5. ^ Marshall, K. A. 2003. Chlorocarbons and Chlorohydrocarbons, Survey. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology
  6. ^ "Oxy | Oxychlorination." Oxy | Oxychlorination. N.p., n.d. Web. 10 Oct. 2012. [1]
  7. ^ Synthesis of essential drugs, Ruben Vardanyan, Victor Hruby; Elsevier 2005 ISBN 0-444-52166-6
  8. ^ Gordon W. Gribble “The diversity of naturally occurring organobromine compounds” Chemical Society Reviews, 1999, volume 28, pages 335 – 346.doi:10.1039/a900201d
  9. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan., Chemistry of the Elements 2nd, Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0080379419