Хлорирование проводят в аппаратах, называемых хлораторами или абсорберами. Хлораторы для хлорирования в ядро должны иметь развитую теплообменную поверхность для отвода тепла реакции, устройство для диспергирования хлора в хлорируемой жидкости, защиту от кислой коррозии. В том случае, когда в качестве катализатора используют железо, надо предусмотреть соответствующие устройства для размещения катализатора (полки, решетки и т.п.). Для диспергирования хлора в жидкости могут служить барботеры различных конструкций и турбинные мешалки (в том числе всасывающая мешалка). Все это создает значительные трудности при конструировании хлораторов периодического действия.
Твердые вещества хлорируют в среде растворителя. Обработка продуктов хлорирования заключается в разделении и очистке веществ, составляющих реакционную массу, получаемую в результате хлорирования. Как правило, для этого приходится пользоваться ректификацией смеси.
Очистка отходящих газов заключается в выделении хлорируемого сырья из газовой смеси и последующей абсорбции хлористого водорода.
Поскольку тепловой эффект процессов бромирования значительно меньше, чем процессов хлорирования, величина теплообменной поверхности реактора не лимитирует скорость ведения процесса.
Для защиты от коррозии броматоры обычно эмалируют или снабжают никелевыми вкладышами (значительно реже). Бром является дефицитным сырьем. Улавливание выделяющегося в процессе реакции бромида водорода не является достаточной мерой для утилизации последнего, так как потребность в бромистоводородной кислоте меньше, чем потребность в броме. В связи с этим бромирование, как правило, ведут молекулярным бромом, а выделяющийся бромид водорода улавливают и регенерируют из него бром действием окислителей:
В некоторых случаях экономически целесообразно улавливание бромида водорода щелочными растворами и выделение из них товарного бромида натрия.
Практический интерес представляет применение брома в виде газовой бромовоздушной смеси, жидкого брома или раствора брома в инертных растворителях.
Технологически неудобной стадией при проведении процессов бромирования является загрузка брома, которую довольно трудно механизировать.
О некоторых особенностях иодирования уже говорилось на стр. . Процесс эндотермичен, а потому идет при подогреве реакционной массы. Обычно используют раствор иода в органическом растворителе. В качестве окислителей используют окислы металлов, азотную кислоту, серный ангидрид и др.:
галогенирование ароматические соединение биологический
В химико-фармацевтической промышленности широко используется иодирование ароматических соединений хлоридом иода и его комплексом с хлоридом калия. Хлорид иода получают непосредственным взаимодействием хлора и иода. Однако в промышленности обычно используют значительно более дешевый комплекс IСl.KCl. Этот иодирующий агент получают при барботировании газообразного хлора через водный раствор иодистого калия и хлористого калия:
Избыток хлора нежелателен, так как при этом возможно образование менее активного ICl3:
Полученный иодирующий комплекс ICl.KCl является жидкостью зелено-желтого цвета, очень агрессивен и при работе с ним требует особых мер предосторожности.
Хлорид иода или его комплекс с хлоридом калия достаточно часто используется в качестве иодирующего агента. Реакцию обычно проводят в водной кислой среде при умеренном нагревании. В качестве примеров можно указать промежуточные продукты в синтезах рентгеноконтрастных препаратов билигност, триомбраст и др.:
Составной частью молекул многих лекарственных соединений являются гетероароматические ядра. Поэтому здесь будет уместно коротко описать поведение гетероароматических соединений в реакциях галогенирования.
Пиридин и его замещенные проявляют весьма низкую активность в реакциях электрофильного замещения. Пробромировать пиридин удается лишь 66%-ным олеумом при 130°С или в паровой фазе при 300°С бромом на пемзе. Выход при этом составляет около 40%:
При более высокой температуре ориентация входящего галогена меняется (возможно, в связи с изменением механизма на радикальный):
Ацидофобные пятичленные гетероциклы чрезвычайно реакционноспособны и галогенируются в очень мягких условиях,
Тиофен реагирует даже при (-30)°С:
Фуран энергично реагирует с хлором и бромом при комнатной температуре, образуя полигалогензамещенные. Монозамещенные могут быть получены лишь при низких температурах:
Считают, что в последнем случае бромирование идет комплексом дибромдиоксан.
3. Галогенирование алканов
3.1 Основные сведения о механизме процесса
Галогенирование алканов, а также введение галогена в боковую цепь замещенных ароматических углеводородов проходит только по гомолитическому механизму. Процесс протекает аналогично хлорированию водорода и может инициироваться как термически, так и облучением светом с длиной волны ~ 360 нм. При хлорировании кинетические цепи могут содержать до 104 звеньев. При бромировании цепь значительно короче. Иодирование алканов иодом не идет. Прямое фторирование алканов практически не применяется вследствие очень высокой скорости и экзотермичности процеса.
Реакция начинается с образования радикалов галогена. Первая стадия переноса цепи (эндотермический процесс) определяет скорость процесса. Вторая стадия единичного звена (экзотермический процесс) цепи состоит в атаке алкильным радикалом молекулы галогена, в результате чего образуется алкилгалогенид и регенерируется радикал галогена:
Скорость реакции мало зависит от длины углеродной цепи и несколько увеличивается с ее ростом. Энергия активации мала. Расчет теплового эффекта процесса показывает, что спонтанный рост цели возможен для фторирования и хлорирования, поскольку эта величина для фторирования, хлорирования, бромирования и йодирования алканов составляет соответственно около 460, 105, 32, (-50) кДж/моль. Таким образом, прямое фторирование технически трудно осуществимо, хлорирование требует организации отвода тепла реакции, бромирование - подогрева реакционной массы, а йодирование - специального инициирования реакции.
Связь между строением и реакционной способностью алканов в реакциях гомолитического галогенирования можно объяснить большей или меньшей стабильностью образующихся в процессе реакции радикалов. Экспериментально показана следующая последовательность снижения стабильности радикалов:
Основную роль здесь играет делокализация неспаренного электрона, которая более всего выражена в бензильном радикале.
Препаративная ценность радикально-цепного галогенирования ограничена, так как селективность реакции невелика и во всех случаях образуется смесь моно- и полигалогензамещенных. Для получения монозамещенных процесс приходится вести в избытке углеводорода при малой глубине превращения.
Этот недостаток можно в значительной мере устранить, если использовать специфические переносчики галогена (А-Hal). Отличие в механизме их действия состоит в том, что в лимитирующей стадии (отщепления Н) участвует не радикал Hal., а радикал-переносчик А..
Галогенирование с помощью переносчиков, как уже говорилось, является более селективным, чем галогенирование молекулярными галогенами. Так, например, при взаимодействии толуола с хлористым сульфурилом бензотрихлорид не образуется, так как переносчиком цепи является не радикал хлора, а менее активный SO2Cl. радикал. Инициатором радикальной реакции может быть не только УФ-освещение или нагрев, но и перекись бензоила и др. химические реагенты:
Сульфурилхлорид (SO2Cl2) является наиболее часто используемым реагентом для радикального хлорирования.
Для бромирования широко применяют N-бромсукцинимид. В этом случае реакция инициируется малыми количествами радикала Br.. Как только он образуется, главные стадии роста цепи имеют вид:
Молекулярный бром образуется в результате быстрой ионной реакции между N-БС и HBr, выделяющимся на первой стадии:
Таким образом, функция N-БС сводится к обеспечению образования брома в низкой стационарной концентрации. Имеется множество других переносчиков галогена, но во всех этих случаях необходим катализатор, инициирующий реакцию. Обычно это пероксид или УФ-облучение.
Как уже указывалось, фторирование молекулярным фтором практически не используется вследствие слишком большой экзотермичности реакции.
Распространенным методом является использование четырехфтористой серы для фторирования кетонов и кислот. SF4 представляет собой бесцветный токсичный газ (т.кип. (-38)°С), хорошо растворимый в бензоле. В воде SF4 разлагается с выделением SO2.
4. Галогенирование алкенов
4.1 Основные сведения о механизме процесса
Хлор и бром реагируют с алкенами и циклоалкенами с образованием вицинальных дигалогеналканов. Реакция протекает по типу электрофильного присоединения и начинается с электрофильной атаки поляризованной молекулы галогена на -связь.
Вначале образуется -комплекс, в котором связывающая -МО алкена перекрывается с антисвязывающей -МО галогена. Большое влияние на процесс оказывают сольватация и способность атома галогена к образованию мостика, которая увеличивается в ряду: F < Cl < Br < I. Второй атом галогена присоединяется нуклеофильно таким образом, что из цис-алкена образуется рацемат оптически деятельного продукта (т.е. происходит транс-присоединение), а из транс-алкенов получается мезо-форма.
Стадией, лимитирующей общую скорость процесса, является электрофильное присоединение. Одним из доказательств этого является возможность изменения второй стадии при проведении бромирования в полярной среде при избытке активных анионов:
Электрофильное присоединение галогенводорода (гидрогалогенирование) к алкенам и циклоалкенам протекает обычно в соответствии с правилом Марковникова. Реакционная способность галогенводородов растет с увеличением силы кислот в ряду: HF < HCl < HBr < HI. Смысл правила Марковникова в данном случае сводится к тому, что галогенводород электрофильно атакует алкен протоном. Из двух возможных вариантов карбкатиона
более устойчивым должен быть катион "б", так как +I-эффект двух метильных групп значительно эффективнее гасит + заряд на центральном углероде, чем в случае "а". Поэтому катион "б" будет образовываться с меньшей энергией активации и большей скоростью, что и определит присоединение HBr в соответствии с правилом Марковникова.
Гидрогалогенирование обычно проводят при низких температурах, пропуская HНal через алкен или его раствор в CH2Cl2. В присутствии пероксидов присоединение сухого бромистого водорода проходит против правила Марковникова, что связано с радикальным, а не гетеролитическим механизмом реакции в этом случае:
Атом брома в этом случае предпочтительнее атакует положение 1, так как при этом образуется вторичный радикал (1-бром-пропил-2) более стабильный, чем первичный радикал (2-бромпропил-1).