Composto di organoalogeno

Composto di organoalogeno, uno qualsiasi di una classe di composti organici che contengono almeno un alogeno (fluoro [F], cloro [Cl], bromo [Br] o iodio [I]) legato al carbonio. Sono suddivisi in alogenuri alchilici, vinilici, arilici e acilici. Negli alogenuri alchilici tutti e quattro i legami con il carbonio che porta l'alogeno sono legami singoli; negli alogenuri vinilici il carbonio che porta l'alogeno è doppiamente legato ad un altro carbonio; negli alogenuri arilici il carbonio alogeno fa parte di un anello aromatico; e negli alogenuri acilici (detti anche alogenuri acidi) il carbonio alogeno è doppiamente legato all'ossigeno. Esempi dei quattro tipi sono mostrati qui.

È il tipo di carbonio a cui è direttamente legato l'alogeno che è principalmente responsabile delle proprietà caratteristiche di ogni classe. Pertanto, il carbonio che porta l'alogeno nel cloruro di allile (CH ₂ = CHCH ₂ Cl) è legato singolarmente a ciascuno dei suoi atomi attaccati, il che rende il composto un alogenuro alchilico anche se è presente un doppio legame altrove nella catena. Per lo stesso motivo, il benzilcloruro (C ₆ H ₅ CH ₂ Cl) è un alogenuro alchilico, non un alogenuro di arile, anche se è presente un anello benzenico.

I composti organoalogeni differiscono ampiamente nella reattività chimica, a seconda dell'alogeno e della classe a cui appartengono, e possono anche differire all'interno di una classe. Un sostituente alogeno è considerato un gruppo funzionale e le trasformazioni dei composti organoalogenati si collocano tra le più importanti della chimica organica. Molti composti organoalogenati, in particolare i composti organoclorurati, sono importanti prodotti chimici industriali; sono usati come solventi e pesticidi e come intermedi nella preparazione di coloranti, droghe e polimeri sintetici. Più di 2.000 composti di organoalogeno sono stati identificati come materiali naturali e sono prodotti da varie piante, funghi, batteri e organismi marini. Sono disponibili vari metodi sintetici per introdurre alogeni in molecole organiche e i composti alogeni organici possono essere convertiti in altre classi di gruppi funzionali con metodi affidabili.

Questo articolo discute gli alogenuri alchilici, vinilici e arilici; per ulteriori informazioni sugli alogenuri acilici, vedere gli alogenuri acidi e l'acido carbossilico.

Nomenclatura

Due tipi di nomenclatura IUPAC vengono utilizzati per la denominazione dei composti organoalogeni: classe sostitutiva e funzionale. Nella nomenclatura sostitutiva il prefisso fluoro-, cloro-, bromo- o iodo- viene aggiunto al nome della struttura degli idrocarburi insieme a un numero (chiamato locatore) che identifica il carbonio a cui è fissato l'alogeno. I sostituenti, incluso l'alogeno, sono elencati in ordine alfabetico. Esempi di nomenclatura sostitutiva sono riportati qui.

Vengono usate due parole separate per nominare gli alogenuri alchilici secondo la nomenclatura della classe funzionale. La prima parola è il nome IUPAC del gruppo alchilico (per una spiegazione della nomenclatura IUPAC, vedi idrocarburo), e la seconda è la parola fluoruro, cloruro, bromuro o ioduro, a seconda dell'alogeno. La catena del gruppo alchilico è numerata a partire dal carbonio a cui è fissato l'alogeno.

Alcuni idrocarburi clorurati sono noti con nomi comuni di lunga data. Questi includono CH ₂ Cl ₂ (cloruro di metilene), CHCl ₃ (cloroformio), CCl ₄ (tetracloruro di carbonio), CH ₂ = CHCl (cloruro di vinile) e CH ₂ = CCl ₂ (cloruro di vinilidene).

Forza e reattività del legame carbonio-alogeno

Tra le varie classi di composti organoalogenati, gli alogenuri arilici hanno i legami carbonio-alogeni più forti e gli alogenuri alchilici i più deboli, come, ad esempio, nella seguente serie di composti organoclorurati. (L'energia di dissociazione del legame è la quantità di energia necessaria per rompere un dato legame di una molecola nella fase gassosa.)

Esiste una correlazione approssimativa tra forza di legame e velocità di reazione dei composti organoalogeni; per esempio, più forte è il legame carbonio-alogeno, più lenta è la velocità di reazione. Molte delle reazioni più comuni e utili degli alogenuri alchilici, quando applicate agli alogenuri vinilici o arilici, si verificano troppo lentamente per essere pratiche.

Alogenuri alchilici

Struttura e proprietà fisiche

Gli alogenuri alchilici (RX, dove R è un gruppo alchilico e X è F, Cl, Br o I) sono classificati come primari, secondari o terziari in base al grado di sostituzione del carbonio a cui è fissato l'alogeno. In un alogenuro alchilico primario, il carbonio che porta l'alogeno è direttamente legato a un altro carbonio, in un alogenuro alchilico secondario a due e in un alogenuro alchilico terziario a tre.

I metodi usati per preparare gli alogenuri alchilici e le reazioni che gli alogenuri alchilici subiscono frequentemente dipendono dal fatto che l'alogenuro alchilico sia primario, secondario o terziario.

Un sostituente alogeno attira gli elettroni nel legame C ― X verso se stesso, dando al carbonio una carica positiva parziale (δ +) e alogeno una carica negativa parziale (δ-). La presenza del legame covalente polare risultante rende la maggior parte dei composti polari agli alogenuri alchilici. Poiché il dipolo di legame (la misura della separazione della carica) di un legame C ― X è il prodotto di un termine di carica (il più grande per il fluoro e il più piccolo per lo iodio) e un termine di distanza (il più piccolo per il fluoro e più grande per lo iodio), i momenti di dipolo molecolare degli alogenuri alchilici non variano molto da un alogeno all'altro.

Le reazioni più importanti dei composti organoalogenici riguardano la rottura del legame carbonio-alogeno mediante processi in cui l'alogeno trattiene entrambi gli elettroni dal legame originale e viene perso come uno ione negativamente caricato (X ^-). Coerentemente con l'ordine dei punti di forza del legame carbonio-alogeno, in cui il legame con il fluoro è il più forte e il legame con lo iodio il più debole dei legami carbonio-alogeno, i fluoruri sono normalmente osservati come il meno reattivo degli alogenuri alchilici e degli ioduri più reattivo.

I punti di ebollizione degli alogenuri etilici aumentano all'aumentare del numero atomico dell'alogeno. Con l'aumentare del numero atomico, l'alogeno diventa più polarizzabile, il che significa che il campo elettrico associato all'atomo è più facilmente distorto dalla presenza di campi elettrici vicini. Il fluoro è il meno polarizzabile degli alogeni e lo iodio il più polarizzabile. Una maggiore polarizzabilità è associata a forze attrattive intermolecolari più forti del tipo a dispersione di Londra (vedi legame chimico: forze intermolecolari) e quindi ad un aumento del punto di ebollizione.

La sostituzione di alogeni multipli tende ad aumentare il punto di ebollizione: CH ₃ Cl bolle a −24 ° C (−11 ° F), CH ₂ Cl ₂ a 40 ° C (104 ° F), CHCl ₃ a 61 ° C (142 ° F) e CCl ₄ a 77 ° C (171 ° F). La sostituzione multipla di fluoro è un'eccezione, tuttavia: CH ₃ CH ₂ F bolle a −32 ° C (−26 ° F), CH ₃ CHF ₂ a −25 ° C (−13 ° F), CH ₃ CF ₃ a −47 ° C (-53 ° F) e CF ₃ CF ₃ a -78 ° C (-108 ° F). Riducendo la polarizzabilità molecolare, la sostituzione multipla di fluoro indebolisce la forza delle forze di dispersione tra le molecole. Allo stato liquido queste forze attrattive intermolecolari indebolite si riflettono in punti di ebollizione insolitamente bassi e allo stato solido sono responsabili delle nuove proprietà dei polimeri fluorocarburici.

Le densità degli alogenuri alchilici sono correlate a forze attrattive intermolecolari e tendono a punti di ebollizione paralleli, i fluoruri alchilici sono i meno densi e gli alchil ioduri i più densi. In generale, i fluoruri alchilici e i cloruri sono meno densi dell'acqua e i bromuri e gli ioduri sono più densi dell'acqua. Gli alogenuri alchilici non sono solubili in acqua.